測繪新技術在棚戶區違建監管中的應用

黃德倫 廉 琦

貴州省地質礦產勘查開發局測繪院，貴州貴陽 550018

傾斜攝影測量技術作為一項新的測量技術，其改變了傳統無人機航攝影像只能獲取垂直方向影像的限制，傾斜攝影測量技術通過無人機平臺，搭載5臺多方位傳感器，從正射和周圍四個角度對地面情況進行攝影，從而獲的垂直方向、側視方向等不同角度的影像數據，通過三維建模，就可以逼真的反映地面物體的實際面貌，客觀的呈現地面建筑物的外型、結構和高度等屬性。因此，隨著傾斜攝影測量技術發展，獲取地面物體三維信息的能力越來越強，應用越來越廣泛，滿足人們對三維信息的需要。將獲取的三維立體數據用于建模，獲取棚戶區三維立體模型，給監管部門提供直觀真實的三維景觀情況。通過不定期三維模型更新獲取相應模型變化數據，從而獲得相關區域的變化信息，便于監管部門做好監管工作，提高工作效率，降低工作難度和成本。

目前，傾斜攝影測量技術主要依賴無人機等空中飛行平臺，從根本上將傳統測量技術進行了一次大的提升，同時促進了測量精度的提高，該技術已經開始廣泛應用于現實的生產實踐過程中。

本文將對傾斜攝影測量技術在本項目的應用現狀以及發展領域進行了深入研究，希望能為有關方面提供一些有效幫助。

1 項目具體情況

項目區位于縣城周邊，由于國家加大對城市周邊棚戶區改造力度，該區域現納入棚戶區改造計劃。由于老百姓對棚戶區改造有所了解，導致違法亂建十分猖獗、平凡，這種“種房”行為帶來了很多不良影響和安全隱患，也給后期城市統一規劃建設和棚戶區拆遷帶來很多困難。為了促進城市的健康發展，必須加強對棚戶區的實時監控和違法建筑的拆除處理。

貴州省地質礦產勘查開發局測繪院現承擔貴州某縣城城市周邊棚戶區違法亂建建筑拆遷監測任務，按照傳統監測要求，采用傳統測量方式進行違法建筑測量，工作強度大、效率低、成本高、工期長，不利于及時反饋違法建筑信息給主管部門，再加上棚戶區處于城市重要地段，違法亂建頻繁，政府監管難度較大；其次，如果采用傳統攝影測量，只能獲取正射影像，雖能發現部分違法建筑，但是很難掌握違建的數量、樓層和相關結構，要獲取違建建筑具體情況，還要實地核實取樣，難度依然不小，基于以上特點，結合我單位現有技術，決定采用傾斜攝影測量技術加三維建模技術實現對棚戶區的實時監控，將有關變化區域及變化情況及時提供給主管部門，保證其對違法建筑或者正在進行的違法建設行為進行管控，提高其管理效率，降低其管理難度，節約其管理成本，同時也增加了測量新技術在現有社會中的應用前景。

2 無人機傾斜攝影測量

近年發展起來的無人機傾斜攝影測量技術，可以在大范圍內，超高清晰度和高精確度地全面拍攝復雜場景，通過高效率、快速性的數據采集設備，直觀地反映復雜環境的整體外觀、地物相關位置和地物高度等屬性，為復雜場景的真實效果和測繪級精度提供有效保證。正是基于這些優點，本文將此技術應用于城市棚戶區違建監測。通過三維建模，在測繪行業、城市規劃行業、旅游業等行業中應用越來越廣泛，越來越深入。

傾斜攝影原理就是以無人機為平臺，由單一正射傳感器演變為多方位傳感器，現常用5個鏡頭的相機。攝取影像范圍更廣，利用傾斜攝影測量獲得影像數據進行點云信息后處理，快速有效地實現三維立體模型構建。在建筑物外表面模型的構建過程中，傾斜攝影技術獲得的垂直影像和傾斜影像的優點就顯現出來了，傾斜攝影技術獲取的多視角影像數據可以更好地觀察建筑物各個側面，這一顯著特點有效地滿足了生成建筑物表面紋理的需要。對同一區域拍進行傾斜攝影測量，可以快速獲取相關區域的三維立體模型。垂直和傾斜攝影原理如圖1所示。

圖1 垂直和傾斜攝影原理

航線設計需要的條件是無人機飛行的高度。航高需要根據項目要求，選取合適的地面分辨率，綜合分析傾斜相機的各項性能，來求其計算公式。相關運算公式為：

式中：H—航攝高度（m）；f—鏡頭焦距（mm）；α—像元尺寸（mm）；GSD—地面分辨率（m）。

航空攝影測量規范要求，航向重疊度一般是60%～80%，最小不小于53%；旁向重疊度一般是15%～60%，最小不小于8%。但是無人機傾斜攝影時要求更高，規范要求的旁向重疊度是不夠的。根據該棚戶區實際情況，本項目采用67%重疊。

在無人機傾斜攝影時無法保證航向覆蓋大于攝區邊界線兩條基線的基本要求，旁向覆蓋大于攝區邊界線像幅的50%。因此，綜合分析項目區的地形、建筑密度和高差等情況，按照如下公式計算航線外展的寬度。計算公式如下：

式中：L—外展寬度；H1—相對航高；tan θ —相機傾角；H2—基準面高度；H3—測區邊緣最低點高度；L1—半個像幅對應的水平距離。

像控測量是為了保證空三加密的精度，確定地面建筑物的空間中絕對位置。傾斜攝影測量相對于傳統攝影測量在影像重疊度上要求更高，無人機通常采用GPS定位模式，自身帶有POS數據，可以提高空三計算的準確度。

通過無人機航拍的傾斜攝影數據，利用建模軟件建模，將攝影數據導入到建模軟件中，通過計算機圖形計算，結合POS信息空三處理，生成點云，點云構成格網，格網結合影像生成賦有紋理的空間三維立體模型。針對城市棚戶區這樣復雜的航攝區域，能夠確保航攝時的靈活性。同時，通過傾斜攝影測量這項測繪新技術，實現棚戶區違法建筑的數據不斷更新，及時有效的為城市棚戶區管理提供更真實合理的執法依據和管理效能。

3 三維模型構建

現階段市場上使用的建模軟件有很多，如Bently公司的ContextCapture（Smart3D），Agisoft公司的PhotoScan，Pix4D公司Pix4Dmapper，我們采用的是Smart3D，它是一套無需人工干預，通過影像自動生成高分辨率的三維立體模型。Smart3D通過一組相對靜態的建模主體，以多角度獲取的數碼影像作為數據源。這些影像數據需要傳感屬性、照片位置參數、照片姿態參數、像控點等信息輔助。它不需要人工干預，在幾小時的計算時間內，根據輸入的數據大小，獲取逼近真實紋理的高分辨率三角格網模型，這個模型能夠精準的復原出建筑物的真實色彩、幾何形態和文理細節構成。Acute3DViewer支持軟件的原生s3c格式來查看瀏覽模型，它也整合了三維測量工具和瓦片選擇工具，測量方面包括三維空間位置、三維距離和高差等信息。這里的瓦片選擇工具用于后期模型的核心區域提取和重建。

4 城市棚戶區三維立體模型生產成果

城市棚戶區違法亂建航攝過程中，利用無人機傾斜攝影測量技術，按照一定的重疊度和航線條數，通過數萬的曝光點獲取相應的照片，平均的分辨率為4cm，最高要達到3cm。通過無人機傾斜攝影測量后可以獲取如圖2和圖3的正射影像和傾斜影像。航攝區域飛行完成后，利用相關解壓軟件對航攝數據進行解壓，再利用衛星星歷進行精密解算，得出航攝區域影像數據的空間坐標系成果，從而獲取良好的定位信息。

圖2 正射拍攝影像

圖3 傾斜拍攝影像

在獲取相關的影像數據后，通過野外像控測量獲得的控制點成果，通過Smart3D軟件進行三維建模，主要采用主從模式（Master-Worker），在多臺計算機上運行多個 ContextCaptureEngine，并將它們關聯到工作站集群處理，大幅降低處理時間。從而獲取相應的三維立體模型。如圖4所示，通過三維立體模型圖，就可清楚的查看城市棚戶區內哪些房屋是違法建筑，便于政府監督管理部門實時掌握該區域違法亂建活動。

圖4 三維立體圖

5 結語

通過本項目實踐得出，無人機傾斜攝影測量+三維立體模型在城市棚戶區違反亂建監管中起到了良好作用，大大節省了違法建設監督的人力、物力，降低了政府違建監督檢查成本，同時也更加科學的規范了城市用地監督管理，值得推廣使用。通過本項目實踐，可以預測該技術將來在城市規劃、旅游開發、公路、鐵路建設，河流污染、環境保護等方面將發揮積極作用。