基于無人機傾斜攝影測量技術的征地拆遷工程量統計研究

郭慧楠 吳海峰

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

1 引言

舊城區或城中村進行舊城項目改造前期，對現狀建筑物和附著物摸底調查是前期重要工作，涉及征地拆遷、交通、管線規劃等項。因此，前期對舊城改造建設項目進行詳細調查與科學策劃是必要工作。當下，信息化、數字化技術迅速發展，使得舊城改造項目建設前期的測繪及規劃方法出現了新的技術[1]，傳統依靠紙質化的線下圖紙和書面資料已難以滿足現代化的建設要求。CAD技術相較于圖紙有了明顯的效率提升，但應用成果大多為二維層次，應用模式仍較為局限[2]。在三維技術應用領域內，近年來的BIM 技術以其集成化、可視化以及參數化的特點，正得到廣泛的應用，相關利用BIM 技術進行舊城改造建設項目的案例研究也較多[3?4]，但總體上的應用集中于宏觀上的統籌方面，詳細的參數等信息較為缺乏。本文通過研究無人機測繪技術在舊城改造建設項目前期征地拆遷方面的應用[5?6]，結合工程實際案例，利用傾斜攝影測量技術應用方便、測量便捷、經濟性好、數據可靠等優勢，通過三維實景模型的構建，建立舊城改造區塊的三維GIS，并結合空間分析方法，估算獲得地塊內房屋的拆遷工程量，從而為舊城改造項目前期征地拆遷、交通疏導等方案設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是利用無人機飛行平臺上搭載多臺攝影測量設備，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獲取多角度高分辨率影像，將采集到的圖片或者是數據信息通過各種自動三維建模軟件進行處理，可快速構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主要包括三部分構造裝置，分別為云臺相機、飛行平臺及地面操作系統。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、采集相片質量好及工作性能平穩的優勢。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符合一定條件，但其續航能力強，飛行速度可觀，綜合工作效率高，在大面積、長時間的高空作業領域有一定的適用性。多旋翼無人機一般用于市區測繪領域，其對起降場地沒有特殊要求，適用性好，且能實現定點懸停與垂直升降，使用較為便捷。地面操作系統主要負責飛行平臺的通信聯絡以及姿態控制等，通過輸入預定的航行參數，便可操控無人機進行航拍工作。完成航攝后，可下載無人機在航測時獲得的測量數據并存儲，用于后期的數據分析。

在舊城改造建設項目的前期策劃中，為應用傾斜攝影測量技術，一般需要三個步驟，即影像的獲取、三維模型的構建以及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；二是三維模型的構建需要一系列的應用步驟才能完成，主要包括空三加密、影像匹配、不規則三角網的建立以及紋理映射等；三是三維GIS 空間分析，主要是結合其他的數據資源，基于傾斜攝影測量的處理成果，為獲得舊城改造區域內征地拆遷工程量而進行的相關空間分析過程。

2.2 獲取影像數據

利用無人機進行航測，為獲取地塊影像數據，一般需要進行航線規劃、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，進行現場踏勘，了解舊城改造地塊的范圍，設置相對應的飛行路徑，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，包括控制網的設計（航拍區域）以及像控點的測量等工作，實施中應嚴格遵守規范，像控點的布置采用“角點布設，中間加密，均勻布設”盡量保持間距均勻，間距按照100m?150m 嚴格布設，對舊城改造地塊的測量區域全覆蓋。像控點的坐標，可采用網絡RTK 的方法，將GNSS 接收機設置于像控點，即可快捷地進行測量，該數據測量過程簡單方便，精度達厘米級，符合后續內業處理時的空三求解要求。

2.3 構建三維模型

利用Smart3D、Pix4D 以及Photoscan 等數據處理軟件，在所獲取的傾斜攝影航測數據的基礎上，可構建出舊城改造地塊的三維實景。在構建三維模型的過程中，主要工作內容有空三加密、影像匹配、建立三角網以及紋理映射等。

傾斜攝影三維建模的關鍵工作為以拓撲方式重建影像間的聯系，即空三加密。具體方法為利用共線方程，結合地面控制點的坐標，采用光束法進行測量區域網平差。在進行傾斜攝影區域網平差之前，應檢測影像匹配點的粗差情況并構建自由網，以盡量規避大傾角時多視影像自動配準所產生的粗差?？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，并實現類似于現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據，實現三維建模的精細化，應當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，實現對影像中所有點的密集匹配。在得到三維點云數據之后，難免會存在部分不符合要求的噪點，建模前應進行剔除，以提高精度，再在不同層次細節度的前提下，基于點云建立不規則三角網模型。優化改善不規則三角網，使其內部尺寸的比例調整至與初始影像的分辨率相對應，并簡化三角網，突出邊緣信息，最大限度地維持模型的幾何形態。

將紋理圖像配準與貼附在不規則三角網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，為合理選擇最適當的影像，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

在得到規劃的舊城改造地塊三維實景模型的基礎上，傾斜攝影測量還可獲得DOM（正攝影像）與DEM（數字高程）等相關數據。在三維地理信息平臺中，為構建出三維GIS（地理信息系統），可融合BIM模型與CAD 圖紙，相關工作流程如圖2 所示。疊加地形數據集至三維實景中，便可獲得舊城改造地塊的現狀城市三維模型。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量的空間地理信息，也可以疊加類似的屬性。在完成構建三維GIS之后，對于舊城改造建設項目的前期征地拆遷工作，可通過相應的空間分析步驟來完成。

圖2 三維GIS系統的構建流程

在征地拆遷工程量統計方面，一般通過緩沖區分析進行，具體為在點、線、面等類型的地物周圍，設置相應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生成是以規劃拆遷范圍為準，全部或者部分建筑物在拆遷范圍內的均全部納入，其他建筑物以工程設計影響范圍確定緩沖區寬度。在對舊城改造地塊劃分出緩沖區的基礎上，通過迅速統計出位于緩沖區內的相關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劃面積為52 公頃。根據相關部署，現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域三維實景模型以及制取DOM、DEM 等數據。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，該相機的續航時間約為20min。

采用網絡RTK 進行地面像控點的測量，共計110個有效像控點。無人機航測現場，以及利用網絡RTK測量地面像控點坐標示意，如圖3所示。

圖3 傾斜航測現場與像控點采集

基于傾斜攝影測量的圖像，結合無人機POS 數據與地面像控點坐標，采用Smart3D 軟件生成三維實景模型以及DOM、DEM 等數據，通過空三加密、影像匹配、三角網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據進行相應處理之后，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?；谀Ｐ偷淖鴺藬祿?，考慮管線數據庫與房調資料等，建立BIM 模型，繼而融合傾斜攝影測量的數據成果。舊城改造地塊周邊環境的面積或長度等數據可通過空間信息量算取得。借助前文所述的緩沖區分析法，快速統計出規劃舊城改造地塊征地拆遷區域內的樓房面積，并估算獲得相應的建筑拆遷工程量，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，利用航測方法獲取影像數據，通過空三加密、影像匹配、三角網建立以及紋理映射等步驟，實現三維實景模型的建立，其優勢一是減少了外業工作量，作業過程受氣候影響較小，節約工作時間，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 結束語

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