傾斜攝影測量技術在拆遷測繪中的應用

高春輝，曾翊城，王 振

(珠海市測繪院，廣東 珠海 519000)

“三舊”改造是在當前土地資源供需矛盾日益突出的情況下，拓展建設空間、保障發展用地的重要途徑。珠海市于2014年編制了《珠海市城市更新專項規劃(2014—2020年)》，提出該市“三舊”改造更新目標為：通過拆建、改建與整治等更新方式逐步實現用地結構調整、舊村環境改善、產業轉型升級、舊城區活力再現、公共配套設施明顯改善；最終為珠海市完善城市服務功能、優化產業結構、增強核心功能、增加公共空間、改善城市形象、提升城市品質，以及打造宜居城市環境、建設幸福珠海和珠江口西岸核心城市發揮重要作用。舊村拆遷作為“三舊”改造中規模最大的部分對于城市更新至關重要，而拆遷工作最關鍵的環節之一是對更新區域內用地及建設情況進行調查、測繪和統計。用地情況包括用地單位名稱、用地面積、用地范圍等內容；建設情況包括建筑物坐落、基底面積、層數、建筑面積、附著物類型及數量等內容。

隨著舊村拆建工作駛入“快車道”，拆遷項目呈現出規模更大、周期更短等新的特點，傳統拆遷測量方式難以加快工作進度，因此應用新技術提高拆遷測量的效率成為研究的焦點。文獻[1—2]采用數字航空攝影測量技術生成拆遷區域二維線劃圖，并根據建筑物高程數據恢復拆遷房屋立體模型，通過在立體模型上采集房屋邊界線獲取房屋的投影面積，最后將房屋的投影面積與樓層相乘計算建筑面積。但該方法存在高程精度低、樓層層數不準確等問題。

傾斜攝影測量技術因其能快速、高效獲取客觀豐富的地面數據信息，成為近年來測繪領域研究的熱點[3- 4]。該技術顛覆了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限，通過搭載多臺傳感器從多個角度采集影像，具備更少的遮擋及相互驗證的能力，能夠更好地獲取地物三維信息[5- 7]。本文針對傳統拆遷測量方法難以滿足快速高效測繪房產分層圖的要求，提出基于傾斜攝影測量技術的拆遷測繪方法，并研究該方法用于實際拆遷測量的生產模式。該方法通過在無人機上搭載的多臺數碼相機采集垂直影像和傾斜影像，對影像進行空中三角測量、密集匹配生成地物點云，然后重建拆遷區域三維模型；在此基礎上采集建筑物及其附屬物的輪廓線，生成二維線劃圖、正射影像及房屋拆遷測量成果報告。本文以珠海市高新區北山村拆遷測量為例，闡述此模式如何高效推進城市更新改造。

1 基于傾斜攝影測量技術的舊村拆遷測繪模式

傳統的拆遷測繪方式有如下步驟：內業收集資料，根據測區情況設計技術方案；外業采集數據，以戶為單位繪制草圖，拍攝照片；內業成果處理，根據外業草圖繪制房產分層圖，計算建筑物面積，確定附著物數量等[8]。基于傾斜攝影測量技術的舊村拆遷測繪方式更加簡化，傳統方式所需的大部分外業采集工作可在內業完成采集，且可以同時獲取正射影像、數字線劃圖等成果。新模式的技術路線如圖1所示。

1.1 飛行設計階段

在飛行設計階段首先要收集測區已有資料，確定坐標系統，然后根據測區情況制定飛行技術方案。方案主要包括確定無人機傾斜攝影平臺、飛行區域、飛行航高、地面分辨率、航線間距、航向重疊和旁向重疊度、航帶架次數、影像拍攝間隔等問題，同時需要向空管部門申請飛行空域。

拆遷測量精度要求較高，需要較高的地面分辨率，因此選擇高精度的傾斜相機尤為重要，同時要保證較高的航向重疊度和旁向重疊度。在確定飛行區域時，由于村莊可能存在超出用地紅線建設房屋的行為，需仔細辨明測區衛片上的房屋坐落情況，向城市更新主管部門和村集體確定范圍。

1.2 布設相控及作業飛行

外業工作人員需要對飛行區域進行實地踏勘，布設像控點，選擇飛行場地，若采用固定翼無人機則應當選擇較開闊的場地以便無人機起飛和降落。飛行環境應當選擇在能見度較高、無風或微風的天氣進行作業，飛行前進行系統的安裝調試，飛行中確保飛機按預定的航線飛行，航攝任務完成后需要及時檢查飛行和影像質量是否合格、是否存在漏片等問題。

1.3 空三加密與自動建模

影像內業處理過程主要包括影像匹配、光速法區域網平差、多視影像密集匹配生成高精度點云并構網及多視紋理映射，由于數據量較多，可以采用多節點聯合運算提高處理速度[9- 11]。目前國內外已有多種軟件可以對傾斜影像進行自動解算，如Smart3D、街景工廠、Photomesh等。

1.4 大比例尺測圖

通過實景三維模型可以清晰辨別地物位置和類別信息，采集地物輪廓節點，生成數字線劃圖，無需如傳統攝影測量方法佩戴立體眼鏡測圖[12]。數據采集完成后對于內業處理中不確定的地物要素需要進行外業調繪，對遺漏的地物進行補測，調整修改后的數字線劃圖，經過分幅整飾后得到最終成果。

1.5 內業房產測量

實景三維模型包含房屋所有層的信息，可對多層水平面與三維模型求交，以獲取建筑物每一層的橫切面，并在此基礎上采集建筑物輪廓線。房屋和棚房頂部一般建有女兒墻、屋檐、飄板等構件，頂面建筑面積通常大于層建筑面積，在采集頂層輪廓時應當切至主墻體。對于棚房和磚房相連的情況，建模時可能會生成一個整體，需要根據二者接邊線來分隔地物。形狀輪廓采集的同時還需要根據三維模型中地物的結構、材質進行類別屬性的判斷。

建筑物的附著物包括圍墻、門頂、欄桿、水泥地、水池等，測量方式類似數字線劃圖，在實景模型上采集地物輪廓點，繪制地物輪廓線并標注長、寬、高等尺寸。

1.6 外業調查

傾斜攝影測量三維建模的遮擋問題難以避免，舊村房屋大都為多層建筑，且建筑物密集、樓間距小，存在首層門廊被遮擋等問題，樹叢遮擋也會造成地物缺失，在內業房產測量過程中需記錄此類疑問項，通過外業調查對缺漏項入戶實地進行補測。若房屋結構不規則，如存在較小的局部凸出構造、折角及弧線時，三維模型難以精確展示此類結構，必須入戶進行核實。

1.7 成果輸出和質量檢查

繪制好房屋形狀并進行屬性、尺寸等標注后生成房屋分層圖，根據房屋分層圖計算建筑物和附屬物的最小單元明細表，最后生成測繪成果報告。測繪成果需要經過測繪作業部門多級檢查，最后由項目委托方組織驗收。檢查包括作業組自檢和互檢、過程檢查及最終檢查。檢查方式為全數詳查，驗收方式為抽查復核。檢查的內容包括房屋及其附屬物的形狀、尺寸、材質等是否準確，圖元面積計算是否符合文獻[13]的要求。

2 試驗分析與討論

2.1 測區概況

試驗測區北山村位于廣東省珠海市高新區，測區面積約0.3 km2。高新區作為珠海市建設國家自主創新示范區主平臺和創新驅動主引擎，一直致力構建優美宜居的環境，亟需將區內“城中舊村”改造為新型的文明社區。新區位于珠海市東北部，地勢西高東低，占地面積139 km2，境內以丘陵臺地為主，其中鳳凰山一帶為250～500 m的高丘陵，北山村位于鳳凰山山腳，有1035戶村民，村內新舊建筑物交錯，房屋密集，巷道較窄，不規則，絕大多數不能通車，給測繪工作帶來較大困難。測區位于如圖2所示的多邊形區域。

2.2 試驗過程與結果

試驗使用復合翼垂直起降無人機搭載5鏡頭全畫幅1.8億像素相機，1個下視相機和4個傾斜相機，一個周期采集5張不同角度的地物航空影像。無人機飛行1個架次，飛行時間為37 min，設計航高70 m，航向重疊率80%以上，旁向重疊率60%以上，采集相片數4825張，POS數據3167個，地面分辨率0.95 cm。本測試任務在測區內布設了13個像控點，像控點平均間距約為220 m，像控點分布如圖2所示。

內業處理是將經過預處理的影像導入Smart3D Capture軟件進行影像匹配、聯合空三、生成密集點云、構建三角網、映射紋理，最終生成實景三維模型和正射影像，整個流程耗時4 d，生成的實景三維模型如圖3所示。

將生成的三維模型導入Skyline軟件中，采用直接立體判讀法完成道路及附屬設施、居民地及附屬設施、地貌、水系、獨立地物、植被等要素的矢量化采集，對某些漏測的部分通過外業調繪補測，按照《國家基本比例尺地圖圖式 第1部分:1∶500、1∶1000、1∶2000地形圖圖式》(GB 20257.1—2007)的要求進行符號化、編輯處理、圖廓整飾。整個過程由4名采編員耗時2 d完成，得到的1∶500數字線劃圖如圖4所示。

房屋分層圖測繪使用Skyline軟件手動采集房屋每層的平面形狀、尺寸及附屬物外輪廓，依據文獻[13]的要求采集房屋要素，按照《珠海市征收(征用)土地青苗及地上附著物補償辦法》的規定采集各類臨時建筑物和構筑物，根據三維實景模型判斷要素類別材質，個別無法判斷的材質通過外業調查核實，而后參考文獻[14]的規定繪制分層平面圖，如圖5所示。對內業采集中因遮擋等問題而缺失的地物及結構復雜的房屋，外業使用手持測距儀測量，在此基礎上繪制完整的房屋分層圖，測算建筑面積，最終生成建(構)筑物測繪成果報告書。

2.3 大比例尺地形圖精度評定

地形圖檢查由質量檢查部門依據文獻[15]對測區成果進行全面檢查，檢查的質量元素包括數學基礎、平面精度、高程精度、數據及結構正確性、地理精度、整飾質量及附件質量。其中平面精度和高程精度根據《城市測量規范》(CJJ/T 8—2011)第6.1.6條地物點相對于鄰近平面控制點的點位中誤差、第6.1.7條DLG高程精度的設定和文獻[16]中關于地形圖精度的規定，1∶500 DLG平地、丘陵地點位中誤差為0.25 m，城市建筑區和基本等高距為0.5 m的平坦地區高程注記點相對于鄰近圖根點的高程中誤差不應大于0.15 m。

對地物點和高程注記點精度采用GPS RTK方法檢查，作業時坐標精度設置為2 cm，并連續觀測10個歷元，作為檢測坐標，平面檢測點為隨機選取、均勻分布的明顯地物點，每幅圖選取20～50個點。某幅地形圖20個檢查點的平面和高程誤差統計見表1。

表1 檢查點平面和高程誤差統計 cm

2.4 房產面積測算成果精度評定

房產面積測算成果質量元素包括數學精度、觀測質量、計算質量和資料質量[15]。數學精度包括房屋及附屬物邊長測算精度、房屋及附屬物面積測算精度。邊長的精度采用邊長較差的限差評定，根據《珠海市房屋建筑面積測量實施細則》中關于房屋邊長數據測量精度的要求ΔL限=±(0.04+0.002L)，其中L為邊長，單位為m；房屋面積精度要求見表2(表中S為房產面積)，試驗測區精度等級為二級。

表2 房產面積的精度要求 m2

從建(構)筑物測繪成果報告中抽取75戶進行檢驗，采用手持測距儀入戶實地檢核邊長，經比較，模型采集的邊長與檢測邊長的較差均小于限差，對根據檢測邊長繪制的房屋分層圖計算面積與原測算面積進行對比，面積較差滿足二級精度限差要求，有效驗證了傾斜攝影測量技術用于拆遷測量的可行性，部分邊長較差統計見表3，部分面積較差統計見表4。

2.5 拆遷測量效率評價

房屋拆遷測量分為地形圖測量和房屋面積測量兩部分，試驗測區內由于房屋十分密集，通視困難，GPS信號遮擋嚴重，傳統方法只能使用全站儀設站進行碎部點觀測，8名作業人員需要花費約10 d才能提交數字線劃地形成果，房產面積測量若20名測量技術員需要約29 d才能提交初步測繪成果報告。

表3 邊長較差統計表

表4 面積較差統計表 m2

基于傾斜攝影測量技術的房屋拆遷測量所需外業人員較少，4名航測人員從外業飛行到內業生產三維模型和正射影像只需7 d，生產數字線劃圖只需2 d，20名測圖人員21 d即能完成房屋面積測繪。

通過對比傳統方法可知，新技術能夠有效提高拆遷測量效率，尤其對于工期緊張的項目，城市更新部門首先需要獲取正射影像或數字線劃圖，以便對村莊各戶進行編號，以及拆遷整體規劃，傾斜攝影測量方法可以快速提供所需成果，有力推進項目進度；房屋面積測量工作效率也得到提升；同時由于將傳統測量大部分外業工作移至內業，有效避免了天氣等因素的干擾，特別是在南方雨季，外業入戶測量常常由于降雨而延誤，新技術實現了通過內業三維模型即可采集房屋矢量數據。

3 結 語

本文提出了基于傾斜攝影測量技術的拆遷測繪模式，通過傾斜像片生成實景三維模型，并由此測繪大比例尺地形圖和房屋分層圖，計算房屋及附屬物面積，經試驗證明地形圖、房屋及附屬物邊長尺寸、面積成果均滿足質量要求，驗證了新技術用于實際生產中的可行性。相較于傳統測量技術，新技術只需較少外業測量人員，節約了工程成本，同時提高了至少1/3的生產效率。另外，傾斜攝影測量數據處理還存在一些不足，如三維模型不能精確表達結構較復雜的房屋、矢量數據采集過程手動干預過多，本文下一步將研究這些難題，更高效地將傾斜攝影測量技術應用于舊村拆遷測繪中。