无人机倾斜摄影和激光雷达技术在城市棚改中的应用

王千秋 郑创彬 李俊杰

（1.广东东软学院 广东省佛山市 528225 2.深圳智航无人机有限公司 广东省深圳市 518100）

随着我国城市化进程的不断推进，棚户区作为我国城市化发展的必然现象，具有长期的历史原因和社会原因，棚户区的整治改造也成为城市发展的重点。对巨量的老旧小区进行翻新和改造，不仅是对各级政府的一场考验，也为房地产行业的转型和发展提供了更多的市场机遇。棚户区在改造过程中，需对范围内部分老旧建筑进行外立面翻新或整栋拆迁，而在设计阶段中，则需对改造范围内建筑有较为直观的认识。棚户区建筑物年代久远、错综复杂、乱搭乱建等问题导致传统方法测算统计房屋建筑面积工作量大、效率低下、周期不可控等问题的出现[1]。利用谷歌卫片无法观测建筑物高度，观测精度不高。因此，我们需要探索新的技术手段来完成高效准确的建筑物测量。

无人机倾斜摄影测量技术和三维激光扫描雷达技术的创新和发展，为城市实景三维建模提供了新的技术路径，使得解决传统测绘技术中遇到数据调查困难的问题成为可能。无人机倾斜摄影技术拥有快速高效、机动灵活、成本低等优点，已逐步打破常规测量的工作模式，在测绘行业的表现可圈可点，并逐渐成为智慧城市建设和旧城区改造的主要技术手段[2]。

本文通过实例分析，在数据采集阶段主要采用了倾斜摄影测量技术和三维激光扫描雷达技术，同时结合ContextCapture、EPS等多种建模软件设计实景三维模型，探究了无人机倾斜摄影测绘技术在棚户区改造三维建模中应用的技术路径。生成的模型可以进行标高量测，建筑尺寸、高度量测，拆迁面积预测算等工作，通过植入改造后模型，可实现现状与设计对比，为城镇老旧小区改造、乡村振兴、矿区环境治理等项目的勘察、设计、结算审核提供可视化、高精度的基础数据信息和设计依据。

1 倾斜摄影测量技术与三维激光雷达扫描技术

倾斜摄影测量技术是国际摄影测量领域近十几年发展起来的一项高新技术，该技术是在无人机飞行器中布置多台传感器，以实现一个垂直、四个倾斜，五个不同的角度同时拍摄成像，提取大量的建筑物顶面及侧视的高清晰图像。它不但能够贴切地反映地物情况，精准地提取物方纹理信息，还能利用最领先的定位、建模、融合等高新技术，生成真实的三维城市模型[3]。倾斜摄影测量技术以大范围、高灵敏、高精度的方式全面感知周边的复杂环境，同时采用先进高效的数据采集装置和专业的数据分析原理，所生成的数据分析成果直观准确地反映地物的外观、位置、高度等属性，为真实效果和测绘级精度提供保障[4-6]，因此倾斜摄影建模数据也逐渐成为城市空间数据框架的重要内容。无人机倾斜测绘技术具有以下优势：

（1）真实性强。不同于传统的正射影像，倾斜摄影测绘技术从不同的角度和方位进行摄影测量，所以测量的数据更加真实、丰富地反映地物外观、位置、高度等属性，给用户呈现符合人眼视觉的真实直观世界。

（2）高效。倾斜摄影相机可借助无人机，快速采集影像数据，配合自动建模系统实现全自动化三维建模，给测绘领域带来革命性的效率提升。

三维激光雷达扫描技术又可以称为“实景复现技术”，可搭载于无人机飞行器，将采集的三维建模数据和三维点云数据通过标准接口的格式转换为其他建模软件直接使用。以三维激光扫描仪为例，无论何种扫描仪，三维激光扫描仪的构造原理都是相似的。通常由一台高速精确的激光测距仪，搭配上一组可以引导激光以均匀的角速度进行扫描的反射棱镜便完成了三维激光扫描仪的主体构造。激光测距仪通过自主发射激光，并接受由自然物表面反射的信号便可以对距离进行测量，针对多个不同的扫描点可测得测站至扫描点的斜距，再配合扫描的水平和垂直方向角，即可计算出每个扫描点与测站的空间相对坐标。如果测站的空间坐标是已知的，那就可得到每一个扫描点的三维坐标[7]。以徕卡某型号三维激光扫描仪为例，此类扫描仪是通过反射镜进行垂直角度的扫描，而水平方向则是通过伺服马达转动仪器来完成水平360度扫描，从而获取三维点云数据，经过后期处理，可逼真再现三维实景。

2 应用案例

2.1 项目概况

测区位于长沙市西文庙坪的棚户区、测区面积约0.3 km2，测区内房屋密集，单靠正射航空影像无法分辨建筑层数，有些建筑由于后期改造重建建筑面积变化量较大，测区内存在大量违建乱建，导致拆迁补偿评估工作量巨大。棚改项目中需要具备高精度的建筑面积数据基础，需要获取现势性较好的三维模型以及需要统计房屋建筑量，同时对沿街面的建筑需要进行高精度的立面数据采集用于后期景观提升设计基础数据，同时开展测量工作也不能影响居民的正常工作生活。无人机倾斜摄影测量技术和激光雷达扫描技术互相融合能很好地解决以上问题。本方案采用无人机挂载5镜头倾斜摄影相机对整体片区进行GSD为1.5厘米/像素的高精度三维建模，由于棚户区道路狭窄建筑立面互相遮挡、电线交错纵横等环境复杂，导致无人机采集的倾斜模型屋檐下、墙面互相遮挡区域出现破洞和拉花现象，所以采用三维激光扫描仪对沿街建筑的立面进行采集，两种方案有机配合优劣互补。

测区范围线如图1所示。

图1：测区范围线

2.2 作业流程

运用无人机搭载倾斜相机或激光扫描仪对现有场景进行多角度环视拍摄，然后利用三维实景建模软件ContextCapture进行处理实现1：1还原实景三维的模拟展示。三维实景建模系统在使用中，能够对模型进行放大、缩小、移动位置、多角度观看等常规操作，还可以查看三维实景模型系统中的建筑物的参数（长，宽，高，面积，体积），最大误差值为百分之一。三维实景建模系统还能够进行场地规划、建筑面积测量以及土方量计算，另外可与实景模型施工进度管理分析软件对接可以对工程项目的施工进度分析，以及实景模型虚拟空间运维管理等。

作业流程如图2所示。

图2：作业流程图

2.3 使用设备

大疆M300无人机（图3）搭载自研五镜头倾斜相机、大疆精灵4RTK（图4）、徕卡RTC360三维激光扫描仪（图5）。自研的五镜头倾斜相机主要用于无人机进行小范围的大比例尺倾斜航空影像数据采集，技术参数见表1，具有DJI SkyPort连接卡口，高度兼容大疆经纬M300 RTK无人机；支持大疆智图建模软件，可实现高精度免像控；下视实时图传显示，地面站实时数据显示等优点。

图3：M300无人机

图4：大疆精灵4RTK

图5：徕卡RTC360三维激光扫描仪

表1：自研五镜头倾斜相机参数

2.4 作业内容

（1）用大疆M300无人机搭载自研五镜头倾斜相机对整个测区进行自动航线扫描，用精灵4 RTK无人机对主要街道建筑进行带状扫描拍摄提高建模精度，所有无人机航片和POS数据进行联合空三解算，如图6所示。然后通过检查点检查空三精度是否符合GB/T 23236-2009《数字摄影测量空中三角测量规范》，最后采用Context Capture Center软件对测区进行重建，得到三维实景模型如图7所示。

图6：空三解算

图7：重建三维模型

（2）同时对主要街道建筑物，采用三维激光扫描仪进行扫描获取点云数据，通过点云数据可对测区房屋附属物（阳台、飘楼）等建筑附属物进行测量，判断出阳台、飘楼的尺寸，大大减少外野调绘工作，为高价值区域拆迁赔偿工作提供更为精确的基础数据。

雷达扫描街道如图8所示，局部街道点云效果如图9所示。

图8：雷达扫描街道

图9：局部街道点云效果

（3）利用EPS软件打开立体测图模式，将“现状测区三维模型”和“2017年户籍CAD图纸”进行立体平面数据联动，人机交互快速定位分析，检查统计各建筑物的变化信息。部分统计数据如表2所示。

表2：部分统计数据表格

3 方案特点

本方案延伸拓展了无人机倾斜摄影技术和三维激光雷达扫描技术在棚户区改造过程中测算建筑面积工作中的应用，通过利用其真实性、准确性和高效性等优势精准、敏捷地完成了测区建筑物面积的测算统计。

（1）项目采用无人机倾斜摄影航空影像和三维激光雷达点云数据作为基础，重建棚改区域改造前的立体三维模型和主要街道三维光点云数据，并对棚改区域的建筑物现状模型和历史户籍CAD图纸信息进行比对，以三维激光点云数据作为辅助，通过建筑物现状模型与历史户籍图纸对比分析调研，高效、准确地识别出建筑面积的变化并统计登记在册，方便政府等职能部门对棚改区的建筑物情况分析评估，同时为后期棚改项目中拆迁赔偿工作和工程预算工作提供数据支持。

（2）采用无人机航空摄影测量和激光雷达扫描的方法，测算棚改区域的建筑物面积，相比于传统人工实地测量既提高数据真实性也提高工作效率，同时数据也具备可追溯性。

（3）多源数据融合和单纯的无人机实景模型相比。无人机实景模型往往会在靠近地面部分模型效果不如三维激光扫描仪采集的三维点云数据。无人机受现场环境影响较大，房屋间距过密地面部分会采集不到影响模型质量产生破洞拉花现象。采用三维激光扫描仪采集地面部分的数据作为无人机数据的补充，不仅能提供精准的地面数据，使项目整体测算精度上提升了一个高度。

4 结束语

对于棚户区大量乱搭违建的不良现象，需对历史房屋户籍资料进行调研、统计、分析，这将为项目过程中拆迁赔偿的面积测算带来巨大的工作量。随着航空摄影技术和三维激光雷达扫描技术的创新和发展，越来越多地应用于城市规划建筑领域当中，利用航空摄影技术和三维激光雷达扫描技术对棚改区域进行数据采集，非接触的对棚改区的建筑物面积进行测算和统计分析，在满足精度要求的同时，数据具备可追溯性、大大降低常规测量的工作量。此创新方案改变了传统测绘工作的习惯，在提高工作效率的同时数据更具真实性、可追溯性。本方案延申了航空摄影测量技术的应用领域，由于航空摄影测量技术可准确高效地重现建筑的三维模型，再结合历史户籍资料的分析调研，便可为政府等职能部门进行拆迁复核提供更多可靠的数据保障，为拆迁征地的经费提供更合理的预算依据。同时也维护了政府和人民的正常利益，无论是经济效益或是社会效益，成果都非常显著。