基于无人机倾斜摄影测量技术的征地拆迁工程量统计研究

郭慧楠 吴海峰

（1.嘉兴数科测绘科技有限公司 浙江 嘉兴 314000; 2.青田县土地规划勘测队 浙江 青田 323900）

1 引言

旧城区或城中村进行旧城项目改造前期，对现状建筑物和附着物摸底调查是前期重要工作，涉及征地拆迁、交通、管线规划等项。因此，前期对旧城改造建设项目进行详细调查与科学策划是必要工作。当下，信息化、数字化技术迅速发展，使得旧城改造项目建设前期的测绘及规划方法出现了新的技术[1]，传统依靠纸质化的线下图纸和书面资料已难以满足现代化的建设要求。CAD技术相较于图纸有了明显的效率提升，但应用成果大多为二维层次，应用模式仍较为局限[2]。在三维技术应用领域内，近年来的BIM 技术以其集成化、可视化以及参数化的特点，正得到广泛的应用，相关利用BIM 技术进行旧城改造建设项目的案例研究也较多[3−4]，但总体上的应用集中于宏观上的统筹方面，详细的参数等信息较为缺乏。本文通过研究无人机测绘技术在旧城改造建设项目前期征地拆迁方面的应用[5−6]，结合工程实际案例，利用倾斜摄影测量技术应用方便、测量便捷、经济性好、数据可靠等优势，通过三维实景模型的构建，建立旧城改造区块的三维GIS，并结合空间分析方法，估算获得地块内房屋的拆迁工程量，从而为旧城改造项目前期征地拆迁、交通疏导等方案设计与策划提供新的思路。

2 无人机倾斜摄影原理及工作流程

2.1 无人机倾斜摄影原理

无人机倾斜摄影技术是利用无人机飞行平台上搭载多台摄影测量设备，同时从一个垂直和四个倾斜等不同角度拍摄地形地物实现获取多角度高分辨率影像，将采集到的图片或者是数据信息通过各种自动三维建模软件进行处理，可快速构建出具有地物准确位置和清晰纹理的高分辨率真三维场景。无人机航测摄像系统主要包括三部分构造装置，分别为云台相机、飞行平台及地面操作系统。云台相机的作用是进行倾斜拍摄，即中心相机的光轴与水平面垂直，另外四个方向上分布的相机光轴分别与水平面相交呈45°角，从而经过单次航行后，便有超过三张且不同角度的针对同一地物的影像。同时，五镜头相机具有集成度高、采集相片质量好及工作性能平稳的优势。用于承载云台相机的装置即为飞行平台，也即无人机，主要有固定翼或多旋翼等形式。固定翼无人机在使用时，要求有一定的飞行操控技能且起降场地应符合一定条件，但其续航能力强，飞行速度可观，综合工作效率高，在大面积、长时间的高空作业领域有一定的适用性。多旋翼无人机一般用于市区测绘领域，其对起降场地没有特殊要求，适用性好，且能实现定点悬停与垂直升降，使用较为便捷。地面操作系统主要负责飞行平台的通信联络以及姿态控制等，通过输入预定的航行参数，便可操控无人机进行航拍工作。完成航摄后，可下载无人机在航测时获得的测量数据并存储，用于后期的数据分析。

在旧城改造建设项目的前期策划中，为应用倾斜摄影测量技术，一般需要三个步骤，即影像的获取、三维模型的构建以及GIS 的空间分析。一是影像的获取，一般是通过无人机对旧城改造地块现状情况进行倾斜摄影，获得地块不同角度的高分辨率影像；二是三维模型的构建需要一系列的应用步骤才能完成，主要包括空三加密、影像匹配、不规则三角网的建立以及纹理映射等；三是三维GIS 空间分析，主要是结合其他的数据资源，基于倾斜摄影测量的处理成果，为获得旧城改造区域内征地拆迁工程量而进行的相关空间分析过程。

2.2 获取影像数据

利用无人机进行航测，为获取地块影像数据，一般需要进行航线规划、地面测控点测量以及影像航测等工序，具体的工作流程如图1所示。

图1 倾斜摄影测量的主要流程

在开始倾斜摄影前，进行现场踏勘，了解旧城改造地块的范围，设置相对应的飞行路径，满足拍摄需求。为方便后期生成完整的三维模型，在航线方面，一般设置80%以上的航向重叠度和60%以上的旁向重叠度。对于地面控制点测量，包括控制网的设计（航拍区域）以及像控点的测量等工作，实施中应严格遵守规范，像控点的布置采用“角点布设，中间加密，均匀布设”尽量保持间距均匀，间距按照100m−150m 严格布设，对旧城改造地块的测量区域全覆盖。像控点的坐标，可采用网络RTK 的方法，将GNSS 接收机设置于像控点，即可快捷地进行测量，该数据测量过程简单方便，精度达厘米级，符合后续内业处理时的空三求解要求。

2.3 构建三维模型

利用Smart3D、Pix4D 以及Photoscan 等数据处理软件，在所获取的倾斜摄影航测数据的基础上，可构建出旧城改造地块的三维实景。在构建三维模型的过程中，主要工作内容有空三加密、影像匹配、建立三角网以及纹理映射等。

倾斜摄影三维建模的关键工作为以拓扑方式重建影像间的联系，即空三加密。具体方法为利用共线方程，结合地面控制点的坐标，采用光束法进行测量区域网平差。在进行倾斜摄影区域网平差之前，应检测影像匹配点的粗差情况并构建自由网，以尽量规避大倾角时多视影像自动配准所产生的粗差。空三加密可将多张混乱的航摄图像在三维空间状况下进行有序拟合拼接，并实现类似于现场真实状况的空间模型。

在空三加密工作后，为获得高密度、高精度的三维点云数据，实现三维建模的精细化，应当进行倾斜航测影像的匹配工作。在进行影像密集匹配的过程中，需要注意影响密集匹配的遮挡因素，再基于相机的外方位元素，实现对影像中所有点的密集匹配。在得到三维点云数据之后，难免会存在部分不符合要求的噪点，建模前应进行剔除，以提高精度，再在不同层次细节度的前提下，基于点云建立不规则三角网模型。优化改善不规则三角网，使其内部尺寸的比例调整至与初始影像的分辨率相对应，并简化三角网，突出边缘信息，最大限度地维持模型的几何形态。

将纹理图像配准与贴附在不规则三角网模型上的过程即为纹理映射。对于航测中的某一地物，将会在若干张航测影像中出现，为合理选择最适当的影像，将选择标准确定为二维图像与模型表面面片法线方程之间的角度，该夹角越大，则纹理质量越差。以此标准进行选择，可使模型上每个三角面片均唯一对应某一航测图像，再利用配准在三角面片上投影出纹理影像，进行纹理贴附，即可重建三维实景模型。

2.4 分析三维GIS空间

在得到规划的旧城改造地块三维实景模型的基础上，倾斜摄影测量还可获得DOM（正摄影像）与DEM（数字高程）等相关数据。在三维地理信息平台中，为构建出三维GIS（地理信息系统），可融合BIM模型与CAD 图纸，相关工作流程如图2 所示。叠加地形数据集至三维实景中，便可获得旧城改造地块的现状城市三维模型。为获得单体化模型图层，则可融合BIM 模型，所得图层包含有高质量的空间地理信息，也可以叠加类似的属性。在完成构建三维GIS之后，对于旧城改造建设项目的前期征地拆迁工作，可通过相应的空间分析步骤来完成。

图2 三维GIS系统的构建流程

在征地拆迁工程量统计方面，一般通过缓冲区分析进行，具体为在点、线、面等类型的地物周围，设置相应缓冲宽度并建立多边形，则空间地理目标的影响范围便能确定。对于旧城改造地块缓冲区生成是以规划拆迁范围为准，全部或者部分建筑物在拆迁范围内的均全部纳入，其他建筑物以工程设计影响范围确定缓冲区宽度。在对旧城改造地块划分出缓冲区的基础上，通过迅速统计出位于缓冲区内的相关建筑物楼层与面积等实际信息，继而高效地对涉及的拆迁工程量进行估算，从而得到合理、准确的工程造价。

3 工程案例

某城市旧城改造一期工程规划面积为52 公顷。根据相关部署，现需要对该旧城改造整个地块进行倾斜摄影测量，并需进一步建立全区域三维实景模型以及制取DOM、DEM 等数据。本次航测采用的飞行平台为大疆品牌的M300 无人机，多旋翼形式，搭载的倾斜相机像素为2000 万，镜头正摄焦距为22mm，倾斜焦距为35mm，设置航向重叠率80%，旁向重叠率70%，成像分辨率为5184×3456，飞行速度为10m/s，飞行高度为150m，该相机的续航时间约为20min。

采用网络RTK 进行地面像控点的测量，共计110个有效像控点。无人机航测现场，以及利用网络RTK测量地面像控点坐标示意，如图3所示。

图3 倾斜航测现场与像控点采集

基于倾斜摄影测量的图像，结合无人机POS 数据与地面像控点坐标，采用Smart3D 软件生成三维实景模型以及DOM、DEM 等数据，通过空三加密、影像匹配、三角网建立以及纹理映射等工作建立三维模型，具体步骤如图4所示。

图4 旧城改造地块的三维实景模型建立步骤

在倾斜摄影测量的数据进行相应处理之后，在三维GIS 平台上建立旧城改造地块的城市三维模型，并利用3DMax 软件精细化处理模型。基于模型的坐标数据，考虑管线数据库与房调资料等，建立BIM 模型，继而融合倾斜摄影测量的数据成果。旧城改造地块周边环境的面积或长度等数据可通过空间信息量算取得。借助前文所述的缓冲区分析法，快速统计出规划旧城改造地块征地拆迁区域内的楼房面积，并估算获得相应的建筑拆迁工程量，如图5所示。

图5 旧城改造地块的征地拆迁工程量估算示意

基于倾斜摄影测量技术，利用航测方法获取影像数据，通过空三加密、影像匹配、三角网建立以及纹理映射等步骤，实现三维实景模型的建立，其优势一是减少了外业工作量，作业过程受气候影响较小，节约工作时间，提高工作效率；二是解决了部分居民违建房测量、阻碍施工等实际情况，有效提升了旧城改造项目推进的效率。

4 结束语

近年来，无人机倾斜摄影测量技术得到飞速发展及应用，有效地推动了测绘领域往高精度、高效率及高水平的发展，并打破了传统测量方式的不足与局限，创造了新的测绘方法。本文以某城市旧城改造建设项目为案例，阐述无人机倾斜摄影测量技术在前期征地拆迁工作中的具体应用，有效地解决了旧城改造建设的前期征地拆迁量统计问题，该方法可三维直观地展示相关处理结果，相较于传统的测量方式，数据采集工作量大大减少，采集效率大大提升，在旧城改造建设前期的策划管理方面有着良好的推广应用前景。