測繪新技術在棚戶區(qū)違建監(jiān)管中的應用

黃德倫 廉 琦

貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)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(tǒng)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(cè)視方向等不同角度的影像數(shù)據(jù)，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(xiàn)地面建筑物的外型、結(jié)構和高度等屬性。因此，隨著傾斜攝影測量技術發(fā)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(shù)據(jù)用于建模，獲取棚戶區(qū)三維立體模型，給監(jiān)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(shù)據(jù)，從而獲得相關區(qū)域的變化信息，便于監(jiān)管部門做好監(jiān)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(tǒng)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(jīng)開始廣泛應用于現(xiàn)實的生產(chǎn)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(xiàn)狀以及發(fā)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(qū)位于縣城周邊，由于國家加大對城市周邊棚戶區(qū)改造力度，該區(qū)域現(xiàn)納入棚戶區(qū)改造計劃。由于老百姓對棚戶區(qū)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(tǒng)一規(guī)劃建設和棚戶區(qū)拆遷帶來很多困難。為了促進城市的健康發(fā)展，必須加強對棚戶區(qū)的實時監(jiān)控和違法建筑的拆除處理。

貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局測繪院現(xiàn)承擔貴州某縣城城市周邊棚戶區(qū)違法亂建建筑拆遷監(jiān)測任務，按照傳統(tǒng)監(jiān)測要求，采用傳統(tǒng)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(qū)處于城市重要地段，違法亂建頻繁，政府監(jiān)管難度較大；其次，如果采用傳統(tǒng)攝影測量，只能獲取正射影像，雖能發(fā)現(xiàn)部分違法建筑，但是很難掌握違建的數(shù)量、樓層和相關結(jié)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(jié)合我單位現(xiàn)有技術，決定采用傾斜攝影測量技術加三維建模技術實現(xiàn)對棚戶區(qū)的實時監(jiān)控，將有關變化區(qū)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(jié)約其管理成本，同時也增加了測量新技術在現(xiàn)有社會中的應用前景。

2 無人機傾斜攝影測量

近年發(fā)展起來的無人機傾斜攝影測量技術，可以在大范圍內(nèi)，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(shù)據(jù)采集設備，直觀地反映復雜環(huán)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(yōu)點，本文將此技術應用于城市棚戶區(qū)違建監(jiān)測。通過三維建模，在測繪行業(yè)、城市規(guī)劃行業(yè)、旅游業(yè)等行業(yè)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?yōu)槎喾轿粋鞲衅鳎F(xiàn)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(shù)據(jù)進行點云信息后處理，快速有效地實現(xiàn)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(yōu)點就顯現(xiàn)出來了，傾斜攝影技術獲取的多視角影像數(shù)據(jù)可以更好地觀察建筑物各個側(cè)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(qū)域拍進行傾斜攝影測量，可以快速獲取相關區(qū)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(jù)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(guī)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(guī)范要求的旁向重疊度是不夠的。根據(jù)該棚戶區(qū)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(qū)邊界線兩條基線的基本要求，旁向覆蓋大于攝區(qū)邊界線像幅的50%。因此，綜合分析項目區(qū)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(qū)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(tǒng)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(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)，利用建模軟件建模，將攝影數(shù)據(jù)導入到建模軟件中，通過計算機圖形計算，結(jié)合POS信息空三處理，生成點云，點云構成格網(wǎng)，格網(wǎng)結(jié)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(qū)這樣復雜的航攝區(qū)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(xiàn)棚戶區(qū)違法建筑的數(shù)據(jù)不斷更新，及時有效的為城市棚戶區(qū)管理提供更真實合理的執(zhí)法依據(jù)和管理效能。

3 三維模型構建

現(xiàn)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(tài)的建模主體，以多角度獲取的數(shù)碼影像作為數(shù)據(jù)源。這些影像數(shù)據(jù)需要傳感屬性、照片位置參數(shù)、照片姿態(tài)參數(shù)、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(nèi)，根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)大小，獲取逼近真實紋理的高分辨率三角格網(wǎng)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(tài)和文理細節(jié)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(qū)域提取和重建。

4 城市棚戶區(qū)三維立體模型生產(chǎn)成果

城市棚戶區(qū)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(shù)，通過數(shù)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(qū)域飛行完成后，利用相關解壓軟件對航攝數(shù)據(jù)進行解壓，再利用衛(wèi)星星歷進行精密解算，得出航攝區(qū)域影像數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(lián)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(qū)內(nèi)哪些房屋是違法建筑，便于政府監(jiān)督管理部門實時掌握該區(qū)域違法亂建活動。

圖4 三維立體圖

5 結(jié)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(qū)違反亂建監(jiān)管中起到了良好作用，大大節(jié)省了違法建設監(jiān)督的人力、物力，降低了政府違建監(jiān)督檢查成本，同時也更加科學的規(guī)范了城市用地監(jiān)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(guī)劃、旅游開發(fā)、公路、鐵路建設，河流污染、環(huán)境保護等方面將發(fā)揮積極作用。