郭慧楠 吳海峰

（1.嘉興數(shù)科測繪科技有限公司 浙江 嘉興 314000; 2.青田縣土地規(guī)劃勘測隊 浙江 青田 323900）

1 引言

舊城區(qū)或城中村進行舊城項目改造前期，對現(xiàn)狀建筑物和附著物摸底調(diào)查是前期重要工作，涉及征地拆遷、交通、管線規(guī)劃等項。因此，前期對舊城改造建設(shè)項目進行詳細調(diào)查與科學(xué)策劃是必要工作。當(dāng)下，信息化、數(shù)字化技術(shù)迅速發(fā)展，使得舊城改造項目建設(shè)前期的測繪及規(guī)劃方法出現(xiàn)了新的技術(shù)[1]，傳統(tǒng)依靠紙質(zhì)化的線下圖紙和書面資料已難以滿足現(xiàn)代化的建設(shè)要求。CAD技術(shù)相較于圖紙有了明顯的效率提升，但應(yīng)用成果大多為二維層次，應(yīng)用模式仍較為局限[2]。在三維技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)，近年來的BIM 技術(shù)以其集成化、可視化以及參數(shù)化的特點，正得到廣泛的應(yīng)用，相關(guān)利用BIM 技術(shù)進行舊城改造建設(shè)項目的案例研究也較多[3?4]，但總體上的應(yīng)用集中于宏觀上的統(tǒng)籌方面，詳細的參數(shù)等信息較為缺乏。本文通過研究無人機測繪技術(shù)在舊城改造建設(shè)項目前期征地拆遷方面的應(yīng)用[5?6]，結(jié)合工程實際案例，利用傾斜攝影測量技術(shù)應(yīng)用方便、測量便捷、經(jīng)濟性好、數(shù)據(jù)可靠等優(yōu)勢，通過三維實景模型的構(gòu)建，建立舊城改造區(qū)塊的三維GIS，并結(jié)合空間分析方法，估算獲得地塊內(nèi)房屋的拆遷工程量，從而為舊城改造項目前期征地拆遷、交通疏導(dǎo)等方案設(shè)計與策劃提供新的思路。

2 無人機傾斜攝影原理及工作流程

2.1 無人機傾斜攝影原理

無人機傾斜攝影技術(shù)是利用無人機飛行平臺上搭載多臺攝影測量設(shè)備，同時從一個垂直和四個傾斜等不同角度拍攝地形地物實現(xiàn)獲取多角度高分辨率影像，將采集到的圖片或者是數(shù)據(jù)信息通過各種自動三維建模軟件進行處理，可快速構(gòu)建出具有地物準確位置和清晰紋理的高分辨率真三維場景。無人機航測攝像系統(tǒng)主要包括三部分構(gòu)造裝置，分別為云臺相機、飛行平臺及地面操作系統(tǒng)。云臺相機的作用是進行傾斜拍攝，即中心相機的光軸與水平面垂直，另外四個方向上分布的相機光軸分別與水平面相交呈45°角，從而經(jīng)過單次航行后，便有超過三張且不同角度的針對同一地物的影像。同時，五鏡頭相機具有集成度高、采集相片質(zhì)量好及工作性能平穩(wěn)的優(yōu)勢。用于承載云臺相機的裝置即為飛行平臺，也即無人機，主要有固定翼或多旋翼等形式。固定翼無人機在使用時，要求有一定的飛行操控技能且起降場地應(yīng)符合一定條件，但其續(xù)航能力強，飛行速度可觀，綜合工作效率高，在大面積、長時間的高空作業(yè)領(lǐng)域有一定的適用性。多旋翼無人機一般用于市區(qū)測繪領(lǐng)域，其對起降場地沒有特殊要求，適用性好，且能實現(xiàn)定點懸停與垂直升降，使用較為便捷。地面操作系統(tǒng)主要負責(zé)飛行平臺的通信聯(lián)絡(luò)以及姿態(tài)控制等，通過輸入預(yù)定的航行參數(shù)，便可操控?zé)o人機進行航拍工作。完成航攝后，可下載無人機在航測時獲得的測量數(shù)據(jù)并存儲，用于后期的數(shù)據(jù)分析。

在舊城改造建設(shè)項目的前期策劃中，為應(yīng)用傾斜攝影測量技術(shù)，一般需要三個步驟，即影像的獲取、三維模型的構(gòu)建以及GIS 的空間分析。一是影像的獲取，一般是通過無人機對舊城改造地塊現(xiàn)狀情況進行傾斜攝影，獲得地塊不同角度的高分辨率影像；二是三維模型的構(gòu)建需要一系列的應(yīng)用步驟才能完成，主要包括空三加密、影像匹配、不規(guī)則三角網(wǎng)的建立以及紋理映射等；三是三維GIS 空間分析，主要是結(jié)合其他的數(shù)據(jù)資源，基于傾斜攝影測量的處理成果，為獲得舊城改造區(qū)域內(nèi)征地拆遷工程量而進行的相關(guān)空間分析過程。

2.2 獲取影像數(shù)據(jù)

利用無人機進行航測，為獲取地塊影像數(shù)據(jù)，一般需要進行航線規(guī)劃、地面測控點測量以及影像航測等工序，具體的工作流程如圖1所示。

圖1 傾斜攝影測量的主要流程

在開始傾斜攝影前，進行現(xiàn)場踏勘，了解舊城改造地塊的范圍，設(shè)置相對應(yīng)的飛行路徑，滿足拍攝需求。為方便后期生成完整的三維模型，在航線方面，一般設(shè)置80%以上的航向重疊度和60%以上的旁向重疊度。對于地面控制點測量，包括控制網(wǎng)的設(shè)計（航拍區(qū)域）以及像控點的測量等工作，實施中應(yīng)嚴格遵守規(guī)范，像控點的布置采用“角點布設(shè)，中間加密，均勻布設(shè)”盡量保持間距均勻，間距按照100m?150m 嚴格布設(shè)，對舊城改造地塊的測量區(qū)域全覆蓋。像控點的坐標，可采用網(wǎng)絡(luò)RTK 的方法，將GNSS 接收機設(shè)置于像控點，即可快捷地進行測量，該數(shù)據(jù)測量過程簡單方便，精度達厘米級，符合后續(xù)內(nèi)業(yè)處理時的空三求解要求。

2.3 構(gòu)建三維模型

利用Smart3D、Pix4D 以及Photoscan 等數(shù)據(jù)處理軟件，在所獲取的傾斜攝影航測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，可構(gòu)建出舊城改造地塊的三維實景。在構(gòu)建三維模型的過程中，主要工作內(nèi)容有空三加密、影像匹配、建立三角網(wǎng)以及紋理映射等。

傾斜攝影三維建模的關(guān)鍵工作為以拓撲方式重建影像間的聯(lián)系，即空三加密。具體方法為利用共線方程，結(jié)合地面控制點的坐標，采用光束法進行測量區(qū)域網(wǎng)平差。在進行傾斜攝影區(qū)域網(wǎng)平差之前，應(yīng)檢測影像匹配點的粗差情況并構(gòu)建自由網(wǎng)，以盡量規(guī)避大傾角時多視影像自動配準所產(chǎn)生的粗差?？杖用芸蓪⒍鄰埢靵y的航攝圖像在三維空間狀況下進行有序擬合拼接，并實現(xiàn)類似于現(xiàn)場真實狀況的空間模型。

在空三加密工作后，為獲得高密度、高精度的三維點云數(shù)據(jù)，實現(xiàn)三維建模的精細化，應(yīng)當(dāng)進行傾斜航測影像的匹配工作。在進行影像密集匹配的過程中，需要注意影響密集匹配的遮擋因素，再基于相機的外方位元素，實現(xiàn)對影像中所有點的密集匹配。在得到三維點云數(shù)據(jù)之后，難免會存在部分不符合要求的噪點，建模前應(yīng)進行剔除，以提高精度，再在不同層次細節(jié)度的前提下，基于點云建立不規(guī)則三角網(wǎng)模型。優(yōu)化改善不規(guī)則三角網(wǎng)，使其內(nèi)部尺寸的比例調(diào)整至與初始影像的分辨率相對應(yīng)，并簡化三角網(wǎng)，突出邊緣信息，最大限度地維持模型的幾何形態(tài)。

將紋理圖像配準與貼附在不規(guī)則三角網(wǎng)模型上的過程即為紋理映射。對于航測中的某一地物，將會在若干張航測影像中出現(xiàn)，為合理選擇最適當(dāng)?shù)挠跋?，將選擇標準確定為二維圖像與模型表面面片法線方程之間的角度，該夾角越大，則紋理質(zhì)量越差。以此標準進行選擇，可使模型上每個三角面片均唯一對應(yīng)某一航測圖像，再利用配準在三角面片上投影出紋理影像，進行紋理貼附，即可重建三維實景模型。

2.4 分析三維GIS空間

在得到規(guī)劃的舊城改造地塊三維實景模型的基礎(chǔ)上，傾斜攝影測量還可獲得DOM（正攝影像）與DEM（數(shù)字高程）等相關(guān)數(shù)據(jù)。在三維地理信息平臺中，為構(gòu)建出三維GIS（地理信息系統(tǒng)），可融合BIM模型與CAD 圖紙，相關(guān)工作流程如圖2 所示。疊加地形數(shù)據(jù)集至三維實景中，便可獲得舊城改造地塊的現(xiàn)狀城市三維模型。為獲得單體化模型圖層，則可融合BIM 模型，所得圖層包含有高質(zhì)量的空間地理信息，也可以疊加類似的屬性。在完成構(gòu)建三維GIS之后，對于舊城改造建設(shè)項目的前期征地拆遷工作，可通過相應(yīng)的空間分析步驟來完成。

圖2 三維GIS系統(tǒng)的構(gòu)建流程

在征地拆遷工程量統(tǒng)計方面，一般通過緩沖區(qū)分析進行，具體為在點、線、面等類型的地物周圍，設(shè)置相應(yīng)緩沖寬度并建立多邊形，則空間地理目標的影響范圍便能確定。對于舊城改造地塊緩沖區(qū)生成是以規(guī)劃拆遷范圍為準，全部或者部分建筑物在拆遷范圍內(nèi)的均全部納入，其他建筑物以工程設(shè)計影響范圍確定緩沖區(qū)寬度。在對舊城改造地塊劃分出緩沖區(qū)的基礎(chǔ)上，通過迅速統(tǒng)計出位于緩沖區(qū)內(nèi)的相關(guān)建筑物樓層與面積等實際信息，繼而高效地對涉及的拆遷工程量進行估算，從而得到合理、準確的工程造價。

3 工程案例

某城市舊城改造一期工程規(guī)劃面積為52 公頃。根據(jù)相關(guān)部署，現(xiàn)需要對該舊城改造整個地塊進行傾斜攝影測量，并需進一步建立全區(qū)域三維實景模型以及制取DOM、DEM 等數(shù)據(jù)。本次航測采用的飛行平臺為大疆品牌的M300 無人機，多旋翼形式，搭載的傾斜相機像素為2000 萬，鏡頭正攝焦距為22mm，傾斜焦距為35mm，設(shè)置航向重疊率80%，旁向重疊率70%，成像分辨率為5184×3456，飛行速度為10m/s，飛行高度為150m，該相機的續(xù)航時間約為20min。

采用網(wǎng)絡(luò)RTK 進行地面像控點的測量，共計110個有效像控點。無人機航測現(xiàn)場，以及利用網(wǎng)絡(luò)RTK測量地面像控點坐標示意，如圖3所示。

圖3 傾斜航測現(xiàn)場與像控點采集

基于傾斜攝影測量的圖像，結(jié)合無人機POS 數(shù)據(jù)與地面像控點坐標，采用Smart3D 軟件生成三維實景模型以及DOM、DEM 等數(shù)據(jù)，通過空三加密、影像匹配、三角網(wǎng)建立以及紋理映射等工作建立三維模型，具體步驟如圖4所示。

圖4 舊城改造地塊的三維實景模型建立步驟

在傾斜攝影測量的數(shù)據(jù)進行相應(yīng)處理之后，在三維GIS 平臺上建立舊城改造地塊的城市三維模型，并利用3DMax 軟件精細化處理模型。基于模型的坐標數(shù)據(jù)，考慮管線數(shù)據(jù)庫與房調(diào)資料等，建立BIM 模型，繼而融合傾斜攝影測量的數(shù)據(jù)成果。舊城改造地塊周邊環(huán)境的面積或長度等數(shù)據(jù)可通過空間信息量算取得。借助前文所述的緩沖區(qū)分析法，快速統(tǒng)計出規(guī)劃舊城改造地塊征地拆遷區(qū)域內(nèi)的樓房面積，并估算獲得相應(yīng)的建筑拆遷工程量，如圖5所示。

圖5 舊城改造地塊的征地拆遷工程量估算示意

基于傾斜攝影測量技術(shù)，利用航測方法獲取影像數(shù)據(jù)，通過空三加密、影像匹配、三角網(wǎng)建立以及紋理映射等步驟，實現(xiàn)三維實景模型的建立，其優(yōu)勢一是減少了外業(yè)工作量，作業(yè)過程受氣候影響較小，節(jié)約工作時間，提高工作效率；二是解決了部分居民違建房測量、阻礙施工等實際情況，有效提升了舊城改造項目推進的效率。

4 結(jié)束語

近年來，無人機傾斜攝影測量技術(shù)得到飛速發(fā)展及應(yīng)用，有效地推動了測繪領(lǐng)域往高精度、高效率及高水平的發(fā)展，并打破了傳統(tǒng)測量方式的不足與局限，創(chuàng)造了新的測繪方法。本文以某城市舊城改造建設(shè)項目為案例，闡述無人機傾斜攝影測量技術(shù)在前期征地拆遷工作中的具體應(yīng)用，有效地解決了舊城改造建設(shè)的前期征地拆遷量統(tǒng)計問題，該方法可三維直觀地展示相關(guān)處理結(jié)果，相較于傳統(tǒng)的測量方式，數(shù)據(jù)采集工作量大大減少，采集效率大大提升，在舊城改造建設(shè)前期的策劃管理方面有著良好的推廣應(yīng)用前景。