无人机摄影测量在屋顶平改坡规划中的应用

吴章亮

(福建省地质工程勘察院，福州，350002)

平屋顶改造为坡屋顶称为“平改坡”，平改坡能够有效解决原平屋顶住宅存有渗漏、隔热差现象，推进城镇环境综合整治[1]。平改坡需要获取精确的屋顶信息，传统的测量方法采用人工拉皮尺测量，测绘工作人员在楼顶高空作业，不仅存在人工成本高、工作效率低的问题，而且测量过程中具有一定的风险。随着无人机行业的发展，无人机遥感技术获取数据和处理数据的效率和精度不断提高，具有操作灵活便捷、机动性强，数据精度高、分辨率高的优势，解决了传统测量的不足，成为获取地理数据的重要手段[2]。根据漳州市对铁路沿线村庄屋顶平改坡项目规划，结合现场踏勘的实地环境，采用了四旋翼自带RTK无人机摄影测量的方法可免像控获取高清影像数据。基于无人机获取的高分辨率影像数据，根据角美镇铁路沿线房屋屋顶平改坡进行的二、三维效果展示以及改造面积的量算、统计归档，其中三维成果主要为平改坡房屋倾斜三维模型，每栋房屋倾斜模型均需要达到1∶500地形图测绘精度要求，这为后续屋顶平改坡改造提供数据支持。

1 数据与方法

该项目研究区域位于福建省漳州市，紧邻铁路及高速公路，生态环境良好。但早年前，房屋建筑分布参差不齐，而且密集，屋顶风貌较差，为推进小城镇环境综合整治，政府将其列入了铁路沿线房屋整治的重要整治区域，航线规划及测区示意见图1。该次项目采用大疆精灵Phantom 4 RTK无人机获取测区影像数据，精灵Phantom 4 RTK搭载1英寸2000万像素CMOS传感器捕捉高清影像。机械快门支持高速飞行拍摄，消除“果冻效应”，有效避免建图精度降低。借助高解析度影像，精灵Phantom 4 RTK在100 m飞行高度中的地面采样距离(GSD)可达2.74 cm。通过将厘米级导航定位系统和高性能成像系统进行结合，对起降场地要求较低、能够大幅减少以往航测中所需的地面控制点，简化作业流程，降低时间成本，提升航测效率[3]。

图1 航线规划及测区示意图Fig.1 Air route planning and survey area schematic diagram

1.1 无人机摄影测量技术方案

项目实施通常需要3个步骤，包括制定项目实施的规划、数据获取以及数据处理。通过结合测区环境现状和多旋翼无人机的摄影测量的特点，合理规划项目。然后通过无人机摄影测量技术，全面获取测区高清影像数据。最后根据项目要求，对数据进行处理，获取二、三维成果图。数据获取之前需要对项目进行规划，为后期模型的构建提供数据支持，合理地规划能够较大提高工作效率。需对测区及测区周围环境进行实地踏勘，采集测区的地形特征、整体布局，测区周围的房屋建筑、道路交通、人口密度等信息；观察无人机作业地点距离高铁铁道远近程度，决定采取多少高度飞行[4]。同时要注意四周行人与障碍物，为起降场地的选取、航线规划、应急预案制订等提供资料。通过现场测区勘察环境和自身的设备准备情况，确定起飞场地，预设精灵Phantom 4 RTK飞行高度120 m，拍摄重叠率80%，旁向重叠70%等相关飞行参数。

初步完成项目规划后，对项目任务进行推演。通过对无人机航空测量效果的预估和判断，对项目任务规划结果进行动态推演，对拟制完成的测图计划进行正确分析，反馈指导决策，形成最终项目规划，选取合适天气进行数据获取。无人机摄影测量流程(图2)。

1.2 无人机影像数据获取

无人机影像数据采集是通过无线电遥控设备或机载计算机程控系统进行操控手动或自动进行作业任务[5]。该项目主要针对测区进行数字正射影像(DOM，Digital Orthophoto Map)和实景三维模型的构建，正射影像是照相镜头垂直90°往地面拍摄，三维模型需要对每个地物多角度进行航拍，采用倾斜摄影的方法建立三维建模。在无人机飞行前需要检查相关的参数设置，检查无误后即可按照规划线路进行自动飞行。由于测区内部分村落房屋相互挨连、相对紧密，为达到更好的三维建模效果，在规划航线自动飞行作业任务的基础上，人工手动对房屋进行环绕补拍。

图2 无人机摄影测量流程Fig.2 UAV photogrammetry process

Phantom 4 RTK采用双备份GNSS系统，机上有GNSS差分天线模块，采用实时差分定位技术，可使定位精度达到厘米级。本项目航测区域零散、单个测区面积较小，所以无人机航飞采用网络RTK模式，免去外业像控点的布设及采集工作。数据采集完成后需要检查数据是否完整，POS数据是否齐全，主要检查航带变化处的相片号，防止POS数据中的相片号与影像数据相片号没有一一对应，出现不合格的影像数据；需保证影像数据质量能够输出正射影像图和倾斜三维模型，检测完成后即完成此次航拍任务[6]。

2 项目成果

2.1 正射影像图

无人机获取的原始数据包括高分辨率影像数据和POS数据[7]。将原始资料数据导入到Pix 4D mappe中建立测区进行处理，确认原始数据的完整性。查看快速处理得到的数字正射影像图和数字表面模型(DSM,Digital Surface Model)成果(图3、图4)，数字正射影像生成效率高，具有较高的精度，影像信息丰富，真实客观地反映测区房屋的方位等空间信息，能够有效监测测区屋顶信息。

2.2 无人机倾斜实景三维建模

无人机倾斜模型采用倾斜摄影测量的方法进行三维建模。利用无人机搭载高清相机传感器获取研究对象不同角度的影像数据。采集的影像数据处理软件采用Bentley公司的实景建模软件——Contextcapture (原名Smart 3D Capture)，该软件可执行自动空中三角测量和三维重建。通过自动识别每张相片的相对位置和方向，校准所有图像，利用自动三维重建、纹理映射以及对捆绑关系和重建约束的重新处理，确保得到高精度的模型，生成具有高分辨率的实景三维模型[8]。生成的无人机倾斜模型以更加立体直观的方式展示，模型中具有丰富空间数据，提供高质量的实景信息，部分房屋无人机倾斜模型[9](图5)。

图3 数字正射影像图Fig.3 Orthographic image

图4 数字表面模型Fig.4 Digital surface model

图5 无人机倾斜模型Fig.5 Tilt model of UAV

2.3 屋顶平面图采集

基于构建的倾斜无人机倾斜模型进行屋顶信息数据的采集。首先进行平面图数据的获取，采用EPS 3D Survey三维测图系统进行平面图的绘制。测图前需要添加编辑平台、三维浏览、倾斜摄影三维测图模块，选择1∶500的比例尺，即选择基础地理标准为-500。在制图前，需要先生成数字表面模型dsm文件，还可以加载二维正射影像图。加载正射影像图可以对测图过程进行监测，不仅从三维视图进行绘制，还能在正射影像图中查看是否采集正确。依据EPS绘制屋顶平面图流程(图6)，二维线划图绘制严格按照1∶500测图规范要求进行绘制屋顶平面图[10](图7)。

图6 EPS绘制屋顶平面图流程图Fig.6 The flow chart of EPS draw a roof plan

图7 EPS绘制屋顶平面图Fig.7 The plan of EPS draw a roof

绘制好所有平面图后，即可进行面积量算与统计。在CASS软件中将EPS绘制的DWG图进行框裱，每栋房子用一个框裱文件存储。使用面积量测工具对屋顶的各立面进行量测，填入框图中，计算总面积。

通过以上两个步骤处理，可全面获取屋顶的二维、三维空间信息。将每栋房屋CAD制作屋顶平面示意图及面积统计，填入行政村、编号、户主、日期、边长尺寸等信息，每栋单独储存为DWG文件进行汇总，为屋顶改造提供数据支持。

2.4 线画图精度验证

传统采用人工进行平改坡屋顶测量存在危险系数高、测量难度大、效率低等问题。因此，该研究采用三维激光点云数据进行平改坡线画图的精度验证，相比全站仪等单点测量方式，三维激光扫描具有较高的测量精度，可达到毫米级精度，扫描速度快，自动获取点云数据，减少人为观测误差。结合影像数据可生成真彩色点云模型，该模型具有测量对象高精度的三维空间信息，可进行点、线、面要素的量测(图8)。但在建筑屋顶测量中，机载LiDAR成本高数据量大，而架站式三维激光较难进行房屋屋顶部分的扫描，无法满足所有房顶的扫描测量。因此，该研究选取两栋架站条件较优的平改坡对象，进行屋顶部分三维激光扫描，经过点云数据处理后，随机选取其中4条边长和4个面积进行线画图成果的精度验证(表1)。

图8 点云模型边长测量Fig.8 Side length measurement of the point cloud model

表1 线画图精度验证

验证结果显示，边长误差在2 cm以内，面积误差在0.04 m2以内，无论是边长精度还是面积精度都满足了该工程测图精度要求。由此可得，该研究通过获取平改坡对象的倾斜模型数据，再结合三维绘图软件生成平改坡线画图的方法是有效可行的。

3 总结

平改坡是城镇化建设和环境整治的重要措施，笔者以铁路沿线村庄屋顶平改坡为研究对象，开展了基于无人机摄影测量方法进行屋顶平改坡规划的三维测绘。首先通过无人机影像数据构建数字正射影像和倾斜实景三维模型，能够快速获取建筑物的信息，包含了城市房屋的外框信息和高程信息，以及房顶的矢量信息。房顶平改坡改造后的成效以无人机倾斜模型真实可视化的形式展示，可直观的表达显示出小城镇综合治理效果。其次通过无人机摄影测量技术用于测量平改坡屋顶改造面积大小，绘制每家每户改造面积状况平面图并按村级、镇级等逐级统计汇总，辅助改造费用预算评估。测区所有平改坡屋顶二维线画图以及房屋倾斜模型，已交付城镇建设单位并成功应用于后续屋顶改造。该方法具有工程实践意义，信息数据真实可靠，有效推动城镇化建设和环境治理。