测绘新技术在棚户区违建监管中的应用

黄德伦 廉 琦

贵州省地质矿产勘查开发局测绘院，贵州贵阳 550018

倾斜摄影测量技术作为一项新的测量技术，其改变了传统无人机航摄影像只能获取垂直方向影像的限制，倾斜摄影测量技术通过无人机平台，搭载5台多方位传感器，从正射和周围四个角度对地面情况进行摄影，从而获的垂直方向、侧视方向等不同角度的影像数据，通过三维建模，就可以逼真的反映地面物体的实际面貌，客观的呈现地面建筑物的外型、结构和高度等属性。因此，随着倾斜摄影测量技术发展，获取地面物体三维信息的能力越来越强，应用越来越广泛，满足人们对三维信息的需要。将获取的三维立体数据用于建模，获取棚户区三维立体模型，给监管部门提供直观真实的三维景观情况。通过不定期三维模型更新获取相应模型变化数据，从而获得相关区域的变化信息，便于监管部门做好监管工作，提高工作效率，降低工作难度和成本。

目前，倾斜摄影测量技术主要依赖无人机等空中飞行平台，从根本上将传统测量技术进行了一次大的提升，同时促进了测量精度的提高，该技术已经开始广泛应用于现实的生产实践过程中。

本文将对倾斜摄影测量技术在本项目的应用现状以及发展领域进行了深入研究，希望能为有关方面提供一些有效帮助。

1 项目具体情况

项目区位于县城周边，由于国家加大对城市周边棚户区改造力度，该区域现纳入棚户区改造计划。由于老百姓对棚户区改造有所了解，导致违法乱建十分猖獗、平凡，这种“种房”行为带来了很多不良影响和安全隐患，也给后期城市统一规划建设和棚户区拆迁带来很多困难。为了促进城市的健康发展，必须加强对棚户区的实时监控和违法建筑的拆除处理。

贵州省地质矿产勘查开发局测绘院现承担贵州某县城城市周边棚户区违法乱建建筑拆迁监测任务，按照传统监测要求，采用传统测量方式进行违法建筑测量，工作强度大、效率低、成本高、工期长，不利于及时反馈违法建筑信息给主管部门，再加上棚户区处于城市重要地段，违法乱建频繁，政府监管难度较大；其次，如果采用传统摄影测量，只能获取正射影像，虽能发现部分违法建筑，但是很难掌握违建的数量、楼层和相关结构，要获取违建建筑具体情况，还要实地核实取样，难度依然不小，基于以上特点，结合我单位现有技术，决定采用倾斜摄影测量技术加三维建模技术实现对棚户区的实时监控，将有关变化区域及变化情况及时提供给主管部门，保证其对违法建筑或者正在进行的违法建设行为进行管控，提高其管理效率，降低其管理难度，节约其管理成本，同时也增加了测量新技术在现有社会中的应用前景。

2 无人机倾斜摄影测量

近年发展起来的无人机倾斜摄影测量技术，可以在大范围内，超高清晰度和高精确度地全面拍摄复杂场景，通过高效率、快速性的数据采集设备，直观地反映复杂环境的整体外观、地物相关位置和地物高度等属性，为复杂场景的真实效果和测绘级精度提供有效保证。正是基于这些优点，本文将此技术应用于城市棚户区违建监测。通过三维建模，在测绘行业、城市规划行业、旅游业等行业中应用越来越广泛，越来越深入。

倾斜摄影原理就是以无人机为平台，由单一正射传感器演变为多方位传感器，现常用5个镜头的相机。摄取影像范围更广，利用倾斜摄影测量获得影像数据进行点云信息后处理，快速有效地实现三维立体模型构建。在建筑物外表面模型的构建过程中，倾斜摄影技术获得的垂直影像和倾斜影像的优点就显现出来了，倾斜摄影技术获取的多视角影像数据可以更好地观察建筑物各个侧面，这一显著特点有效地满足了生成建筑物表面纹理的需要。对同一区域拍进行倾斜摄影测量，可以快速获取相关区域的三维立体模型。垂直和倾斜摄影原理如图1所示。

图1 垂直和倾斜摄影原理

航线设计需要的条件是无人机飞行的高度。航高需要根据项目要求，选取合适的地面分辨率，综合分析倾斜相机的各项性能，来求其计算公式。相关运算公式为：

式中：H—航摄高度（m）；f—镜头焦距（mm）；α—像元尺寸（mm）；GSD—地面分辨率（m）。

航空摄影测量规范要求，航向重叠度一般是60%～80%，最小不小于53%；旁向重叠度一般是15%～60%，最小不小于8%。但是无人机倾斜摄影时要求更高，规范要求的旁向重叠度是不够的。根据该棚户区实际情况，本项目采用67%重叠。

在无人机倾斜摄影时无法保证航向覆盖大于摄区边界线两条基线的基本要求，旁向覆盖大于摄区边界线像幅的50%。因此，综合分析项目区的地形、建筑密度和高差等情况，按照如下公式计算航线外展的宽度。计算公式如下：

式中：L—外展宽度；H1—相对航高；tan θ —相机倾角；H2—基准面高度；H3—测区边缘最低点高度；L1—半个像幅对应的水平距离。

像控测量是为了保证空三加密的精度，确定地面建筑物的空间中绝对位置。倾斜摄影测量相对于传统摄影测量在影像重叠度上要求更高，无人机通常采用GPS定位模式，自身带有POS数据，可以提高空三计算的准确度。

通过无人机航拍的倾斜摄影数据，利用建模软件建模，将摄影数据导入到建模软件中，通过计算机图形计算，结合POS信息空三处理，生成点云，点云构成格网，格网结合影像生成赋有纹理的空间三维立体模型。针对城市棚户区这样复杂的航摄区域，能够确保航摄时的灵活性。同时，通过倾斜摄影测量这项测绘新技术，实现棚户区违法建筑的数据不断更新，及时有效的为城市棚户区管理提供更真实合理的执法依据和管理效能。

3 三维模型构建

现阶段市场上使用的建模软件有很多，如Bently公司的ContextCapture（Smart3D），Agisoft公司的PhotoScan，Pix4D公司Pix4Dmapper，我们采用的是Smart3D，它是一套无需人工干预，通过影像自动生成高分辨率的三维立体模型。Smart3D通过一组相对静态的建模主体，以多角度获取的数码影像作为数据源。这些影像数据需要传感属性、照片位置参数、照片姿态参数、像控点等信息辅助。它不需要人工干预，在几小时的计算时间内，根据输入的数据大小，获取逼近真实纹理的高分辨率三角格网模型，这个模型能够精准的复原出建筑物的真实色彩、几何形态和文理细节构成。Acute3DViewer支持软件的原生s3c格式来查看浏览模型，它也整合了三维测量工具和瓦片选择工具，测量方面包括三维空间位置、三维距离和高差等信息。这里的瓦片选择工具用于后期模型的核心区域提取和重建。

4 城市棚户区三维立体模型生产成果

城市棚户区违法乱建航摄过程中，利用无人机倾斜摄影测量技术，按照一定的重叠度和航线条数，通过数万的曝光点获取相应的照片，平均的分辨率为4cm，最高要达到3cm。通过无人机倾斜摄影测量后可以获取如图2和图3的正射影像和倾斜影像。航摄区域飞行完成后，利用相关解压软件对航摄数据进行解压，再利用卫星星历进行精密解算，得出航摄区域影像数据的空间坐标系成果，从而获取良好的定位信息。

图2 正射拍摄影像

图3 倾斜拍摄影像

在获取相关的影像数据后，通过野外像控测量获得的控制点成果，通过Smart3D软件进行三维建模，主要采用主从模式（Master-Worker），在多台计算机上运行多个 ContextCaptureEngine，并将它们关联到工作站集群处理，大幅降低处理时间。从而获取相应的三维立体模型。如图4所示，通过三维立体模型图，就可清楚的查看城市棚户区内哪些房屋是违法建筑，便于政府监督管理部门实时掌握该区域违法乱建活动。

图4 三维立体图

5 结语

通过本项目实践得出，无人机倾斜摄影测量+三维立体模型在城市棚户区违反乱建监管中起到了良好作用，大大节省了违法建设监督的人力、物力，降低了政府违建监督检查成本，同时也更加科学的规范了城市用地监督管理，值得推广使用。通过本项目实践，可以预测该技术将来在城市规划、旅游开发、公路、铁路建设，河流污染、环境保护等方面将发挥积极作用。