全景真三維技術在城中村改造中的應用

王進，侯定琴，何濤，張旻

(1.武漢華正空間軟件技術有限公司，湖北 武漢 430223； 2.銅仁市自然資源局，貴州 銅仁 554300)

1 引 言

按照中央城市工作會議的戰略部署，我國要全面提高新型城鎮化水平，走出一條中國特色城市發展道路，力爭到2020年基本完成現有城鎮棚戶區、城中村和危房改造，推進城市綠色發展。其中，城中村改造是一項復雜的系統工程，涉及土地權屬變化、城市空間規劃調整和優化、基礎設施和公共服務配置提升以及農民市民化等一系列問題，而準確、客觀、公正、高效地評估拆遷面積更是城市中改造的核心問題，是城中村改造工程是否順利實施的關鍵因素。

近年來，隨著真三維建模技術的不斷進步[1～4]，通過自動化快速建立三維模型后再通過算法統計拆遷面積的應用也不斷涌現。通過航空影像立體像對[7]等為數據源可實現城中村三維建模并統計城中村建筑面積的方法取得了很好的效果，但由于人工量太大，建模時間較長，在實際應用中受到很大制約。隨著傾斜航空攝影技術和真三維建模技術的普及，依托實景真三維自動化建模技術快速還原城中村三維現狀[8]，在三維數據的基礎上后期量測提取相關土地和建筑面積指標的方法已被廣泛應用。

2 應用現狀

基于傾斜攝影真三維建模技術大多采用匹配算法實現的，常見的有ContextCapture、Smart3D、StreetFactory等軟件，這些軟件自動化程度高，但由于匹配結果的不確定性和隨機性，導致匹配出來的三角網不能滿足高精度地物結構定位精度的要求，如張平、劉怡、蔣紅兵在“基于傾斜攝影測量技術的“數字資陽”三維建模及精度評定”中提到三維模型成果中存在某些區域無法構建三角網，致使三維模型缺失或失真等問題[9]。由于三維模型的變形和失真，導致在拆遷分析計算時偏差很大，這些都會造成拆遷分析中建筑面積精度不高的問題。

3 技術路線

本方案采用的全景真三維技術可以充分結合多角度傾斜攝影和機載激光掃描等多傳感器航測技術的優勢，利用有人機、無人機等飛行器獲取多傳感器數據源，通過創新型的攝影測量融合機制，實現快速處理的自動化真三維數據生產[5，6]，杭州某城中村全景真三維模型如圖1所示。

圖1 杭州某城中村全景真三維模型

該方案主要在傾斜攝影的基礎上融合了激光點云數據，基于LiDAR獲得地物空間形狀，保證了建模精度和效率。同時該生產工藝嚴格按照攝影測量的工藝，在計算機中構建的模型長、寬、高和空間關系都嚴格符合測繪精度，最終成果是經過質量檢查驗收的合格數字產品。大量理論研究表明，機載LiDAR系統在航高 1 000 m的角點定位精度在 0.3 m[10]，而在一些工程實踐中表明，應用常見的機載LiDAR系統生產的DEM產品通過野外實測檢測點統計其中誤差為 ±0.12 m[5]。這樣的技術優勢很好地保證了機載激光雷達技術在城中村建模的精度，保證后期拆遷分析需要的高精度模型數據。

在山西省某城市我們曾對同時選取兩套技術路線生成的同區域的DSM數據進行了測試(按 1∶1 000要求作業)，測試結果表明基于Smart3D軟件匹配的DSM(共統計 22 828個匹配點)高程差大于 0.4 m的點占了30%以上，而基于LiDAR生成的DSM(共統計 23 000個點)95%以內的點的高程誤差小于或等于 0.2 m。通過對比發現，由匹配技術生成的三維模型背后的三角網并不能滿足其相應的比例尺的定位精度標準[11]。

4 實踐案例

4.1 前期準備

根據用戶的要求，我們選取杭州市江干區某城中村進行真三維建模及城中村建筑拆遷統計分析，該區域面積約為 2 km2，其中傾斜影像GSD為 5 cm，激光點云點間距優于 0.5 m。前期已基于全景真三維技術的工藝完成城中村三維模型的融合生成，并在真三維數據的基礎上進行拆遷分析統計工作。

同時，用戶要求不需要任何現場調查或已有測繪資料，快速獨立生成該城中村拆遷面積統計報告。

4.2 拆遷分析算法

該案例的關鍵是利用激光點云和傾斜融合生產的真三維模型，高效、自動化統計城中村拆遷量，同時還需要考慮尖頂、圓頂、階梯狀等異形建筑、特殊建筑如倉房等構筑物，為保證拆遷分析的客觀性和高效性，并考慮用戶拆遷分析的原則(忽略小于 1 m2的構筑物面積)，我們采用通過軟件對建筑物的自動化微分和積分的過程快速統計拆遷面積，具體拆遷分析算法流程圖如圖2所示：

圖2 真三維拆遷分析流程圖

具體算法描述如下：

(1)設置城中村區域內建筑物的平均樓層高度值(一般為 2.8 m)。

(2)選擇拆遷量統計范圍。

(3)自動提取區域內的單體化真三維建筑模型，通過三維模型數據獲取建筑物外邊框線和基底高程值，建筑物外邊框線示意圖如圖3所示。

圖3 建筑物外邊框線

(4)根據模型外邊框線，計算建筑物的基底面積，并計算最大最小x、y值以得到模型的包圍盒范圍；以 50 cm為步長(可根據拆遷分析的限差調整)，將包圍盒等分為若干正方形網格，網格劃分見示意圖如圖4所示。

圖4 建筑物外邊框包圍盒網格劃分

(5)計算每個建筑物對應的建筑面積

(6)分別計算每個正方形網格內的建筑面積：首先判斷正方形區域是否和建筑物邊框線相交或在之內，若相交，取相交部分面積，若在之內，取正方形全部面積；然后計算每個正方形有效區域內四個頂點在DSM上的高程值，判斷是否有無效值-9999，若都為有效值，取平均值為該方塊的高程；用高程減去基底高程，并除以層高計算出網格對應的層數，不足一層的地方若高于 2 m的則多算一層；然后乘以網格在建筑物邊框線內的面積，計算出該網格的建筑面積，某網格建筑面積計算示意圖如圖5所示。

(7)將該建筑物所有有效網格的建筑面積相加，計算出該建筑物的建筑面積。

圖5 某網格建筑面積計算示意圖

(8)將所有建筑物的基底面積和建筑面積進行統計，制成表格。

(9)對于廠房等建筑，可在結果表單中單獨設置層高，自動重復(3)～(7)步驟計算建筑面積并更新數值。

(10)將所有建筑面積相加得到拆遷區域內的總建筑面積。

4.3 結果分析

從數據準備到計算結果輸出，測區范圍內的建筑面積統計計算過程在1個小時內可以全部結束。根據用戶實地測量結果與程序計算結果對比，建筑物拆遷面積統計誤差率在5%以內，完全滿足用戶的要求。具體統計結果對比如表1所示。

拆遷分析面積統計對比表 表1

5 結 論

基于全景真三維技術進行城中村改造可以滿足城市管理部門高效、高精度、無須實地調查等獲取拆遷分析面積及相關定量指標，充分發揮新型地理信息測繪成果的作用，主要有以下幾個特點：

(1)高精度

基于激光和傾斜影像融合的真三維模型及拆遷面積統計結果，平面和高程精度可以達到1∶200～1∶1 000的要求，完全滿足城市管理部門使用的要求；該方式對建筑物是否有裙樓、樓頂形狀、建筑物形狀不規則等情形都可以識別并精確統計，大大提高了建筑面積統計的精度。

(2)可追溯

基于全景真三維技術的建筑模型全部都是單體化的，因此自動提取的建筑面積統計結果與真三維模型一一對應的，可便于用戶隨時追溯，可以作為后期拆遷補償的重要依據，城中村拆遷統計對應表如圖6所示。

圖6 城中村拆遷統計對應表

(3)排除人為干擾

基于全景真三維技術的城中村改造應用不需要用戶提供任何原始資料，更不需要現場實地調查，完全避免了人為干擾的因素，完全通過新型測繪技術手段可以作為獨立、客觀的第三方評估手段，為用戶提供可信、可用的決策依據。

6 應用前景

全景真三維技術在反映城市形態、結構變化及城市各要素資源運行情況的動態模擬方面有很大的優勢，因此除了城中村改造方面，全景真三維技術獲取的真三維城市模型將對城市空間規劃、城市更新及城市治理等方面可以發揮更大的作用。