无人机倾斜摄影测量在城市更新中的应用

李吉安 辛众才 张峻豪 武庆路

摘要：城市更新是将城市中已经不适应现代化城市社会生活的地区做必要的、有规划的改建，同时留存城市文脉的过程。城市更新是促进城市转型发展、实现城市精明增长的重要途径。作为城市更新的主要手段之一，棚改旧改是“打造四个中心，建设现代泉城”的先手棋，是济南市市委、市政府确定的“1+454”工作体系的重要组成部分。无人机倾斜摄影测量是通过倾斜云台与相机获取地物多个角度的纹理，辅以控制点，然后利用计算机视觉原理对倾斜影像进行关键点提取和匹配，生成实景三维模型及多种三维模型附属产品，如正射影像、数字线划图等，进而为城市更新提供数据支撑。

关键词：无人机倾斜摄影测量;城市更新;应用

前言

基础数据调查作为城市更新改造中的一项重要工作，它为制定城市更新改造方案、测算经济平衡，并为改造过程中的融资、补偿、安置、复建等工作提供了重要的技术支持。传统的基础数据调查采用常规测绘仪器，如全站仪、GPS-RTK进行作业，不仅效率低下、费时费力，而且仅从二维角度来反应改造片区的地理信息，使用起来制约因素非常多，目前已难以满足城市更新改造工作的需求。近年来，无人机倾斜摄影测量技术能以高效率、高精度、高清晰的方式全面感知地面复杂的场景而备受关注，当前已成为测绘领域研究和应用的一项重要课题。

1无人机倾斜摄影测量技术

我国在2010年将倾斜摄影测量技术引进国内，它是国际航空遥感领域近些年逐渐发展成熟的一项全新的测绘新技术。它的原理是通过在无人机飞行平台上携带5镜头高像素数码相机，同时从1个垂直和4个倾斜角度来拍摄物体的影像，其中垂直于地面的正片用于制作傳统的DOM、DEM、DSM、DLG产品，另4组斜片可用于获取地物的纹理信息，再借助全自动高性能后处理系统，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，将大众带入贴合人眼视觉感官的真实世界。无人机倾斜摄影测量技术具有以下特点：①快速获取大范围地物空间信息及多角度影像信息。②反映城市真实三维地形情况，实现真正的实景三维城市建模。③模型精度高、要素全面、细节丰富且纹理真实，能满足11000测图要求。④效率高、周期短，5个月完成中等城市采集、建模。⑤基于三维实景城市进行量测、分析应用。

2无人机倾斜摄影测量主要技术问题及解决方法

2.1像控点布设

本项目的像片控制测量布点方案为非全野外布点。1）像控点精度为了满足对待更新区的分析和数据支撑，本项目提高了控制点的精度要求，要求平高控制点的平面位置中误差小于等于0.12m，高程中误差小于等于0.2m。2）像控点在实地上的选取①刺点是在影像上做标记，以便于在实地选点，刺点目标应依据测区特点和技术要求进行综合选择。②像控点的选取处要求影像必须清晰，选择的点位足够小，与其他地物区分明显。3）像控点在像片上选取①控制点目标影像应容易判别。②不同区域间高精度控制点应尽量共用，否则按不同要求分别布点。③像控点距像片边缘应不小于1.5cm。

2.2空三加密

1）每个像对不少于6个内业加密点。2）选点目标在本片和邻片上都应位于影像清晰的地形点上。3）旁向重叠过大或过小应分别选点，两点至旁向重叠中线垂足之和不大于1.5cm。

2.3三维建模流程

将整理后的原始数据导入ContextCapture软件，经像控点内业加密、特征点提取、特征点匹配、初定向、光束法平差、自动空三计算、构建TIN模型、贴纹理、构建三维模型等步骤，实现实景三维建模。整个过程自动化程度高，正射影像和倾斜影像全自动联合空三，为地物创建高密度的不规则三角网，并自动贴纹理。

2.4正射影像与数字线划图的生产

正射影像可以在生产实景三维模型时通过Smart3DCapture软件自动生成，数字线划图可以在实景三维模型与正射影像的基础上，利用清华山维成图软件绘制而成。

2.5技术难点及解决方案

1）起飞场地选择起飞场地尽量选择在地势较高、地面平坦、视野开阔之处。2）航线规划根据每个测区的起飞场地，通过航线规划调整开始拍照的第一点与最后一个点，将飞行效率最大化。根据测区内建筑物密集程度，必要时可以采用局部加密的办法进行航线规划;如果实景三维模型对地面模型的精细化程度要求较高，还可以通过航线规划让飞机进行“螺旋上升”或“螺旋下降”的方法进行倾斜摄影拍照来提高实景三维模型的精细度。3）坐标系当坐标不一致时需要进行坐标转换，本文以高斯-克吕格投影与UTM投影像话转换为例进行说明：根据UTM投影与高斯投影的关系，创建Smart3DCapture下的高斯平面坐标系。4）集群运算鉴于Smart3DCapture三维构建运算的本质，海量数据的解析运算会占用大量的计算机资源，而再好的单台计算机也无法胜过多台计算机的并行运算能力，故而借助局域网使得多台计算机设备集群进行三维构建运算，从而大大提高内业运算效率。5）模型修补某些情况下，生成的实景三维模型会带有一些错误需要修正（如影像拍摄不完全的建筑底商部分，高反光的部分、水面，碎片等）。简单的水面约束可通过谷歌地球实现;复杂的修补需要借助第三方软件，如天际航的DPModeler。

3模型精度及分析

按照测区个数和测区总面积的20%随机抽取各测区，并选取抽取测区中均匀分布的检查点进行精度检查。通过内业量测实景三维模型上检查点的三维坐标与这些检查点的外业实测值进行比对，可分析三维模型的精度。精度指标分别从平面坐标（x）、平面坐标（y）、高程（z）3个方面进行比对和衡量。根据各精度统计表：实景三维模型的平面误差一般为0.2m左右，最大不超过0.3m;高程误差一般为0.3m左右，最大不超过0.4m。因此，本项目生产的三维模型精度完全可以满足待更新区1∶500地形图测制与数据分析的要求。

4工程应用及结论

通过对待更新区开展无人机倾斜摄影测量，生成实景三维模型、实景三维精细模型（二者合称为三维模型成果），进而生成正射影像与数字线划图（二者与三维模型成果合称为基础影像）。本文通过基础影像成果了解待更新区的项目现状和结构形态，全面分析项目的现状特点。科学、真实、直观、精细、准确的三维模型成果可以为提升城市更新方案的制订提供科学性、合理性和针对性的建议;为系统掌握项目范围内各类建筑情况和形成过程、界定违法违章建筑、控制违章建筑增量、降低更新改造成本提供数据支撑;为记录城市发展变迁，保护和传承城市历史文脉，展现城市更新工作提供数据成果。

结束语

相较于传统测绘模式，无人机倾斜摄影测量技术具有高效快捷、机动性强、时效性优、高精度、高清晰等优势，为城市更新改造中的基础数据调查提供了全新的方式。广州市房地产测绘院积极引进无人机倾斜摄影测量技术，广泛拓展应用领域，探索出了一系列的倾斜摄影技术实施和应用路线，在治安管理、美丽乡村建设、路桥建设拆迁房屋现状摸查、城市违法建筑巡查、城市应急测绘、工程规划土石方计算等方面也取得突破性进展。

参考文献：

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