新型測(cè)繪一體化技術(shù)在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查中的應(yīng)用
——以廣州市大源整村改造為例

陳展鵬，劉彥廷

(廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510060)

1 引 言

當(dāng)前廣州城市發(fā)展面臨新的機(jī)遇和方向，通過城市更新盤活存量用地，優(yōu)化城市綜合容量，成為實(shí)現(xiàn)廣州“老城市、新活力”必然選擇[1]。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查是開展更新改造的重要工作之一，也是科學(xué)制定改造方案，進(jìn)行項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)測(cè)算的重要基礎(chǔ)依據(jù)，其主要內(nèi)容包括基礎(chǔ)地籍地形數(shù)據(jù)、行政區(qū)劃、人口經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)、土地?cái)?shù)據(jù)、房屋數(shù)據(jù)、歷史文保數(shù)據(jù)和市政基礎(chǔ)設(shè)施及公建配套數(shù)據(jù)成果[2]。

結(jié)合當(dāng)前基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查的技術(shù)方案和項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查的工作難點(diǎn)主要集中在以下幾個(gè)方面：①如何在短時(shí)間內(nèi)采集到調(diào)查范圍內(nèi) 1∶500地籍地形圖數(shù)據(jù)并保證其精準(zhǔn)性；②能否充分利用已有數(shù)據(jù)輔助基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查，避免重復(fù)作業(yè)，減少外業(yè)調(diào)查工作量；③作業(yè)過程中采集到的多元異構(gòu)數(shù)據(jù)，如何方便快速地信息化入庫、存儲(chǔ)及處理。傳統(tǒng)調(diào)查方法一方面外業(yè)采集要素多，需要投入大量人員實(shí)地測(cè)量[3]，另一方面采集信息復(fù)雜，需要內(nèi)業(yè)人員根據(jù)不同種類數(shù)據(jù)選擇專業(yè)軟件進(jìn)行調(diào)繪和處理，從而需要較高的時(shí)間和人力成本。

近年來為了解決和改善以上問題，新型測(cè)繪技術(shù)配合信息化平臺(tái)的模式開始應(yīng)用在城市基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查。本文以廣州市大源村整村基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查項(xiàng)目為例，采用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)[4]和智慧廣州時(shí)空信息云平臺(tái)[5，6]建立從外業(yè)數(shù)據(jù)采集到內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理、管理、分析的一體化方案，取得以下成果：①制作 3 cm地面分辨率的大源村正射影像底圖；②建立 3 cm地面分辨率的實(shí)景三維模型并編繪滿足主要地物點(diǎn)位中誤差優(yōu)于 ±5 cm的 1∶500地形圖；③獲取房屋、土地、人口、經(jīng)濟(jì)、產(chǎn)業(yè)等現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，按統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)入庫智慧廣州時(shí)空信息云平臺(tái)；④實(shí)現(xiàn)大源村非空間數(shù)據(jù)在實(shí)景三維模型上的展示，探索新型測(cè)繪技術(shù)全流程作業(yè)模式在城市更新中的可能性及適用性，為引導(dǎo)測(cè)繪服務(wù)升級(jí)和落地提供經(jīng)驗(yàn)。

2 大源村基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查實(shí)例

2.1 研究區(qū)概況

大源村位于廣州市白云區(qū)太和鎮(zhèn)，現(xiàn)常住人口15萬，總占地面積為 25 km2，是廣州市最大的城中村。大源村基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查范圍為大源村內(nèi)所有廠房、物業(yè)和村民住宅等建筑覆蓋的建成區(qū)域共計(jì) 8 km2，區(qū)域內(nèi)房屋 8 777棟，單體房屋建筑面積均超過 1 000 m2。無人機(jī)航飛面積 11.06 km2，占大源村總體面積的44.24%，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查范圍全覆蓋。

2.2 無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量

(1)無人機(jī)平臺(tái)設(shè)計(jì)

項(xiàng)目采用的平臺(tái)是哈瓦四軸八旋翼折疊雙電版無人機(jī)MEGA-V8Ⅲ，無人機(jī)搭載五鏡頭，機(jī)身采用碳纖維設(shè)計(jì)以增強(qiáng)整體抗風(fēng)能力。正攝相機(jī)使用 20 mm焦距鏡頭，側(cè)視相機(jī)使用 35 mm焦距鏡頭，傾斜相機(jī)角度為45°?？紤]到大源村城區(qū)建筑密集，衛(wèi)星信號(hào)接收不穩(wěn)定等因素，平臺(tái)采用雙RTK設(shè)計(jì)，能夠接收三星(北斗、GPS、GLONASS)七個(gè)頻段數(shù)據(jù)，用以保障POS數(shù)據(jù)的精度。

(2)無人機(jī)航飛設(shè)計(jì)

按照像控點(diǎn)布設(shè)距離在設(shè)計(jì)地面分辨率 20 000倍的范圍要求，當(dāng)航飛地面分辨率為 3 cm時(shí)像控點(diǎn)應(yīng)以 600 m間距設(shè)計(jì)，共布控254個(gè)像控點(diǎn)(圖1左)，均勻分布于整個(gè)測(cè)區(qū)。航線設(shè)計(jì)采用沿測(cè)區(qū)邊界外擴(kuò)3條基線長度進(jìn)行航飛(圖1右)。外業(yè)飛行時(shí)間共計(jì)20天80個(gè)架次，有效飛行面積約 19 km2，共拍攝影像12萬張。無人機(jī)航飛參數(shù)如表1所示。

圖1 大源村控制點(diǎn)分布及航線示意圖

無人機(jī)航飛參數(shù)表 表1

(3)空中三角解析及三維建模

下視、前視、后視、左視和右視5個(gè)鏡頭采集的數(shù)據(jù)容量共 1 048 GB，在通過照片、POS數(shù)據(jù)檢查后，項(xiàng)目基于Context Capture進(jìn)行空三解析，采用多視角影像聯(lián)合平差方案配合8組CPU進(jìn)行分布式并行計(jì)算。獲得空三成果后提交建模任務(wù)，通過劃分模型格網(wǎng)，采用DP-Molder軟件進(jìn)行建模，由于傾斜攝影影像相對(duì)于傳統(tǒng)的垂直攝影影像具有重疊度高、相鄰影像間基高比小、傾斜影像尺度變化大的特點(diǎn)[7]，因此便于多角度獲取房屋天頂、立面炒高密度點(diǎn)云信息，通過模型貼圖和修飾最終得到大源村實(shí)景三維模型，克服傳統(tǒng)建模軟件人工建模和貼圖失真的缺點(diǎn)。

對(duì)于三維模型精度檢測(cè)包括平面點(diǎn)和高程點(diǎn)，采用全站儀高精度地獲取所有檢查點(diǎn)的實(shí)測(cè)三維坐標(biāo)，然后從三維模型中識(shí)別相應(yīng)檢查點(diǎn)的影像三維坐標(biāo)，進(jìn)行誤差統(tǒng)計(jì)分析。共檢測(cè)了562個(gè)平面點(diǎn)和468個(gè)高程點(diǎn)，結(jié)果顯示(表2)，大源村實(shí)景三維模型精度滿足 1∶500大比例尺測(cè)圖點(diǎn)位中誤差 ±15 cm；間距中誤差 ±10 cm；高程中誤差 ±15 cm的精度要求，可以作為 1∶500地形圖測(cè)圖數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

大源村實(shí)景三維模型精度檢查成果統(tǒng)計(jì)表 表2

(4)1∶500高精度三維測(cè)圖

項(xiàng)目采用DP-Molder Mapper軟件構(gòu)建多視角三維測(cè)圖環(huán)境，首先針對(duì)實(shí)景三維模型匹配傾斜攝影同名點(diǎn)，建立模型與影像關(guān)系，其次通過垂直輔助線解決測(cè)圖時(shí)房屋的遮擋問題，保證要素的多角度閉合，最后測(cè)繪內(nèi)容與圖形表示參照《1∶500 1∶1 000 1∶2 000地形圖圖式》(DBJ 440100/T 230-2015)進(jìn)行 1∶500地形圖測(cè)圖，如圖2所示。

圖2 1∶500高精度三維測(cè)圖

針對(duì)地形圖成果隨機(jī)抽取32%共計(jì)140個(gè)圖幅，布設(shè)RTK圖根控制起算點(diǎn)6點(diǎn)，引測(cè)圖根導(dǎo)線5條進(jìn)行點(diǎn)位、高程注記、間距檢測(cè)，根據(jù)表3結(jié)果顯示，基于自動(dòng)化三維測(cè)圖生產(chǎn)的 1∶500地形圖均滿足要求。相比傳統(tǒng)地形圖測(cè)量方法，在同樣的人員配置下，每平方公里的外業(yè)測(cè)量時(shí)間從20天減少至4天，內(nèi)業(yè)成圖時(shí)間從12天縮短到6天，整體作業(yè)效率提升近1倍。

大源村1∶500地形圖精度檢查成果統(tǒng)計(jì)表 表3

2.3 專題數(shù)據(jù)外業(yè)調(diào)查

廣州市作為國家首批3個(gè)試點(diǎn)城市之一，基于Oracle和Redis設(shè)計(jì)和搭建了智慧廣州時(shí)空云平臺(tái)，可提供包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)、接口服務(wù)、地名址引擎在內(nèi)的數(shù)據(jù)共享、處理、管理服務(wù)[8]。項(xiàng)目為減少外業(yè)調(diào)查工作量，利用云平臺(tái)的數(shù)據(jù)服務(wù)調(diào)取測(cè)區(qū)內(nèi)的歷史與現(xiàn)狀公共專題數(shù)據(jù)，并與基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)中的房屋進(jìn)行實(shí)體連接，分別形成房屋API、人口 API、經(jīng)濟(jì) API 等一系列專題分布圖(圖3)，作為支撐外業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查的工作底圖。

圖3 大源村“四標(biāo)四實(shí)”數(shù)據(jù)空間化

2.4 大源村空間信息數(shù)據(jù)庫

在對(duì)專題數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充調(diào)查后，利用云平臺(tái)的外部數(shù)據(jù)接口將獲取的無人機(jī)內(nèi)外業(yè)數(shù)據(jù)、更新后的土地、人口、經(jīng)濟(jì)、產(chǎn)業(yè)等專題數(shù)據(jù)統(tǒng)一入庫，通過地名址引擎建立空間關(guān)系，結(jié)合數(shù)據(jù)引擎和服務(wù)引擎提供的配套功能，配合少量人工干預(yù)和校正，形成以云平臺(tái)為核心的交互式大源村空間信息數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)大源村二維屬性信息在三維空間載體上系統(tǒng)性的結(jié)合(如圖4所示)，為快速獲取建筑量等測(cè)算數(shù)據(jù)提供了一條新的路線[9]。

圖4 基于實(shí)景三維模型的房屋信息查詢

2.5 大源村基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查成果

大源村基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查項(xiàng)目通過無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)制作了村內(nèi)共計(jì) 11.06 km2的 3 cm地面分辨率的TDOM影像，生產(chǎn)了滿足點(diǎn)位中誤差精度的實(shí)景三維建模并繪制了 1∶500大比例尺地形圖；利用智慧廣州時(shí)空信息云平臺(tái)數(shù)據(jù)共享機(jī)制，進(jìn)行外業(yè)補(bǔ)充調(diào)查完成了大源村建成區(qū)域共計(jì) 8 km2土地、人口、經(jīng)濟(jì)、產(chǎn)業(yè)等專題數(shù)據(jù)；最后，利用云平臺(tái)的數(shù)據(jù)服務(wù)將外業(yè)采集和內(nèi)業(yè)核實(shí)后的數(shù)據(jù)按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)入庫，搭建了大源村空間信息數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)大源村非空間數(shù)據(jù)在實(shí)景三維模型上的展示，并按照城市更新基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查項(xiàng)目要求生成各類圖表文件。

3 結(jié) 語

本文以大源村基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查為例，利用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)和智慧廣州時(shí)空信息云平臺(tái)等測(cè)繪新型技術(shù)，探索了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查項(xiàng)目從外業(yè)數(shù)據(jù)采集到內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理、管理、分析的一體化方案。這套方案相比傳統(tǒng)地形圖測(cè)量方法，在同樣的人員配置下整體作業(yè)效率提升1倍，同時(shí)達(dá)到了主要地物點(diǎn)位中誤差優(yōu)于 ±5 cm的精度要求。此外，通過智慧廣州時(shí)空信息云平臺(tái)不僅充分發(fā)揮了已有數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)，避免重復(fù)數(shù)據(jù)采集，將數(shù)據(jù)調(diào)查轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)核查，降低了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查采集要素多元化導(dǎo)致的數(shù)據(jù)管理難度。相比于傳統(tǒng)測(cè)圖單一化的控制點(diǎn)成果和數(shù)字線畫圖，還能獲取正射影像和實(shí)景三維模型等多種數(shù)據(jù)成果，提高了數(shù)據(jù)的利用率和成果的多樣性，拓展了調(diào)查成果的應(yīng)用維度。

測(cè)繪新技術(shù)的有效應(yīng)用為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查提高了工作效率，豐富了數(shù)據(jù)成果，降低了人力成本，打造新型測(cè)繪平臺(tái)，更新數(shù)據(jù)采集手段，結(jié)合大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)等數(shù)據(jù)處理技術(shù)將是今后測(cè)繪工作的發(fā)展方向。