無人機傾斜攝影測量技術(shù)在城市更新基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查工作中的應(yīng)用研究

陳 琦 陳 航

廣州市城市更新規(guī)劃研究院，廣東廣州 510000

隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的高速發(fā)展，城市建設(shè)的步伐日益加快，城市更新工作存在著測區(qū)環(huán)境復雜、房屋現(xiàn)狀建筑量統(tǒng)計工作量大、工作周期長、擾民等問題。利用傳統(tǒng)的測繪方式進行城市更新基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查工作，無法解決存在的工作難題。隨著測繪遙感技術(shù)的發(fā)展，無人機傾斜攝影測量技術(shù)的出現(xiàn)使得解決傳統(tǒng)測繪技術(shù)在城市更新基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查工作中存在的問題成為了可能[1]。

由于廣州市城市更新基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查是針對市區(qū)的城中村、老舊小區(qū)、舊廠，這些片區(qū)大小一般都是1～4km2，測區(qū)內(nèi)房屋密集，樓頂梯屋從下面很難看見全貌，有些區(qū)域短時間內(nèi)房屋變化量也比較大，城市更新基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查工作需要獲取現(xiàn)勢性較好的地形圖以及需要統(tǒng)計房屋建筑量，同時開展工作也不能太擾民。無人機傾斜攝影測量技術(shù)能很好的解決以上問題。

1 無人機傾斜攝影測量原理與關(guān)鍵技術(shù)

無人機傾斜攝影測量技術(shù)是通過搭載的5鏡頭相機從正下方、前、后、左、右，5個不同的方向獲取高分辨率影像，同時POS系統(tǒng)不斷采集數(shù)據(jù)，飛行完成后運用Context Capture Center軟件處理相關(guān)數(shù)據(jù)，得到DSM、DOM以及實景三維模型。

多視影像聯(lián)合平差是充分考慮正射影像和傾斜影像間的幾何變形和遮擋關(guān)系[2]，結(jié)合POS數(shù)據(jù)，采用金字塔匹配，在影像上進行同名點匹配，然后進行自由網(wǎng)光束法平差[3]，使得同名點間得到較好的匹配結(jié)果。同時建立各種數(shù)據(jù)間多視影像自檢校區(qū)域網(wǎng)平差誤差方程，通過聯(lián)合解算，確保平差結(jié)果的精度[2]。

多視影像匹配的關(guān)鍵技術(shù)是在匹配過程中充分考慮冗余信息，同時快速的獲取多視影像上的同名點坐標[4]，進而獲取地物的三維信息。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，多基元、多視影像匹配是研究的焦點[5]。通過傾斜影像的密集匹配，可以得到高精度和高密度的點云數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)精細三維建模。目前匹配算法使用最多的是最小二乘影像匹配算法、多基元多影像匹配算法、基于物方的多視立體匹配算法[6]。

2 實驗數(shù)據(jù)獲取

本次項目測區(qū)為廣州市海珠區(qū)龍?zhí)洞宓牟糠謪^(qū)域，測區(qū)面積0.9km2，地勢平坦，地面要素主要為城鎮(zhèn)密集居民區(qū)、水系、公路等，典型的廣州市城市更新基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查區(qū)域。

外業(yè)數(shù)據(jù)獲取是通過無人機進行傾斜攝影測量，獲取測區(qū)的相關(guān)數(shù)據(jù)，然后運用Context Capture Center軟件進行建模處理，得到三維模型，再通過DP-Modeler軟件繪制測區(qū)的地形圖以及建筑物矢量線劃圖，最后統(tǒng)計房屋現(xiàn)狀建筑量，為城市更新基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查工作提供數(shù)據(jù)參考。

3 基于三維模型生成建筑矢量線劃圖的方法

運用DP-Modeler軟件打開Context Capture Center生成的三維模型文件，在多張正射影像上選擇一張最合適的正射影像，然后切換到頂視圖界面，運用矢量測圖管理器里面的相關(guān)操作模塊，從房屋的頂層外輪廓勾繪出房屋的邊線。勾繪時如果房屋頂層的外邊緣有屋檐，此時頂視圖不能真實的反映房屋的房角線所在位置，此時應(yīng)該切換到傾斜影像上，運用相關(guān)功能模塊根據(jù)傾斜影像進行屋檐改正，使得改正后的角點能和房屋的邊角線完全套合，這樣提取出的矢量圖才能真實的反映房屋的輪廓[7]，從而在根據(jù)房屋層數(shù)計算面積時，房屋的面積不會偏大，能真實的反映建筑面積情況。

3.1 房屋層數(shù)的確定

一般城中村中的民房房屋的層高為2.8～3.0m左右，無論城中村房屋多么密集，總有位于四周的房屋某一面或者兩面，可以根據(jù)傾斜攝影測量拍攝的像片，從傾斜像片中總能從側(cè)面分辨房屋的實際層數(shù)，當某一個或者多個房屋的層數(shù)確定后，可以根據(jù)這個房屋與其他房屋的高差，判斷其他房屋的層高。難以判斷的房屋則做出標記，然后到現(xiàn)場實際調(diào)繪時，再來做出相應(yīng)的判斷。

3.2 房屋樓頂結(jié)構(gòu)的確定

根據(jù)傾斜攝影測量的正射影像和傾斜影像勾繪出房屋樓頂?shù)奶菸菀约耙恍┐罱ǖ暮喴追?、棚房、加建的磚（混）房，判斷出梯屋的高度是否滿足2.20m，再對其是否測量進行取舍，判斷出樓頂結(jié)構(gòu)分層情況。這就解決了傳統(tǒng)外業(yè)從現(xiàn)場無法測量或者估算樓頂結(jié)構(gòu)面積不準確的問題，從而使房屋相關(guān)面積測量更加精確，也解決了某些項目入戶測量房屋樓頂結(jié)構(gòu)擾民的問題。

3.3 房屋附屬物結(jié)構(gòu)的確定

一些位于測區(qū)四周的房屋附屬物（陽臺、飄樓），可以根據(jù)傾斜影像判斷陽臺、飄樓所在層及其個數(shù)，甚至還能根據(jù)一些傾斜影像判斷出陽臺、飄樓的尺寸。

當然，城中村房屋中更多的是夾雜在中間的一些房屋的附屬物的判斷，這些房屋通常也很難根據(jù)傾斜影像判斷其附屬，但這里可以通過與外業(yè)調(diào)繪相結(jié)合的方式來判讀房屋的附屬。外業(yè)調(diào)繪時，可以拿著勾繪的不帶房屋附屬的圖進行作業(yè)，核對每一棟房屋是否有陽臺、飄樓以及其所在房屋的哪一面上，根據(jù)測量的尺寸將其標注在底圖上，內(nèi)業(yè)繪制這些附屬時應(yīng)注意，根據(jù)尺寸向內(nèi)勾繪出相應(yīng)的陽臺、飄樓。

根據(jù)實驗通過外業(yè)調(diào)繪陽臺、飄樓，再到內(nèi)業(yè)將其補繪到相應(yīng)位置，作業(yè)方法簡單，內(nèi)外業(yè)的工作量雖然有，但是很快，實驗是選取測區(qū)某一房屋密集區(qū)域，大多數(shù)房屋都有陽臺、飄樓，調(diào)繪房屋大約450棟，外業(yè)約1.5d，內(nèi)業(yè)約1.5d。

3.4 其他非房屋類地形地貌的確定

根據(jù)生產(chǎn)的三維模型，可以很清楚直觀的反映其他非房屋類地形地貌的特征，比如河流、道路、橋梁、樹木、雨水篦子等，運用DP-Modeler軟件的相關(guān)模塊直接勾繪出這些特征的地形地貌即可，將用軟件勾繪的線劃圖導出到CASS里面即可。如果存在某些死角點，可以通過結(jié)合外業(yè)調(diào)繪的方式，對其進行補繪。

4 精度檢驗

為更好的檢驗此次新技術(shù)成果的精度，實驗區(qū)域盡量選擇與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查范圍內(nèi)房屋現(xiàn)狀類似的情況，如密集的城中村。實驗區(qū)域選取的是典型的城市更新基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查區(qū)域，這些區(qū)域巷道寬度在1～2m之間，巷道內(nèi)部彎曲，在巷子內(nèi)部陽臺、飄樓錯立。

通過廣州市城市跟新規(guī)劃研究院生產(chǎn)的矢量線劃圖成果，使用傳統(tǒng)測量方式進行實地測繪，點位數(shù)據(jù)采集采用全站儀進行數(shù)據(jù)采集，邊長數(shù)據(jù)采集采用測距儀進行數(shù)據(jù)采集，然后進行數(shù)據(jù)對比分析。

城市更新數(shù)據(jù)調(diào)查工作要求建筑量誤差不能超過5%，結(jié)合1∶500地形圖的相關(guān)檢驗標準，共抽檢房屋角點坐標及房屋邊線兩項內(nèi)容。

表1 坐標檢測表

表2 屋邊長檢測對比表

房屋角點坐標中誤差14.85cm，滿足1∶500地形圖數(shù)據(jù)坐標中誤差15cm的精度要求。房屋邊長按照地籍測量一、二等界址點間距誤差的要求，航飛生產(chǎn)線劃圖的房屋邊長中誤差23.83cm，超過二等界址點15cm的精度要求。

由于房屋巷子較窄，頂層加蓋了不規(guī)則的鐵篷房。房屋傾斜影像數(shù)據(jù)各個方向被周圍房屋及頂層篷房遮擋，是模型提取矢量線產(chǎn)生誤差較大的原因所在。而房屋模型在清晰的情況下，房屋邊長較差基本在10cm以內(nèi)。

在較復雜區(qū)域航飛生產(chǎn)的地形圖的空間位置精度能滿足1∶500地形圖對平面位置中誤差精度的要求。航飛生產(chǎn)的地形圖的邊長精度較低，當在房屋周圍遮擋嚴重，房屋三維模型不夠清晰的情況下，很難達到地籍測量一、二等界址點間距精度要求。

5 結(jié)語

綜上所述，本文提出的基于無人機傾斜攝影測量技術(shù)獲取數(shù)字影像數(shù)據(jù)，通過Context Capture Center軟件進行處理得到實景三維模型，通過DP-Modeler軟件同時結(jié)合少量外業(yè)調(diào)繪生成對應(yīng)的地形圖和建筑物矢量圖，根據(jù)建筑物矢量圖可以快速的統(tǒng)計出建筑物的現(xiàn)狀建筑量。解決了傳統(tǒng)測繪在城市更新基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查中存在的問題，為城市更新基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查工作提供了一種新的途徑。

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[3] 薛武，張永生，趙玲，等.增量式SFM 與 POS輔助光束法平差精度比較[J].測繪學報，2017，46（2）：198-207.

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[5] 張繼賢，林祥國，梁欣廉.點云信息提取研究進展和展望[J].測繪學報，2017，46（10）：1460-1469.

[6] Yu Y，Zhang Y S，Xue W，Mo D L.Unmanned aerial vehicle multi-view matching algorithm in object space[J].Journal of Image and Graphics，2017，22（1）：0108-0114.

[7] 俞建人，李濤，申淑娟.傾斜攝影三維模型的房檐改正方法分析與精度評估[J].測繪通報，2017（5）：75-78.