无人机倾斜摄影测量在竣工规划核实测绘中的应用

无人机倾斜摄影测量是在无人机制造、航空摄影测量以及计算机视觉等技术的推动下迅速崛起的创新技术，这一新兴技术的出现为地理信息领域提供了全新的解决方案。倾斜摄影技术是在传统垂直摄影的基础上发展而来的，其核心原理是通过在同一飞行平台上配置多个镜头的航测相机，或者使用具备倾斜能力的单一镜头相机，对同一地点进行多角度拍摄，这种方式可以从垂直、倾斜等多个视角获取影像数据，实现对地表情况全方位、多角度的全面记录 [11] ，结合影像定位定向系统（position and orientation system,POS）数据及像控点数据，进行影像匹配、空中三角测量、三角网构建、纹理映射等步骤，生产出带有坐标信息的实景三维测绘产品 [6] ，能够真实、直观、精确地反映规划建筑真实面貌，以及纹理信息、地理信息。

2.1竣工规划核实内容

竣工规划核实主要包括以下内容：

1）总平面布局。核查用地范围、平面位置、平面尺寸、建筑间距、建筑退让、出入口位置等。

2）技术指标。核查建设规模、建筑密度、容积率、绿地率、停车泊位等。

3）建筑单体。核查建筑面积、建筑层数、建筑层高、建筑高度、建筑形式、立面造型、外墙装饰材料及色彩等。

4）公共服务及市政配套设施。核查公共服务及市政配套设施位置和规模。

5）建设工程规划许可证的其他技术要求 [12-13] 。

2.2竣工规划核实作业流程

竣工规划核实主要包括以下流程：

1）前期资料准备。收集规划行政审批主管部门审批的规划条件、规划施工图、建筑施工图、外立面效果图以及可能出现的规划许可变更材料，作为后期开展竣工规划核实的依据。

2）竣工规划核实测量。主要包括外业数据采集、内业数据处理，外业数据采集主要包括建（构）筑物高度测量、建设工程竣工地形图测量、建筑面积测量等；内业数据处理主要包括外业基础测绘数据的平差、汇总，建（构）筑物分层平面图、立面图、竣工地形图的绘制，规划条件核实各项指标的核算 [14] ，测绘成果报告的编制与提交。

3）竣工规划核实成果核实。主要包括内业数据核实、外业现场核实，内业数据核实主要包括前期规划审批资料完备性检查，测绘成果报告包含的规划审批数据正确性检查；外业现场核实主要对测量成果报告的准确性以及外立面效果进行核查。

4）成果资料的整理与竣工规划核实合格证的核发。

竣工规划核实关注要素多，精度要求高，传统全站仪、GNSS测量无法高效完成全部要素的测量工作。无人机倾斜摄影测量能够快速获得大范围的倾斜影像，构建实景三维Mesh模型，能够准确反映建构筑的位置、尺寸及其纹理信息，具有高效、直观、可量测和方便后期城市精细管理等特点 [15] 。

3.1高效

无人机为远程操控飞行设备，体积较小，操作便利，受天气、空域影响较低，在测绘行业内多为多旋翼和复合翼类，均为垂直起降型，不需要规划跑道和机场等保障措施，灵活高效、成本低。一般规模的小区从外业影像数据采集到内业成果输出，只需半天到一天，且内业空三处理、Mesh模型构建主要由计算机完成，人工干预少，作业效率高，能够达到一次测绘获得所有要素的目标，尤其对特大异形建筑、规模较大的小区优势更为明显。

3.2直观

无人机倾斜摄影测量可实现竣工规划核实成果的三维可视化，为规划核实人员带来真实、直观的感受，其测量成果更易理解。与传统的正射影像相比，无人机倾斜摄影测量获取的实景三维Mesh模型可提供建（构）筑物任意角度侧面和天面的结构、纹理信息，可任意调整建（构）筑物角度，与规划审批外立面效果图进行比对，确定立面造型、外装材料、建筑色彩落实情况 [14] ，还可辅助查看楼顶是否存在违章建筑 [16] 。

3.3可量测

与传统正射影像相比，实景三维Mesh模型能够全面反映建（构）筑物实际情况，直接量取建（构）筑物平面尺寸、高度、间距、退让等信息，通过应用软件进行地形要素、验收要素提取，可辅助完成竣工测量地形图和其他验收测量成果 [17] 。

3.4三维空间分析

在相关软件平台上可同步展示实景三维Mesh模型和规划施工图，进行叠加分析，核查比对规划施工图中总平面布局信息、绿地规模、停车泊位、公共服务及市政配套设施位置和规模等信息，能够避免大量的外业实地核查作业，极大地提高核实工作效率。除了具备正射影像的二维分析功能外，实景三维Mesh模型还具备独特的三维空间分析功能，利用实景三维的日照分析模拟、坡度坡向分析可以对原来难以核实的日照分析图和竖向设计图进行直观的展示 [18-19] 。验收完成后的实景三维Mesh模型，可以作为城市实景三维更新的重要数据补充 [20] ，辅助完成城市精细化治理。

4.1项目概况

该项目位于山东省日照市东营路以南、碧海路以西，共有单体建筑37栋，总建筑面积240 882.78 m2，总用地面积120 511.6 m2；绿地率≥35%，容积率≤1.45；建筑高度以多层为主，距碧海路红线30 m范围内不超过24 m，距碧海路红线30～33 m。

4.2生产流程

4.2.1方案确定

竣工规划核实对外立面效果要求极高，本项目方案充分考虑测区及其周边建筑物高度，无人机飞行高度采用最低理论值，获得最高分辨率影像。本项目采用的是大疆经纬M300实时差分定位（real-time kinematic,RTK）航拍仪（无人机），搭载睿伯五镜头Riy-D2 PSDK，单镜头图像尺寸为2 400万像素，五镜头总像素约1亿。飞行航线采用S形线路，分两个架次飞行，总共获取8 745张影像。为了保证最终成果满足项目范围覆盖，实际采集范围外扩1个航高，总覆盖面积约0.15 km2。

4.2.2影像及其POS数据获取

本项目实验为满足POS数据精度要求，采用具有后差分功能的无人机飞行平台，通过5个镜头独立触发后处理动态定位（postprocessed kinematic,PPK）记录5个POS数据，从而获取高精度位置坐标数据。

4.2.3像控点的布设与量测

像控点的布设位置、精度和密度直接决定空三精度，以及建（构）筑物的绝对位置准确性。本次项目实验均匀布设5个像控点，4个检查点，每个点独立观测3次，每次采集30个历元，采样间隔1 s。采集获取的原始坐标是GNSS-RTK技术获取的2000国家大地坐标系（ChinaGeodetic Coordinate System 2000,CGCS2000）坐标，测量精度参照《城市测量规范：CJJ/T 8—2011》三级控制点精度指标。像制点布设如图1所示。

图1 像控点布设位置示意图

4.2.4内业数据处理

内业数据处理包括影像预处理、空三加密、影像匹配、白模构建、纹理映射等内容 [21] 。本文采用Smart3D软件进行空三解算。通过自动匹配和手动添加的方式完成相片的连接，上下视差中误差不超过1/3像素。根据外业照片像控点刺点，刺点误差不超过1/2像素，然后进行区域网平差计算，绝对定向

4.3成果精度分析与应用

竣工规划核实的核心内容是核实建构筑物的平面尺寸、高度、间距等内容，因此实景三维Mesh模型的精度要满足传统测量方法的精度要求 [22] 。

依据《城市测量规范：CJJ/T 8—2011》，涉及规划条件的地物点相对邻近图根点的点位中误差不应大于50 mm，地物点的高程中误差不应大于40 mm。本文采用RTK结合全站仪的方法进行倾斜模型的精度检测，检验方法的精度高于被检验点的测量精度

4.3.1平面误差统计

在实景三维成果模型中提取50个房屋边角点的坐标进行检查。经计算本次试验平面点位中误差为48 mm，表明本次试验成果的平面精度满足规范的精度要求。

4.3.2高程误差统计

在实景三维成果模型中提取50个小区路面标线拐点的高程进行检查，经过计算得到本次试验高程点位中误差为36 mm，表明本次试验成果的高程精度满足规范的精度要求。

4.4成果应用主要技术优势

无人机倾斜摄影测量获取的实景三维Mesh模型、正射影像等测绘数据，能够极大地丰富竣工规划核实的数据成果，辅助工作人员高效、直观、科学地完成规划核实工作，相比传统测量手段具有明显的技术优势。

4.4.1作业效率高，人工干预少

本项目采用传统野外数字化测量方式，外业测量工作需3天，内业成图需2天；采用倾斜摄影测量方式，外业测量工作需0.5天，自动化建模需0.5天，内业成图需2天，且自动化建模不需要人工干预，由计算机自动完成。因此，无人机倾斜摄影测量可有效节省作业时间，提高工作效率，针对导线布设困难区域，优势更为明显。

4.4.2真实直观，纹理丰富

建（构）筑物立面造型、外墙装饰材料及色彩是竣工规划核实的重要组成部分，传统核实方法是通过对建（构）筑物四个立面进行拍照比对，受拍摄角度及位置的限制，往往无法获得与审批效果图同样视角的照片。倾斜摄影测量生成的实景三维Mesh模型成果，能够真实还原建（构）筑物的结构纹理信息，并且不受视角限制。另外，还可以直观展示小区完工情况，楼顶是否存在违章建筑等信息，图2为实景三维Mesh模型与规划效果图对比效果。

图2 规划审批效果与实景三维Mesh模型对比

4.4.3全场景可测量，辅助测绘成图

在应用软件中加载实景三维Mesh模型，可直接拾取房屋边角点坐标，量测建（构）筑物的面宽、进深及高程。利用无人机摄影测量获取的正射影像结合实景三维Mesh模型进行高精度大比例尺竣工测量地形图数据的矢量采集工作，可大量减少外业调绘工作量，减少成图时间，竣工测量地形图如图3所示。

图3 1∶500竣工测量地形图

4.4.4三维空间分析，减少外业实地核查

在应用软件中分屏同步显示小区任意区域实景三维Mesh模型和规划施工图审批情况，如图4所示，可在室内核查比对规划施工图中总平面布局、绿地规模、停车泊位、开口位置和宽度、公共服务及市政配套设施位置和规模等信息，减少外业核查工作量。实景三维Mesh模型特有的三维空间分析功能，让规划核实工作更加科学、直观，图5为实景三维Mesh模型不同时间的日照分析模拟 [18-19] 。

图4 实景三维Mesh模型和规划施工图对比展示

图5 项目日照分析模拟

将无人机倾斜摄影获取的实景三维数据汇总到竣工规划核实测绘成果资料中，能够丰富竣工规划核实的数据成果内涵，提高竣工规划核实工作效率。本文通过具体的项目案例证明无人机倾斜摄影辅助竣工规划核实具备可行性，平面和高程精度满足要求，能够避免大量外业核查工作，具有高效、直观、精确的特性。

不足与展望：无人机倾斜摄影测量成果不能反映建筑物内部结构，对于层高、部分公共服务设施配建等规划条件核实无法满足；对于高层住宅小区，由于航高限制，无法完成高分辨率数据采集，点位中误差往往超过50 mm；底层或有屋檐的建筑存在空洞、拉花等现象，小区内部楼层较高，间距较小时，会导致建筑物顶部重叠率较低、楼层底部分辨率下降。下一步可考虑融合传统测量手段和地面三维激光扫描技术进行补充测量 [23] 。