无人机倾斜摄影技术在矿区村庄搬迁中的应用

谢鑫淳 韦晓玲

（汕头市建筑设计院有限公司，广东 汕头 515041）

0.引言

社会的发展是一个不断进行再建设的过程，搬迁是对原有建筑进行拆除并在新的规划区域重新建设[1]，其目的是更加合理地进行城镇规划，合理利用日益紧张的国土资源。在煤矿资源较为丰富的地区，大量的煤炭资源在村庄地下压盖，不仅采煤易出现塌陷区，对村庄房屋造成破坏，并且随着煤矿企业的不断发展，在煤炭的勘探、运输、清洗甚至加工过程中等，都会对村庄环境造成破坏，不利于人们的正常生活与生产工作，煤矿附近村庄居民与煤矿企业易产生矛盾。因此为避免当地居民与煤矿企业的纠纷，往往采用村庄搬迁的方式解决土地之争。以往的矿区搬迁村庄的勘测方法较为繁琐，主要利用全站仪结合激光测距仪[2]，对测区范围内的建筑物进行逐点测量，获取精确的点位坐标和距离信息，然后将外业测量成果数字化成图后，分别计算各建筑物面积。该传统勘察方法工作效率低，需要大量的外业工作量，且对测量人员的要求比较高，无论从工作效率和成果精度上，还是从投入成本与时间成本上，都已不是最优的测量方法。此外，通过全站仪测量获取的数据信息较为单一，无法直观描述搬迁房屋的各类信息[3,4]，因此需要在满足精度的条件下，选择更为高效的测量技术手段和方法开展搬迁村庄的测量工作。

无人机技术和倾斜摄影测量技术的飞速发展，为测量行业带来了巨大的进步，弥补了常规测量手段的不足，提高了作业效率，其高度的自动化，能极大地节省人力资源和外业工作成本。本文利用无人机航空摄影（RS）结合GPS控制点，快速精确获取研究区影像，通过Smart3D软件进行实景三维模型制作，直观再现搬迁房屋情况，并且可以快速准确获取房屋坐标及面积。基于倾斜摄影数据，结合地理信息系统（GIS）平台二次开发搬迁房屋调查管理平台，进而对压煤村庄的搬迁过程及成果进行信息化管理，为搬迁工作提供科学、客观的补偿依据。

1.项目实例探究

1.1 研究区概况

兴隆庄街道位于山东省济宁市兖州区的东南部[5]，该地区矿产资源极为丰富，但共存有18个压煤村庄，村庄压覆了大量的煤炭资源[6]，村庄房屋严重制约了该地区的煤炭资源的开发利用，阻碍了矿产经济的持续发展，并且由于当地煤矿的开采，村庄周边出现很多塌陷地，煤矿开采产生的煤尘对空气质量也造成很大的影响，对当地居民的生活生产带来极大的不便，因此搬迁工作迫在眉睫。

1.2 测区控制网布设

本研究以济宁市兖州区2018年度的遥感卫星影像作为数据基础。该卫星遥感影像为高分二号卫星数据，其分辨率为0.8m，根据测区遥感影像进行研究区范围内的作业区划分、航线设计以及像控点布设等工作。考虑到研究区及附近有山东省国土测绘院在2005年施测的济宁市C级GNSS（Global Navigation Satellite System）控制网点，且这些控制网点均联测了三等水准，采用的是SDCORS（Shandong Continuous Operational Reference System）测绘技术，通过申请SDCORS服务，仅采用一台高精度RTK，对所选取区域的三个控制网点进行平面及高程测量的精度检查，检查结果（如表1所示）。对比表1中的计算值和规范允许值，可得出控制点的精度较为可靠，限差满足规范要求，因此选取这三个点名的控制点作为研究区内各测量点位的平面坐标及高程数据的起算点和检核点。在实测中每个控制点均进行两次独立观测，当两次观测结果的平面和高程较差均小于5cm时，取两次观测值的平均值作为最终的测量结果；若精度超限则需进行重新观测。

表1 控制点检核表 单位：m

1.3 航摄规划及像控点布设

航摄规划是飞行平台采集过程极为重要的一个环节，规划的好坏直接影响着航摄影像质量的高低。为获取高质量的倾斜影像，航线规划需要考虑诸多因素，包括测区范围、复杂地形地貌以及相对高程、重叠度等相关测量技术指标。研究区总面积近54km2，测区范围较大，一方面考虑到测区村庄分布零散、无人机续航能力有限[7]；另一方面为了提高外业作业效率，节省人力物力，将测区划分为5个航测区，并将无人机采集队伍分为两队，同时开展测量工作，极大方便了对测区数据的采集工作，提高了外业工作效率，大大减少了外业工作时间。

像控点的布设是摄影测量外业工作的重点，其布设应满足航空摄影测量外业技术规范，应特别注意：

（1）布设控制点远离密集建筑物、大型水域以及电磁干扰较大区域；

（2）应布设于明显纹理或者颜色差异较大区域，如，道路交叉口或者晾晒场拐角；

（3）布设于航片重叠区域，避免在像片边缘；

（4）根据航线统一布点，不能超出图幅范围。

根据前期规划研究，为适应当地村庄的测区分布，研究区域像控点布设采用矩形布网方案，受地形影响无法满足时，可采用凹、凸形布点[8]。此次测量共计选取15个不同位置的像控点，结合影像POS数据进行空中三角测量。像控点空三解算质量报告（如表2所示），重投影中误差均在1个像素点以内，准确度相对较高；像控点水平中误差为0.0059m，垂直中误差为0.0028m，满足规范要求的平面中误差小于0.4m、高程中误差小于0.35m的要求，表明所布设的像控点精度相对较高，完全满足于该地区实景三维模型的构建。

表2 像控点精度评定

1.4 三维建模

本文采用低空无人机倾斜摄影测量技术对待搬迁村庄进行测量，获取倾斜摄影测量数据，并使用Smart3D构建出搬迁村庄的三维立体模型。Smart3D能够充分使用POS的初始定位精度，并且在POS初始精度满足要求的情况下，仅根据少量的控制点就可以完成较高精度的绝对定向，Smart3D建立的待搬迁村庄的三维模型（如图1所示），其中A为村庄厂区厂房模型，B为待搬迁村庄的平房模型，C为村落一角展示，D为楼房模型。三维模型展示结果表明，构建的三维模型可真实再现实地场景，能够较为清晰表现出拍摄时的房屋情况，建模成果可以为搬迁房屋的调查工作提供相对客观真实的影像存档。

图1 待搬迁村庄三维实景立体模型

1.5 模型精度检核

精度评价是检验三维模型建立质量的重要步骤和必不可少的环节，根据实测数据，对三维模型的平面精度和高程精度进行检验。在完成测区实景三维模型的构建工作后，对三种像控点布设方案所得到的三种实景三维模型的精度进行分析评定，以测区内检核点坐标值为真值，分别计算各模型点位平面中误差和高程中误差，对模型精度进行构建得到的模型做点位精度分析。中误差计算式如式（1）所示：

式（1）中，m为各方向中误差；△为各方向真误差；n为检核点数量。

平面中误差可根据X、Y方向的中误差进行求解，其计算式如式（2）所示：

本文实地选取了246个房屋拐角、硬化路面拐角等明显点位，使用全站仪和SDCORS系统实地测量点位，以测区控制点为定向起算边，采用两次仪器高对每个测量点位均进行两次独立观测，取其算数平均值为点位最终测量结果，对所构建的实景三维模型的精度进行综合分析；同时在研究区范围内选取148个地物特征较为明显的特征点，使用激光测距仪、钢卷尺等仪器对相邻特征点之间的距离进行精确丈量，将其测量结果与实景三维模型量测的边长进行综合比对，检验实景三维模型的相对精度。三维模型精度检核结果分析（如图2所示），单位均为cm。其中，A幅为平面坐标中误差；B幅为高程中误差；C幅为相对地物距离中误差。

图2 模型精度图

通过对矿区搬迁村庄的实景三维模型进行精度评定可得，模型平面坐标中误差、高程中误差及相对精度中误差分别为0.0456m、0.0288m和0.0431m，均小于0.05m，符合《城市三维建模技术规范》中对精细模型级别的平面精度要求。因此，采用无人机倾斜摄影测量技术，构建矿区搬迁村庄的实景三维模型，其成果精度相对较高，可作为矿区村庄搬迁过程中的数据依据。同时，相对于传统的测量手段，无人机倾斜摄影测量技术可以大大减少人力物力，提高工作效率，其成果所包含的丰富的信息也可避免各种不必要的纠纷。

2.矿区村庄搬迁信息管理系统

2.1 系统设计

为更好地服务村庄搬迁工作的开展，将搬迁工作可视化，便于实时指挥与后期规划，将无人机倾斜摄影测量获取的村庄数据更好地应用于搬迁工作，本文根据矿区村庄搬迁具体需求，结合研究区实际情况，在Skyline平台基础上进行二次开发“矿区村庄搬迁信息管理系统”。该系统主要以无人机采集的数据为基础资料，根据搬迁相关工作需求，开发了相对较为完善的功能，主要可分为四大板块，分别为数据输入板块、几何量算板块、信息查询板块、成果输出板块，基本涵盖了矿区村庄搬迁所需要的大多数功能板块。

数据输入板块可支持多种数据类型的导入，主要包含OSGB模型数据、SHP数据以及CAD数据等，既包含了二维矢量数据的录入，也涵盖了三维模型数据；几何量算板块主要是对各类几何建筑进行精确量算，主要包含距离量算和面积量算两大类，方便管理人员对矿区搬迁村庄的房屋、院落等空间几何信息的获取；信息查询板块主要是方便管理者对矿区搬迁村庄的详细信息进行查阅，查询内容包含房屋院落信息、详细位置、家庭成员等；成果输出板块主要是依据矿区实际情况，根据管理人员和居民户的需求，设计开发了房屋院落调查表格，可将房屋院落信息查询结果批量导出，兼具分组管理，可按照需求按村、组、队进行分组导出。

2.2 矿区村庄搬迁房屋信息化管理

矿区村庄搬迁信息管理系统对矿区村庄的搬迁工作有着极大的促进作用，主要分为以下3个方面：

（1）将外业详细调查数据导入矿区村庄搬迁信息管理系统后，可以方便快捷地进行数据信息查询和分类统计，基本实现了矿区村庄数据的信息化管理工作；

（2）该系统支持矿区村庄实景三维模型存档数据的在线量测，对村庄勘察时的房屋、院落的真实情况进行详细复现，方便管理者和居民户对数据进行进一步复核；

（3）避免居民纠纷，促进矿区村庄搬迁工作的实施和推进。

系统主要功能介绍（如图3所示），其中A为系统空间距离量算界面，图中2个高亮点间的连线即为两点间空间距离；B为面积量算界面，图中4个高亮点构成闭合平面，即可解算所选择区域面积；C为信息查询界面；D为成果信息展示界面。

图3 矿区村庄搬迁信息管理系统

3.结束语

无人机具有低空灵活机动等特点，在各行各业中得到了较为广泛的应用，而矿区村庄尤其是压煤村庄，分布较为零散，传统勘察方法费时费力，采用无人机倾斜摄影测量技术，可极大提高搬迁村庄的勘察效率，降低工作强度。通过建立矿区搬迁村庄的三维实景模型，可为矿区村庄的搬迁工作提供真实、直观、可追溯的数据基础；设计开发矿区村庄搬迁房屋调查管理系统，兼具数据导入、信息查询、几何量算及成果导出功能，实现了矿区村庄的信息化管理，大大提高了数据管理和利用效率，为矿区村庄数据入库等工作奠定了基础。