基于無人機(jī)傾斜攝影的城市建設(shè)規(guī)劃核實方法研究

謝小梅

（龍巖市勘察測繪大隊，福建 龍巖 364000）

1 引言

城市建設(shè)規(guī)劃核實工作目前所應(yīng)用的規(guī)劃核實方法基于測距儀、全站儀等，存在著投入大、效率低的劣勢，而無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的引入將實現(xiàn)效率與成本雙控目標(biāo)。借助此項技術(shù)可形成三維實景模型的應(yīng)用效果，在采集待測區(qū)域或項目的相關(guān)要素后，將動態(tài)展現(xiàn)建筑區(qū)域的形狀、高度和位置信息，對于核實測量成果有著正向作用。

2 工程概況

以某建設(shè)項目為例，研究基于無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的城市建設(shè)規(guī)劃核實方法。本項目規(guī)劃用地紅線面積308 213.34 m2。本次測區(qū)具體范圍：東至蔣武路，南臨瓦饒溪，西臨龍巖北出口，北至北外環(huán)。測區(qū)為廠房，房屋以車間為主，周圍居民地較密集，測區(qū)困難類別為Ⅱ類區(qū)。作業(yè)中遵循技術(shù)規(guī)劃書中的原則，按地形、地物要素的采集、表示要求進(jìn)行了測繪，采用全站儀、無人機(jī)等設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過EPS 三維測圖系統(tǒng)繪制1∶500 的地形圖。

3 基于無人機(jī)傾斜攝影的城市建設(shè)規(guī)劃核實方法

3.1 無人機(jī)傾斜攝影模型建立

模型建立的基本流程為：現(xiàn)場勘查，布設(shè)像控點→航線設(shè)計→影像檢查與預(yù)處理→空三加密→糾正DSM，生成TDOM→生成實景三維模型→規(guī)劃要素采集。

規(guī)劃核實測量工作展開需以區(qū)域內(nèi)的三維模型為參照，通過現(xiàn)場勘查作業(yè)區(qū)域，并結(jié)合規(guī)劃范圍布置像控點[1]。飛行前要充分了解現(xiàn)場情況，結(jié)合地空狀況布控飛行軌跡和路線。采取動態(tài)檢查的控制辦法，撥正飛行區(qū)域完全覆蓋核實范圍，根據(jù)質(zhì)量要求監(jiān)測在無人機(jī)飛行期間準(zhǔn)確記錄發(fā)回的影像數(shù)據(jù)。完成飛行任務(wù)后，在軟件中輸入傾斜相片、位置數(shù)據(jù)、傳感器參數(shù)和相機(jī)參數(shù)，并進(jìn)行預(yù)處理，檢查影像質(zhì)量，人工建立影像與控制點間的關(guān)系，匹配多視影像。構(gòu)建航攝像機(jī)、航攝地物和航攝相片間的關(guān)系，完成測量空中三角的任務(wù)，整體對不規(guī)則三角網(wǎng)加密。糾正DSM 影像，生成TDOM，獲取模型結(jié)構(gòu)。利用紋理修正方法，使得到的實景三維模型更為準(zhǔn)確和精細(xì)[2]。結(jié)合實踐經(jīng)驗可知，采集規(guī)劃下模型規(guī)劃像素要根據(jù)影像地面分辨率而定，當(dāng)超出0.02 m 時，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行采集，如此可將精度控制在0.02 m 以下。

布控像控點要根據(jù)無人機(jī)傾斜攝影規(guī)范確定，盡可能挑選視野開闊的區(qū)域作為像控點，避免因其他物體遮擋像控點。地物選擇要滿足不易移動和被破壞的要求，保證外控點標(biāo)識特征明顯。在本工程中，所選擇的外控點是道路標(biāo)線的折點，并在無人機(jī)航飛前將外控點處布置標(biāo)靶，提高參照清晰度。合理檢定外業(yè)控制點聯(lián)測儀器，起算點設(shè)置在已有的測區(qū)控制點，借助CORS 原理進(jìn)行差分解算。由于在核實區(qū)域存在少部分網(wǎng)絡(luò)信號接受能力弱的點位，需要引入快速靜態(tài)定位測量方法，依據(jù)CJJ/T 73—2019《衛(wèi)星定位城市測量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》。

無人機(jī)起飛前要勘察航線覆蓋區(qū)域是否受到機(jī)場、障礙物、強(qiáng)磁性建筑體的影響，在排除影響后，適當(dāng)外擴(kuò)測區(qū)的線路規(guī)劃范圍，依據(jù)測量范圍內(nèi)的最高建筑體確定飛行和返航高度，要求航行高度超出最高位置，并在測區(qū)中心位置安置起降點。航行前要確定天氣情況，需要在10：00～15：00 的晴朗無云天氣開展航測工作，并保證預(yù)定航高與實際航高間的差值不得超出5%，最大與最小航高間的差值不超過30 m，每條航線間不允許存在絕對漏洞和相對漏洞，航向重疊度、旁向重疊度不得低于80%。

配合應(yīng)用全站儀，處理數(shù)據(jù)。全站儀于控制點上設(shè)站采集的地物點與地形點，或采用網(wǎng)絡(luò)RTK 采集明顯地物與地形點，在內(nèi)業(yè)對影像平面與高程質(zhì)量進(jìn)行比較分析，外業(yè)數(shù)據(jù)采集時要求種類包含全面、具有典型意義，點位分布均勻、兼顧明顯與隱蔽，采樣比例適中、能夠反應(yīng)特征[3]。

3.2 規(guī)劃核實應(yīng)用要點

作業(yè)中，已按照地物點的分類和技術(shù)設(shè)計中地形、地物要素的采集、表示與細(xì)部測量技術(shù)要求以及相關(guān)規(guī)范要求，布設(shè)量測像控點，通過大疆精靈4RTK 無人機(jī)獲取的航空攝影數(shù)字像片，在ContextCapture Center 數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)上采用光束法區(qū)域網(wǎng)空三加密對外業(yè)像控成果進(jìn)行加密，建立測區(qū)地形仿真三維模型，通過全站儀、RTK 實地采樣地物、地形點驗證三維模型的平面和高程精度，在滿足精度要求條件下，再通過清華山維EPS3DSurvey 三維測圖軟件，以ContextCapture Center 軟件生成的三維模型為基礎(chǔ)，通過裸眼采編技術(shù)制作1∶500 數(shù)字線劃地形圖。最終提供符合要求的地形圖[4]。

航向重疊度80%，旁向重疊度80%，旋偏角低于25°，傾斜角小于3°，航線彎曲度小于3°。總飛行架次為4，地面分辨率0.02 m，攝區(qū)面積0.31，相對航攝高度為100 m，像控點9 個，點號命名為L01，L02，…，L09。在重疊度滿足范圍線內(nèi)業(yè)生產(chǎn)要求的前提下，本次作業(yè)在航線規(guī)劃時外擴(kuò)距離為100 m，保證了范圍最邊緣區(qū)域的完整性以及后期建模不會出現(xiàn)因照片重疊度不夠而導(dǎo)致的模型重建時出現(xiàn)房子、植被等地物破碎等質(zhì)量問題。

3.2.1 外業(yè)數(shù)據(jù)獲取

大疆精靈4 RTK 相機(jī)采用內(nèi)置相機(jī)，相機(jī)有效像素2 000萬，最大分辨率為5 472×3 078（16∶9）、4 864×3 648（3∶2），相機(jī)焦距為35 mm，相對高度100 m，分辨率為2.74 cm/pix，滿足項目地面分辨率優(yōu)于5 cm 的要求。ContextCapture Master 自動建模系統(tǒng)中自動完成空三計算，采用光束法區(qū)域網(wǎng)整體平差方法進(jìn)行[5]。完成空三解算，選取坐標(biāo)系，導(dǎo)入相應(yīng)的像控點，并完成刺點。

3.2.2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)獲取

居民地、工礦建筑、道路設(shè)施、管線設(shè)施、水系設(shè)施、水稻田等地形地貌測繪采用自動化建模軟件和EPS 三維測圖軟件的三維測圖模塊，以ContextCapture Master 軟件生成的三維模型為基礎(chǔ)，通過裸眼采編技術(shù)生成滿足1∶500 數(shù)字線劃圖規(guī)范要求的地形圖。本測區(qū)采用EPS2019 地理信息工作站進(jìn)行圖形編輯，內(nèi)業(yè)編輯過程中注意了業(yè)務(wù)技術(shù)的統(tǒng)一，圖層、線型、代碼、字體、字高、字寬、均按GB/T 20257.1—2017《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》的要求執(zhí)行。

3.2.3 規(guī)劃核實內(nèi)容

1）核實用地：本項目為出讓地，其用地以土地出讓時的“出讓用地紅線”為準(zhǔn)，故在詳圖中以“審批出讓紅線”落圖，并結(jié)合項目建設(shè)情況，分析形成的實景模型是否存在“超越用地紅線”現(xiàn)象。在實景三維模型中加載用地紅線，采集模型中建筑物的條件點坐標(biāo)，比對成果坐標(biāo)和模型所采集的坐標(biāo)，判定條件點是否正確[6]。

2）計容建筑面積分層圖繪制與面積測算：建設(shè)用地面積以管理部門正式批準(zhǔn)用地范圍的面積為準(zhǔn)，計算出本項目的建筑基底面積、計容建筑面積。規(guī)劃計容計算建筑面積執(zhí)行的是國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50353—2013 《建筑工程建筑面積計算規(guī)范》。房產(chǎn)測繪中計算房屋面積是依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17986.1—2000《房產(chǎn)測量規(guī)范 第1 單元：房產(chǎn)測量規(guī)定》。執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)不同，兩套規(guī)范對面積計算的具體規(guī)定存在不一致的地方，導(dǎo)致計算結(jié)果也會不一致。參照表1 要求對比實景模型確定是否滿足要求。為了保證建設(shè)工程能夠按照規(guī)劃許可進(jìn)行建設(shè)，在竣工之后對本工程進(jìn)行規(guī)劃計容面積核實測量和房產(chǎn)面積測繪。

表1 面積測算精度要求

3）建筑物四至距離及相對關(guān)系要素：量測三維模型上四至距離和相對關(guān)系，利用軟件自帶量圖功能，對比設(shè)計數(shù)據(jù)和量測數(shù)據(jù)，判定是否準(zhǔn)確。

4）建筑物面積、尺寸和高度要素：量測三維模型上建筑物的長寬高，結(jié)合量測數(shù)據(jù)求出對應(yīng)的面積，將底層面積、尺寸和高度與規(guī)劃數(shù)據(jù)比對，判定是否準(zhǔn)確[7]。

3.3 數(shù)據(jù)驗證及分析

3.3.1 坐標(biāo)精度

整理規(guī)劃核實項目中的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計檢測點和外業(yè)實測點，形成表2 所示統(tǒng)計表。

表2 精度統(tǒng)計表

結(jié)合式（1）和式（2）計算各測量點的坐標(biāo)較差，形成誤差統(tǒng)計圖。通過分析統(tǒng)計圖，發(fā)現(xiàn)坐標(biāo)較差最大為20 cm，且主要分布在1～10 cm，說明坐標(biāo)精度滿足規(guī)劃需求。

式中，ΔX 為坐標(biāo)較差；n 為檢測點總數(shù)；m 為成果中誤差；ΔX為X 方向的較差；ΔY 為Y 方向的較差。

3.3.2 邊長精度

整理9 個布控點位上的邊長要素數(shù)據(jù)，采集規(guī)劃核實項目實景三維模型中的建筑邊長、四至距離和高度，統(tǒng)計邊長具體數(shù)值，對比實地量測和模型采集數(shù)據(jù)，作差后取絕對值形成差值分布圖。按照差值0～1 cm、1～5 cm、5～10 cm、10～15 cm、15 cm 分別統(tǒng)計邊長數(shù)量，經(jīng)統(tǒng)計，以上差值范圍下的邊長數(shù)量分別為9、80、21、4、2，求出的平均值為4.2 cm?？梢钥闯?，實測邊長與模型采集邊長的差值平均為4.2 cm，說明核實城市建設(shè)規(guī)劃中的外圍長度要素可應(yīng)用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)。

4 結(jié)語

綜上所述，基于無人機(jī)傾斜攝影的城市建設(shè)規(guī)劃核實方法能夠應(yīng)用于實際工程中，所形成的實景三維模型可真實反映核實區(qū)域的建筑特點。經(jīng)驗證，案例規(guī)劃項目中，核實坐標(biāo)精度可基本控制在1～10 cm，邊長精度基本控制在4.2 cm 左右，符合規(guī)劃核實測量技術(shù)要求。后續(xù)研究中要從檢測機(jī)器人聯(lián)用等智能化角度予以著手，以此貼合當(dāng)前技術(shù)智能化發(fā)展方向。