傾斜攝影測量技術(shù)在拆遷測繪中的應(yīng)用

高春輝，曾翊城，王 振

(珠海市測繪院，廣東 珠海 519000)

“三舊”改造是在當(dāng)前土地資源供需矛盾日益突出的情況下，拓展建設(shè)空間、保障發(fā)展用地的重要途徑。珠海市于2014年編制了《珠海市城市更新專項規(guī)劃(2014—2020年)》，提出該市“三舊”改造更新目標(biāo)為：通過拆建、改建與整治等更新方式逐步實現(xiàn)用地結(jié)構(gòu)調(diào)整、舊村環(huán)境改善、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級、舊城區(qū)活力再現(xiàn)、公共配套設(shè)施明顯改善；最終為珠海市完善城市服務(wù)功能、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、增強核心功能、增加公共空間、改善城市形象、提升城市品質(zhì)，以及打造宜居城市環(huán)境、建設(shè)幸福珠海和珠江口西岸核心城市發(fā)揮重要作用。舊村拆遷作為“三舊”改造中規(guī)模最大的部分對于城市更新至關(guān)重要，而拆遷工作最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一是對更新區(qū)域內(nèi)用地及建設(shè)情況進(jìn)行調(diào)查、測繪和統(tǒng)計。用地情況包括用地單位名稱、用地面積、用地范圍等內(nèi)容；建設(shè)情況包括建筑物坐落、基底面積、層數(shù)、建筑面積、附著物類型及數(shù)量等內(nèi)容。

隨著舊村拆建工作駛?cè)搿翱燔嚨馈保疬w項目呈現(xiàn)出規(guī)模更大、周期更短等新的特點，傳統(tǒng)拆遷測量方式難以加快工作進(jìn)度，因此應(yīng)用新技術(shù)提高拆遷測量的效率成為研究的焦點。文獻(xiàn)[1—2]采用數(shù)字航空攝影測量技術(shù)生成拆遷區(qū)域二維線劃圖，并根據(jù)建筑物高程數(shù)據(jù)恢復(fù)拆遷房屋立體模型，通過在立體模型上采集房屋邊界線獲取房屋的投影面積，最后將房屋的投影面積與樓層相乘計算建筑面積。但該方法存在高程精度低、樓層層數(shù)不準(zhǔn)確等問題。

傾斜攝影測量技術(shù)因其能快速、高效獲取客觀豐富的地面數(shù)據(jù)信息，成為近年來測繪領(lǐng)域研究的熱點[3- 4]。該技術(shù)顛覆了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限，通過搭載多臺傳感器從多個角度采集影像，具備更少的遮擋及相互驗證的能力，能夠更好地獲取地物三維信息[5- 7]。本文針對傳統(tǒng)拆遷測量方法難以滿足快速高效測繪房產(chǎn)分層圖的要求，提出基于傾斜攝影測量技術(shù)的拆遷測繪方法，并研究該方法用于實際拆遷測量的生產(chǎn)模式。該方法通過在無人機(jī)上搭載的多臺數(shù)碼相機(jī)采集垂直影像和傾斜影像，對影像進(jìn)行空中三角測量、密集匹配生成地物點云，然后重建拆遷區(qū)域三維模型；在此基礎(chǔ)上采集建筑物及其附屬物的輪廓線，生成二維線劃圖、正射影像及房屋拆遷測量成果報告。本文以珠海市高新區(qū)北山村拆遷測量為例，闡述此模式如何高效推進(jìn)城市更新改造。

1 基于傾斜攝影測量技術(shù)的舊村拆遷測繪模式

傳統(tǒng)的拆遷測繪方式有如下步驟：內(nèi)業(yè)收集資料，根據(jù)測區(qū)情況設(shè)計技術(shù)方案；外業(yè)采集數(shù)據(jù)，以戶為單位繪制草圖，拍攝照片；內(nèi)業(yè)成果處理，根據(jù)外業(yè)草圖繪制房產(chǎn)分層圖，計算建筑物面積，確定附著物數(shù)量等[8]?；趦A斜攝影測量技術(shù)的舊村拆遷測繪方式更加簡化，傳統(tǒng)方式所需的大部分外業(yè)采集工作可在內(nèi)業(yè)完成采集，且可以同時獲取正射影像、數(shù)字線劃圖等成果。新模式的技術(shù)路線如圖1所示。

1.1 飛行設(shè)計階段

在飛行設(shè)計階段首先要收集測區(qū)已有資料，確定坐標(biāo)系統(tǒng)，然后根據(jù)測區(qū)情況制定飛行技術(shù)方案。方案主要包括確定無人機(jī)傾斜攝影平臺、飛行區(qū)域、飛行航高、地面分辨率、航線間距、航向重疊和旁向重疊度、航帶架次數(shù)、影像拍攝間隔等問題，同時需要向空管部門申請飛行空域。

拆遷測量精度要求較高，需要較高的地面分辨率，因此選擇高精度的傾斜相機(jī)尤為重要，同時要保證較高的航向重疊度和旁向重疊度。在確定飛行區(qū)域時，由于村莊可能存在超出用地紅線建設(shè)房屋的行為，需仔細(xì)辨明測區(qū)衛(wèi)片上的房屋坐落情況，向城市更新主管部門和村集體確定范圍。

1.2 布設(shè)相控及作業(yè)飛行

外業(yè)工作人員需要對飛行區(qū)域進(jìn)行實地踏勘，布設(shè)像控點，選擇飛行場地，若采用固定翼無人機(jī)則應(yīng)當(dāng)選擇較開闊的場地以便無人機(jī)起飛和降落。飛行環(huán)境應(yīng)當(dāng)選擇在能見度較高、無風(fēng)或微風(fēng)的天氣進(jìn)行作業(yè)，飛行前進(jìn)行系統(tǒng)的安裝調(diào)試，飛行中確保飛機(jī)按預(yù)定的航線飛行，航攝任務(wù)完成后需要及時檢查飛行和影像質(zhì)量是否合格、是否存在漏片等問題。

1.3 空三加密與自動建模

影像內(nèi)業(yè)處理過程主要包括影像匹配、光速法區(qū)域網(wǎng)平差、多視影像密集匹配生成高精度點云并構(gòu)網(wǎng)及多視紋理映射，由于數(shù)據(jù)量較多，可以采用多節(jié)點聯(lián)合運算提高處理速度[9- 11]。目前國內(nèi)外已有多種軟件可以對傾斜影像進(jìn)行自動解算，如Smart3D、街景工廠、Photomesh等。

1.4 大比例尺測圖

通過實景三維模型可以清晰辨別地物位置和類別信息，采集地物輪廓節(jié)點，生成數(shù)字線劃圖，無需如傳統(tǒng)攝影測量方法佩戴立體眼鏡測圖[12]。數(shù)據(jù)采集完成后對于內(nèi)業(yè)處理中不確定的地物要素需要進(jìn)行外業(yè)調(diào)繪，對遺漏的地物進(jìn)行補測，調(diào)整修改后的數(shù)字線劃圖，經(jīng)過分幅整飾后得到最終成果。

1.5 內(nèi)業(yè)房產(chǎn)測量

實景三維模型包含房屋所有層的信息，可對多層水平面與三維模型求交，以獲取建筑物每一層的橫切面，并在此基礎(chǔ)上采集建筑物輪廓線。房屋和棚房頂部一般建有女兒墻、屋檐、飄板等構(gòu)件，頂面建筑面積通常大于層建筑面積，在采集頂層輪廓時應(yīng)當(dāng)切至主墻體。對于棚房和磚房相連的情況，建模時可能會生成一個整體，需要根據(jù)二者接邊線來分隔地物。形狀輪廓采集的同時還需要根據(jù)三維模型中地物的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)進(jìn)行類別屬性的判斷。

建筑物的附著物包括圍墻、門頂、欄桿、水泥地、水池等，測量方式類似數(shù)字線劃圖，在實景模型上采集地物輪廓點，繪制地物輪廓線并標(biāo)注長、寬、高等尺寸。

1.6 外業(yè)調(diào)查

傾斜攝影測量三維建模的遮擋問題難以避免，舊村房屋大都為多層建筑，且建筑物密集、樓間距小，存在首層門廊被遮擋等問題，樹叢遮擋也會造成地物缺失，在內(nèi)業(yè)房產(chǎn)測量過程中需記錄此類疑問項，通過外業(yè)調(diào)查對缺漏項入戶實地進(jìn)行補測。若房屋結(jié)構(gòu)不規(guī)則，如存在較小的局部凸出構(gòu)造、折角及弧線時，三維模型難以精確展示此類結(jié)構(gòu)，必須入戶進(jìn)行核實。

1.7 成果輸出和質(zhì)量檢查

繪制好房屋形狀并進(jìn)行屬性、尺寸等標(biāo)注后生成房屋分層圖，根據(jù)房屋分層圖計算建筑物和附屬物的最小單元明細(xì)表，最后生成測繪成果報告。測繪成果需要經(jīng)過測繪作業(yè)部門多級檢查，最后由項目委托方組織驗收。檢查包括作業(yè)組自檢和互檢、過程檢查及最終檢查。檢查方式為全數(shù)詳查，驗收方式為抽查復(fù)核。檢查的內(nèi)容包括房屋及其附屬物的形狀、尺寸、材質(zhì)等是否準(zhǔn)確，圖元面積計算是否符合文獻(xiàn)[13]的要求。

2 試驗分析與討論

2.1 測區(qū)概況

試驗測區(qū)北山村位于廣東省珠海市高新區(qū)，測區(qū)面積約0.3 km2。高新區(qū)作為珠海市建設(shè)國家自主創(chuàng)新示范區(qū)主平臺和創(chuàng)新驅(qū)動主引擎，一直致力構(gòu)建優(yōu)美宜居的環(huán)境，亟需將區(qū)內(nèi)“城中舊村”改造為新型的文明社區(qū)。新區(qū)位于珠海市東北部，地勢西高東低，占地面積139 km2，境內(nèi)以丘陵臺地為主，其中鳳凰山一帶為250～500 m的高丘陵，北山村位于鳳凰山山腳，有1035戶村民，村內(nèi)新舊建筑物交錯，房屋密集，巷道較窄，不規(guī)則，絕大多數(shù)不能通車，給測繪工作帶來較大困難。測區(qū)位于如圖2所示的多邊形區(qū)域。

2.2 試驗過程與結(jié)果

試驗使用復(fù)合翼垂直起降無人機(jī)搭載5鏡頭全畫幅1.8億像素相機(jī)，1個下視相機(jī)和4個傾斜相機(jī)，一個周期采集5張不同角度的地物航空影像。無人機(jī)飛行1個架次，飛行時間為37 min，設(shè)計航高70 m，航向重疊率80%以上，旁向重疊率60%以上，采集相片數(shù)4825張，POS數(shù)據(jù)3167個，地面分辨率0.95 cm。本測試任務(wù)在測區(qū)內(nèi)布設(shè)了13個像控點，像控點平均間距約為220 m，像控點分布如圖2所示。

內(nèi)業(yè)處理是將經(jīng)過預(yù)處理的影像導(dǎo)入Smart3D Capture軟件進(jìn)行影像匹配、聯(lián)合空三、生成密集點云、構(gòu)建三角網(wǎng)、映射紋理，最終生成實景三維模型和正射影像，整個流程耗時4 d，生成的實景三維模型如圖3所示。

將生成的三維模型導(dǎo)入Skyline軟件中，采用直接立體判讀法完成道路及附屬設(shè)施、居民地及附屬設(shè)施、地貌、水系、獨立地物、植被等要素的矢量化采集，對某些漏測的部分通過外業(yè)調(diào)繪補測，按照《國家基本比例尺地圖圖式 第1部分:1∶500、1∶1000、1∶2000地形圖圖式》(GB 20257.1—2007)的要求進(jìn)行符號化、編輯處理、圖廓整飾。整個過程由4名采編員耗時2 d完成，得到的1∶500數(shù)字線劃圖如圖4所示。

房屋分層圖測繪使用Skyline軟件手動采集房屋每層的平面形狀、尺寸及附屬物外輪廓，依據(jù)文獻(xiàn)[13]的要求采集房屋要素，按照《珠海市征收(征用)土地青苗及地上附著物補償辦法》的規(guī)定采集各類臨時建筑物和構(gòu)筑物，根據(jù)三維實景模型判斷要素類別材質(zhì)，個別無法判斷的材質(zhì)通過外業(yè)調(diào)查核實，而后參考文獻(xiàn)[14]的規(guī)定繪制分層平面圖，如圖5所示。對內(nèi)業(yè)采集中因遮擋等問題而缺失的地物及結(jié)構(gòu)復(fù)雜的房屋，外業(yè)使用手持測距儀測量，在此基礎(chǔ)上繪制完整的房屋分層圖，測算建筑面積，最終生成建(構(gòu))筑物測繪成果報告書。

2.3 大比例尺地形圖精度評定

地形圖檢查由質(zhì)量檢查部門依據(jù)文獻(xiàn)[15]對測區(qū)成果進(jìn)行全面檢查，檢查的質(zhì)量元素包括數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、平面精度、高程精度、數(shù)據(jù)及結(jié)構(gòu)正確性、地理精度、整飾質(zhì)量及附件質(zhì)量。其中平面精度和高程精度根據(jù)《城市測量規(guī)范》(CJJ/T 8—2011)第6.1.6條地物點相對于鄰近平面控制點的點位中誤差、第6.1.7條DLG高程精度的設(shè)定和文獻(xiàn)[16]中關(guān)于地形圖精度的規(guī)定，1∶500 DLG平地、丘陵地點位中誤差為0.25 m，城市建筑區(qū)和基本等高距為0.5 m的平坦地區(qū)高程注記點相對于鄰近圖根點的高程中誤差不應(yīng)大于0.15 m。

對地物點和高程注記點精度采用GPS RTK方法檢查，作業(yè)時坐標(biāo)精度設(shè)置為2 cm，并連續(xù)觀測10個歷元，作為檢測坐標(biāo)，平面檢測點為隨機(jī)選取、均勻分布的明顯地物點，每幅圖選取20～50個點。某幅地形圖20個檢查點的平面和高程誤差統(tǒng)計見表1。

表1 檢查點平面和高程誤差統(tǒng)計 cm

2.4 房產(chǎn)面積測算成果精度評定

房產(chǎn)面積測算成果質(zhì)量元素包括數(shù)學(xué)精度、觀測質(zhì)量、計算質(zhì)量和資料質(zhì)量[15]。數(shù)學(xué)精度包括房屋及附屬物邊長測算精度、房屋及附屬物面積測算精度。邊長的精度采用邊長較差的限差評定，根據(jù)《珠海市房屋建筑面積測量實施細(xì)則》中關(guān)于房屋邊長數(shù)據(jù)測量精度的要求ΔL限=±(0.04+0.002L)，其中L為邊長，單位為m；房屋面積精度要求見表2(表中S為房產(chǎn)面積)，試驗測區(qū)精度等級為二級。

表2 房產(chǎn)面積的精度要求 m2

從建(構(gòu))筑物測繪成果報告中抽取75戶進(jìn)行檢驗，采用手持測距儀入戶實地檢核邊長，經(jīng)比較，模型采集的邊長與檢測邊長的較差均小于限差，對根據(jù)檢測邊長繪制的房屋分層圖計算面積與原測算面積進(jìn)行對比，面積較差滿足二級精度限差要求，有效驗證了傾斜攝影測量技術(shù)用于拆遷測量的可行性，部分邊長較差統(tǒng)計見表3，部分面積較差統(tǒng)計見表4。

2.5 拆遷測量效率評價

房屋拆遷測量分為地形圖測量和房屋面積測量兩部分，試驗測區(qū)內(nèi)由于房屋十分密集，通視困難，GPS信號遮擋嚴(yán)重，傳統(tǒng)方法只能使用全站儀設(shè)站進(jìn)行碎部點觀測，8名作業(yè)人員需要花費約10 d才能提交數(shù)字線劃地形成果，房產(chǎn)面積測量若20名測量技術(shù)員需要約29 d才能提交初步測繪成果報告。

表3 邊長較差統(tǒng)計表

表4 面積較差統(tǒng)計表 m2

基于傾斜攝影測量技術(shù)的房屋拆遷測量所需外業(yè)人員較少，4名航測人員從外業(yè)飛行到內(nèi)業(yè)生產(chǎn)三維模型和正射影像只需7 d，生產(chǎn)數(shù)字線劃圖只需2 d，20名測圖人員21 d即能完成房屋面積測繪。

通過對比傳統(tǒng)方法可知，新技術(shù)能夠有效提高拆遷測量效率，尤其對于工期緊張的項目，城市更新部門首先需要獲取正射影像或數(shù)字線劃圖，以便對村莊各戶進(jìn)行編號，以及拆遷整體規(guī)劃，傾斜攝影測量方法可以快速提供所需成果，有力推進(jìn)項目進(jìn)度；房屋面積測量工作效率也得到提升；同時由于將傳統(tǒng)測量大部分外業(yè)工作移至內(nèi)業(yè)，有效避免了天氣等因素的干擾，特別是在南方雨季，外業(yè)入戶測量常常由于降雨而延誤，新技術(shù)實現(xiàn)了通過內(nèi)業(yè)三維模型即可采集房屋矢量數(shù)據(jù)。

3 結(jié) 語

本文提出了基于傾斜攝影測量技術(shù)的拆遷測繪模式，通過傾斜像片生成實景三維模型，并由此測繪大比例尺地形圖和房屋分層圖，計算房屋及附屬物面積，經(jīng)試驗證明地形圖、房屋及附屬物邊長尺寸、面積成果均滿足質(zhì)量要求，驗證了新技術(shù)用于實際生產(chǎn)中的可行性。相較于傳統(tǒng)測量技術(shù)，新技術(shù)只需較少外業(yè)測量人員，節(jié)約了工程成本，同時提高了至少1/3的生產(chǎn)效率。另外，傾斜攝影測量數(shù)據(jù)處理還存在一些不足，如三維模型不能精確表達(dá)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的房屋、矢量數(shù)據(jù)采集過程手動干預(yù)過多，本文下一步將研究這些難題，更高效地將傾斜攝影測量技術(shù)應(yīng)用于舊村拆遷測繪中。