無人機傾斜攝影技術在礦區(qū)村莊搬遷中的應用

謝鑫淳 韋曉玲

（汕頭市建筑設計院有限公司，廣東 汕頭 515041）

0.引言

社會的發(fā)展是一個不斷進行再建設的過程，搬遷是對原有建筑進行拆除并在新的規(guī)劃區(qū)域重新建設[1]，其目的是更加合理地進行城鎮(zhèn)規(guī)劃，合理利用日益緊張的國土資源。在煤礦資源較為豐富的地區(qū)，大量的煤炭資源在村莊地下壓蓋，不僅采煤易出現塌陷區(qū)，對村莊房屋造成破壞，并且隨著煤礦企業(yè)的不斷發(fā)展，在煤炭的勘探、運輸、清洗甚至加工過程中等，都會對村莊環(huán)境造成破壞，不利于人們的正常生活與生產工作，煤礦附近村莊居民與煤礦企業(yè)易產生矛盾。因此為避免當地居民與煤礦企業(yè)的糾紛，往往采用村莊搬遷的方式解決土地之爭。以往的礦區(qū)搬遷村莊的勘測方法較為繁瑣，主要利用全站儀結合激光測距儀[2]，對測區(qū)范圍內的建筑物進行逐點測量，獲取精確的點位坐標和距離信息，然后將外業(yè)測量成果數字化成圖后，分別計算各建筑物面積。該傳統(tǒng)勘察方法工作效率低，需要大量的外業(yè)工作量，且對測量人員的要求比較高，無論從工作效率和成果精度上，還是從投入成本與時間成本上，都已不是最優(yōu)的測量方法。此外，通過全站儀測量獲取的數據信息較為單一，無法直觀描述搬遷房屋的各類信息[3,4]，因此需要在滿足精度的條件下，選擇更為高效的測量技術手段和方法開展搬遷村莊的測量工作。

無人機技術和傾斜攝影測量技術的飛速發(fā)展，為測量行業(yè)帶來了巨大的進步，彌補了常規(guī)測量手段的不足，提高了作業(yè)效率，其高度的自動化，能極大地節(jié)省人力資源和外業(yè)工作成本。本文利用無人機航空攝影（RS）結合GPS控制點，快速精確獲取研究區(qū)影像，通過Smart3D軟件進行實景三維模型制作，直觀再現搬遷房屋情況，并且可以快速準確獲取房屋坐標及面積。基于傾斜攝影數據，結合地理信息系統(tǒng)（GIS）平臺二次開發(fā)搬遷房屋調查管理平臺，進而對壓煤村莊的搬遷過程及成果進行信息化管理，為搬遷工作提供科學、客觀的補償依據。

1.項目實例探究

1.1 研究區(qū)概況

興隆莊街道位于山東省濟寧市兗州區(qū)的東南部[5]，該地區(qū)礦產資源極為豐富，但共存有18個壓煤村莊，村莊壓覆了大量的煤炭資源[6]，村莊房屋嚴重制約了該地區(qū)的煤炭資源的開發(fā)利用，阻礙了礦產經濟的持續(xù)發(fā)展，并且由于當地煤礦的開采，村莊周邊出現很多塌陷地，煤礦開采產生的煤塵對空氣質量也造成很大的影響，對當地居民的生活生產帶來極大的不便，因此搬遷工作迫在眉睫。

1.2 測區(qū)控制網布設

本研究以濟寧市兗州區(qū)2018年度的遙感衛(wèi)星影像作為數據基礎。該衛(wèi)星遙感影像為高分二號衛(wèi)星數據，其分辨率為0.8m，根據測區(qū)遙感影像進行研究區(qū)范圍內的作業(yè)區(qū)劃分、航線設計以及像控點布設等工作?？紤]到研究區(qū)及附近有山東省國土測繪院在2005年施測的濟寧市C級GNSS（Global Navigation Satellite System）控制網點，且這些控制網點均聯(lián)測了三等水準，采用的是SDCORS（Shandong Continuous Operational Reference System）測繪技術，通過申請SDCORS服務，僅采用一臺高精度RTK，對所選取區(qū)域的三個控制網點進行平面及高程測量的精度檢查，檢查結果（如表1所示）。對比表1中的計算值和規(guī)范允許值，可得出控制點的精度較為可靠，限差滿足規(guī)范要求，因此選取這三個點名的控制點作為研究區(qū)內各測量點位的平面坐標及高程數據的起算點和檢核點。在實測中每個控制點均進行兩次獨立觀測，當兩次觀測結果的平面和高程較差均小于5cm時，取兩次觀測值的平均值作為最終的測量結果；若精度超限則需進行重新觀測。

表1 控制點檢核表 單位：m

1.3 航攝規(guī)劃及像控點布設

航攝規(guī)劃是飛行平臺采集過程極為重要的一個環(huán)節(jié)，規(guī)劃的好壞直接影響著航攝影像質量的高低。為獲取高質量的傾斜影像，航線規(guī)劃需要考慮諸多因素，包括測區(qū)范圍、復雜地形地貌以及相對高程、重疊度等相關測量技術指標。研究區(qū)總面積近54km2，測區(qū)范圍較大，一方面考慮到測區(qū)村莊分布零散、無人機續(xù)航能力有限[7]；另一方面為了提高外業(yè)作業(yè)效率，節(jié)省人力物力，將測區(qū)劃分為5個航測區(qū)，并將無人機采集隊伍分為兩隊，同時開展測量工作，極大方便了對測區(qū)數據的采集工作，提高了外業(yè)工作效率，大大減少了外業(yè)工作時間。

像控點的布設是攝影測量外業(yè)工作的重點，其布設應滿足航空攝影測量外業(yè)技術規(guī)范，應特別注意：

（1）布設控制點遠離密集建筑物、大型水域以及電磁干擾較大區(qū)域；

（2）應布設于明顯紋理或者顏色差異較大區(qū)域，如，道路交叉口或者晾曬場拐角；

（3）布設于航片重疊區(qū)域，避免在像片邊緣；

（4）根據航線統(tǒng)一布點，不能超出圖幅范圍。

根據前期規(guī)劃研究，為適應當地村莊的測區(qū)分布，研究區(qū)域像控點布設采用矩形布網方案，受地形影響無法滿足時，可采用凹、凸形布點[8]。此次測量共計選取15個不同位置的像控點，結合影像POS數據進行空中三角測量。像控點空三解算質量報告（如表2所示），重投影中誤差均在1個像素點以內，準確度相對較高；像控點水平中誤差為0.0059m，垂直中誤差為0.0028m，滿足規(guī)范要求的平面中誤差小于0.4m、高程中誤差小于0.35m的要求，表明所布設的像控點精度相對較高，完全滿足于該地區(qū)實景三維模型的構建。

表2 像控點精度評定

1.4 三維建模

本文采用低空無人機傾斜攝影測量技術對待搬遷村莊進行測量，獲取傾斜攝影測量數據，并使用Smart3D構建出搬遷村莊的三維立體模型。Smart3D能夠充分使用POS的初始定位精度，并且在POS初始精度滿足要求的情況下，僅根據少量的控制點就可以完成較高精度的絕對定向，Smart3D建立的待搬遷村莊的三維模型（如圖1所示），其中A為村莊廠區(qū)廠房模型，B為待搬遷村莊的平房模型，C為村落一角展示，D為樓房模型。三維模型展示結果表明，構建的三維模型可真實再現實地場景，能夠較為清晰表現出拍攝時的房屋情況，建模成果可以為搬遷房屋的調查工作提供相對客觀真實的影像存檔。

圖1 待搬遷村莊三維實景立體模型

1.5 模型精度檢核

精度評價是檢驗三維模型建立質量的重要步驟和必不可少的環(huán)節(jié)，根據實測數據，對三維模型的平面精度和高程精度進行檢驗。在完成測區(qū)實景三維模型的構建工作后，對三種像控點布設方案所得到的三種實景三維模型的精度進行分析評定，以測區(qū)內檢核點坐標值為真值，分別計算各模型點位平面中誤差和高程中誤差，對模型精度進行構建得到的模型做點位精度分析。中誤差計算式如式（1）所示：

式（1）中，m為各方向中誤差；△為各方向真誤差；n為檢核點數量。

平面中誤差可根據X、Y方向的中誤差進行求解，其計算式如式（2）所示：

本文實地選取了246個房屋拐角、硬化路面拐角等明顯點位，使用全站儀和SDCORS系統(tǒng)實地測量點位，以測區(qū)控制點為定向起算邊，采用兩次儀器高對每個測量點位均進行兩次獨立觀測，取其算數平均值為點位最終測量結果，對所構建的實景三維模型的精度進行綜合分析；同時在研究區(qū)范圍內選取148個地物特征較為明顯的特征點，使用激光測距儀、鋼卷尺等儀器對相鄰特征點之間的距離進行精確丈量，將其測量結果與實景三維模型量測的邊長進行綜合比對，檢驗實景三維模型的相對精度。三維模型精度檢核結果分析（如圖2所示），單位均為cm。其中，A幅為平面坐標中誤差；B幅為高程中誤差；C幅為相對地物距離中誤差。

圖2 模型精度圖

通過對礦區(qū)搬遷村莊的實景三維模型進行精度評定可得，模型平面坐標中誤差、高程中誤差及相對精度中誤差分別為0.0456m、0.0288m和0.0431m，均小于0.05m，符合《城市三維建模技術規(guī)范》中對精細模型級別的平面精度要求。因此，采用無人機傾斜攝影測量技術，構建礦區(qū)搬遷村莊的實景三維模型，其成果精度相對較高，可作為礦區(qū)村莊搬遷過程中的數據依據。同時，相對于傳統(tǒng)的測量手段，無人機傾斜攝影測量技術可以大大減少人力物力，提高工作效率，其成果所包含的豐富的信息也可避免各種不必要的糾紛。

2.礦區(qū)村莊搬遷信息管理系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)設計

為更好地服務村莊搬遷工作的開展，將搬遷工作可視化，便于實時指揮與后期規(guī)劃，將無人機傾斜攝影測量獲取的村莊數據更好地應用于搬遷工作，本文根據礦區(qū)村莊搬遷具體需求，結合研究區(qū)實際情況，在Skyline平臺基礎上進行二次開發(fā)“礦區(qū)村莊搬遷信息管理系統(tǒng)”。該系統(tǒng)主要以無人機采集的數據為基礎資料，根據搬遷相關工作需求，開發(fā)了相對較為完善的功能，主要可分為四大板塊，分別為數據輸入板塊、幾何量算板塊、信息查詢板塊、成果輸出板塊，基本涵蓋了礦區(qū)村莊搬遷所需要的大多數功能板塊。

數據輸入板塊可支持多種數據類型的導入，主要包含OSGB模型數據、SHP數據以及CAD數據等，既包含了二維矢量數據的錄入，也涵蓋了三維模型數據；幾何量算板塊主要是對各類幾何建筑進行精確量算，主要包含距離量算和面積量算兩大類，方便管理人員對礦區(qū)搬遷村莊的房屋、院落等空間幾何信息的獲??；信息查詢板塊主要是方便管理者對礦區(qū)搬遷村莊的詳細信息進行查閱，查詢內容包含房屋院落信息、詳細位置、家庭成員等；成果輸出板塊主要是依據礦區(qū)實際情況，根據管理人員和居民戶的需求，設計開發(fā)了房屋院落調查表格，可將房屋院落信息查詢結果批量導出，兼具分組管理，可按照需求按村、組、隊進行分組導出。

2.2 礦區(qū)村莊搬遷房屋信息化管理

礦區(qū)村莊搬遷信息管理系統(tǒng)對礦區(qū)村莊的搬遷工作有著極大的促進作用，主要分為以下3個方面：

（1）將外業(yè)詳細調查數據導入礦區(qū)村莊搬遷信息管理系統(tǒng)后，可以方便快捷地進行數據信息查詢和分類統(tǒng)計，基本實現了礦區(qū)村莊數據的信息化管理工作；

（2）該系統(tǒng)支持礦區(qū)村莊實景三維模型存檔數據的在線量測，對村莊勘察時的房屋、院落的真實情況進行詳細復現，方便管理者和居民戶對數據進行進一步復核；

（3）避免居民糾紛，促進礦區(qū)村莊搬遷工作的實施和推進。

系統(tǒng)主要功能介紹（如圖3所示），其中A為系統(tǒng)空間距離量算界面，圖中2個高亮點間的連線即為兩點間空間距離；B為面積量算界面，圖中4個高亮點構成閉合平面，即可解算所選擇區(qū)域面積；C為信息查詢界面；D為成果信息展示界面。

圖3 礦區(qū)村莊搬遷信息管理系統(tǒng)

3.結束語

無人機具有低空靈活機動等特點，在各行各業(yè)中得到了較為廣泛的應用，而礦區(qū)村莊尤其是壓煤村莊，分布較為零散，傳統(tǒng)勘察方法費時費力，采用無人機傾斜攝影測量技術，可極大提高搬遷村莊的勘察效率，降低工作強度。通過建立礦區(qū)搬遷村莊的三維實景模型，可為礦區(qū)村莊的搬遷工作提供真實、直觀、可追溯的數據基礎；設計開發(fā)礦區(qū)村莊搬遷房屋調查管理系統(tǒng)，兼具數據導入、信息查詢、幾何量算及成果導出功能，實現了礦區(qū)村莊的信息化管理，大大提高了數據管理和利用效率，為礦區(qū)村莊數據入庫等工作奠定了基礎。