空地一体化测绘在城市更新中的应用

0 引言

广州市建设用地供需存在很大矛盾,后备资源不足,增量极为有限,普通项目落地需要通过城市更新方式进行供地,可见城市更新对广州市城市的发展而言具有重要的意义,而城市更新离不开基础数据调查,其每年的调查范围超过100平方公里,其中1:500地形图和房屋测绘占了80%以上的工作量,目前1:500地形图主要采用GPS-RTK和全站仪进行测量,房屋主要通过激光测距仪进行测量,工作效率低、工期长、成本高,满足不了实际需要。

无人机倾斜摄影和地面三维激光扫描技术的出现,以其明显优势,很快就在测绘行业中脱颖而出。但是两者都存在一些不足,无人机倾斜摄影可以快速获取平面精度较高的DOM数据,但是其高程精度较差,并且在近地面区域会出现盲区[1],而且需要布设较多的像控点以提高测图精度;而地面三维激光扫描能有效地获取地面高精度高程数据,但受视角的限制,在一定高度以上也容易出现盲区。若将两种技术相结合,各自发挥自己的优势,构成空地一体化测绘,可以有效地解决这些问题,其优点一是三维激光扫描可以较好地优化无人机高程精度;二是两者的盲区刚好相反,可以进行相互补充[2],达到全方位测图的效果;三是三维激光扫描可以为无人机倾斜摄影提供像控点,减少外业工作量。

空地一体化测绘为城市更新基础数据调查带来了良好的契机,对于城市更新项目工期、质量、成本等控制具有很重要的意义。

1 无人机倾斜摄影与地面三维激光扫描技术简介

1.1 无人机倾斜摄影技术

1.1.1 技术原理

无人机倾斜摄影技术是测绘领域近些年迅速发展起来的一项高新技术,它颠覆了传统测绘模式,已经广泛应用于国土监测、地图更新、数字城市建模等方面,带领大众进入了真实的直观世界。

点云模型配准是无人机与三维激光扫描空地一体化的关键技术,由于外业点云扫描时,一个测站扫描到的点云范围有限,需要将所有站点的点云拼接起来,其实质就是求取两站点之间的旋转平移矩阵,将源点云变换到目标点云相同的坐标系下,分为粗配准和精配准,粗配准是在完全不知道两个站点之间的相互关系的情况下找到近似的旋转平移矩阵,精配准是在粗配准后的基础上进一步迭代计算出更加精准的旋转平移矩阵。其总体思路是利用RTK采集坐标信息,实现坐标系的三维变换与影像绝对定向,建立点云模型大地坐标系统,关键问题是要获取精确的摄站点坐标。通过地面三维激光扫描获取的点云数据要为无人机倾斜摄影影像提供像控点,就要求点云数据能够快速地进行平差处理,采用GPS技术,辅助平差计算,其与GPS辅助空三测量原理相同,利用差分GPS获得摄站点坐标,作为区域网平差中附加的非摄影测量观测值,取代或减少地面控制点的布设[13],但是在实际作业中,由于相机的快门延迟、信号传输延迟等原因想要获得很精确的摄站点坐标存在一定的困难,所以必须突破传统的方法,可以采用事后处理方法获得摄站点坐标的方法,其思路是根据相邻两张照片相对定向过程计算出像对中相机的相对位置和姿态;经过模型和航带连接成自由网后,将相机所有的位置变换到摄影测量坐标系中,形成一条具有逻辑关系的空间三维曲线,曲线的每一个离散点都拥有准确的地理位置,根据该三维曲线,通过一定的算法来进行约束计算,这些复杂的计算可以交给计算机自动计算,不需要太多的人工干预,就能得到精确的摄站点坐标,解决了点云模型配准的关键问题。

空地一体化测绘技术与单纯的无人机倾斜摄影相比,增强了无人机倾斜摄影本身固有的优势,较好地弥补了它的不足,主要体现在:

图1 无人机倾斜摄影系统构成

1.2.1 技术原理

无人机倾斜摄影具有以下优势:(1)高效率,外业采集速度快捷方便,对飞行场地的要求不高,空域审批简单;(2)飞行高度低,可以多角度、多方位获取丰富的地物信息;(3)自动化处理程度高,内业数据处理不需要太多的人工干预;(4)精度高,可以达到cm级的精度;(5)相对于传统的正射摄影,无人机倾斜摄影能更真实地反映地物情况;(6)影像可量测,可直接从成果影像上量测高度、长度、角度、坡度等数据;(7)非接触性测量,可以不用触及被测物体;(8)可采集建筑物侧面纹理[6]。

其缺点主要有:(1)近地面地物采集容易因遮挡造成信息缺失或影像畸变;(2)需要布设较多的像控点,增加外业工作量;(3)对于建筑密集、楼层高的区域有较高要求;(4)由于像片数据多，导致空三测量加密的难度较大。

“陵矿，三十年好日子。好矿一挖完，就不行了。国营单位嘛，顺风顺水不显，不顺呢，乱就出了，越折腾越差，破产前就瘫了，干部都找门路调走，调不走的也管不了事。职工呢，急了眼瞅啥都是救命稻草，车间、井里的电机、马达、铜啊铁的都被人拆了偷去卖，县金属回收公司的刘经理，就靠收咱们这里破烂收成经理的。四十几年的大矿就这么垮了。几千职工没着落，正事就是上访告状，去厂办公楼踢门、捶桌子，闲事就是打牌赌博、打架吵闹，鸟烟嶂气，外面人怎么说我们，他妈的说是难民营。拖了一年，能退休的办退休，不够的一人补个一、二万，自个儿找活路，不少人下了私人煤窑。”

1.2 地面三维激光扫描技术

1.1.2 优缺点分析

地面三维激光扫描系统主要包括激光测距系统、激光扫描系统、定位系统、摄像系统、软件控制平台、内部校正系统、电源及其他附件[7]。通过内部坐标系统,两个同步反射镜快速而有序旋转,将激光脉冲发射体发出的窄束激光脉冲依次扫过被测区域,经物体反射回来,通过时间差来计算距离,同时扫描控制模块量测和控制每个脉冲激光的角度,瞬时获取被测物体上的三维坐标[8-9],其工作原理如图2,数据处理过程如图3。

图2 三维激光扫描工作原理

图3 三维激光扫描数据处理过程

利用三维激光扫描技术,很容易采集各类近地面对象的完整三维数据,不受环境和空间的限制,通过内业处理,构建三维模型及线、面、体等数据。扫描过程中,每个站点都可以获取大量的点云数据,各个站点间的点云数据并不是单一的离散点,而是存在严密的数学关系的[10],每个点云数据的坐标都是直接获得,所有的点云都可以通过计算机交互式自动化处理后统一坐标系。

1.2.2 优缺点分析

(三)对外投资是全额拨款事业单位进行资产资产升值的重要手段，为了提高资金的使用效率，采用对外投资是值得鼓励的方法。但是，在对外投资的过程中，很多事业单位的国有资产并没有达到升值和提高资金使用效率的目标，而是暴露出很多问题。比如：资金投资回报率比较低、投资项目之前并没有进行系统的评估和商议，也没有系统的书面和会议记录，最后资产投资情况没有人进行跟踪和负责，资产出现了亏损。国有资产的投资效率比较低，资金流失率比较大，得不偿失。

那时印象最深刻的就是悬挂在书房里的一幅字轴，上面用行书写了三行字句：“助人为先，读书为乐，家庭为重。”父亲说那是祖父遗留下来的墨宝，要我们儿孙辈切实遵行。这应该就是我们的家训了吧。虽然只是简单的三句话，却包含了深刻的人生哲理，以及为人处世的准则。

(1)无死角测图,达到真正的全景测量;

(4)应用更广泛,由于精度的提高,可以用于更多高精度测图。

(4)通过实行支农惠农政策减缓贫困。从2002年开始，政府陆续出台了一系列增加农民收入、减少农民支出的支农惠农强农政策，直接增加农民的收入，对减少农村贫困产生了重要的作用。2002—2014年“四项补贴”(良种补贴、种粮补贴、农机购置补贴和农资综合补贴)，从146亿元增加到1683亿元[注]2014年数据来自财政部：http://yss.mof.gov.cn/2014czys/2015071t201507091629855.html；2002年数据来自《中国财政年鉴2003》。。研究[1]表明这些以“多予少取”为取向的支农惠农强农政策，具有较好的益贫效果，对农村减贫发挥了积极作用。

2 无人机倾斜摄影与地面三维激光扫描相结合

2.1 原理与关键技术

传统的无人机倾斜摄影技术生产的成果,通过控制飞行高度、多布设像控点、进行参数改正、减少人为误差等,理论上其点位中误差可以控制在5 cm以内。但建筑密集区大比例尺测图一直是地形图测绘中的难题[12],当地物高度过高时,会造成近地面区域的航摄盲区,或者部分区域因像片重叠度不够造成畸变,若将无人机倾斜摄影与地面三维激光技术结合,构成了具有创新性的空地一体化测绘技术,这些问题都能在一定程度上得到有效解决并提高成果精度,其基本思路是利用三维激光扫描技术采集近地面数据,包括地物立面几何及纹理信息,再结合GPS提供坐标数据,辅助无人机倾斜摄影,外业数据一体化采集完成之后,如何进行内业处理,实现点云数据和影像数据就成了关键性的技术,其内业技术路线如图4所示。

无人机系统最基本的构成由地面站、发射系统、无人机平台、航空摄像机、照相机、数据通信系统、自动导航控制系统、航空汽油发动机组成[3],如图1所示。

图4 空地一体化测绘内业技术路线

点云模型配准之后,需要对点云数据密度过大的区域进行分割提取,散乱点云曲面重建,将不同的地物要素进行分离,再构建TIN网白模,进行无缝纹理映射。最后通过计算机自动化建模,生成点云数据、实景三维模型、DEM等成果。

这一系列的内业处理,需要通过开发可以支持多种数据源并集定向、测图、建模等功能于一体的摄影测量系统,如DP-Modeler,软件通过特有的摄影测量算法实现多种传感器无缝集成,将无人机倾斜摄影影像、地面近景影像及点云进行集成,使倾斜影像缺失的数据得到有效的补充,一键完成纹理自动映射,对自动建模成果进行精加工,修正几何变形和拉花等,利用布尔运算直接在倾斜影像上进行交互式单体化建模,快速完成模型的构建,自动检索多角度影像,使得测图和建模同步完成。软件最关键的技术分成两部分,一是影像空三测量的自动处理,需要的功能有图形校正、特征点提取、像对的匹配和建模、航带内连接等；二是数据的平差计算,通过人机交互方式根据一定的阈值,提取质量较好的特征点,进行平差计算,减少像点误差和平面控制误差等。

2.2 技术特点

随着技术的发展,如今一般还在飞行平台上同时搭载GPS(Global Positioning System,全球定位系统)接收机和IMU(Inertial measurement unit,惯性测量单元),GPS、IMU分别用于提供位置信息和姿态信息,在内业处理过程中,通过定姿定位的飞行POS数据结合影像进行空三加密处理、航片自动排序、提供空三测量平差计算的元素近似值[4]。一般搭载1个垂直相机和4个倾斜相机,同时从垂直方向和倾斜方向采集高分辨率影像[5],数码相机的宽角度优越性能保证了一定的像片重叠度和影像分辨率;无人机的灵活精确性能保证了测图工作的高效性。

胆系与胰腺疾病患者常常采取ERCP术进行治疗，此种手术方法具有不需采取全麻、创伤小且术后恢复快的优点，然而术后却易于引发急性胰腺炎、急性胆管炎、迟发性出血等并发症，从而严重地影响了手术效果[1]。因此，必须为ERCP术患者采取更好的护理方法。

三维激光扫描具有以下优势:(1)速度快,每秒可以达到100万点以上的扫描速度;(2)精度高,可以达到mm级的精度;(3)配有数据后处理软件,点云自动化处理功能强;(4)可以全天候作业;(5)点云密度可调控,而且不影响精度;(6)质量和体积都很小,方便携带;(7)可以采集纹理、材质、高度、大小等多方面的数据信息;(8)非接触性测量,可以不触及被测物体;(9)适用于特殊形状物体的测量[11]。

(2)精度更高,影像畸变小,可以达到地籍和房屋测量的要求;

(3)作业效率提高,不需或只需布设少量外业像控点,同时内业数据处理自动化程度更高;

其缺点主要有:(1)地面三维激光扫描适合近地面地物测量,对超高物体的测量有一定难度;(2)地面三维激光扫描对建筑密集区域的测量有较高要求;(3)三维激光扫描的数据量大,处理速度有待提高,作业效率比无人机倾斜摄影低;(4)获取精确的摄站点坐标需要采取特定的作业方法。

2.3 空地一体化测绘在城市更新中的应用

在城市更新基础数据调查中,测区多数都是城市建成区,建筑密集,地况复杂,需要采集的数据种类多,1:500地形图和房屋测量成了一大难题,严重制约了城市更新的工作效率,空地一体化测量技术可以很好地解决这个难题。

在三维精模成果(图5)的基础上人工进行矢量线划图绘制,生产出高精度的1:500地形图成果,再结合外业补调的房屋数据(主要是房屋内的夹层、中空等室内数据)利用ARCGIS、FME等数据处理软件批量进行房屋面积计算统计。

1.填报数据与科目内涵不符合。“三公两费”项目之间的冲突。如因公出国(境)经费与培训费，优秀教师出国深造专项经费，应该按培训费来核算，但是往往要求按因公出国(境)经费科目核算。如公务用车运行维护费填报不规范，公务用车费用在其他交通费用列支。而其他交通费用科目反映单位除公务用车运行维护费以外的其他交通费用，如飞机、船舶等的燃料费、维修费、过桥过路费、保险费、出租车费用等。

此公式说明了变压器的一次绕组、二次绕组电压有效值与一次绕组的匝数形成正比。可将比例K称之为变压比。将其作为降压变压器时，其中K的数值会大于1。

图5 三维模型成果展示

利用无人机和三维激光扫描“空地一体化”技术,平均完成一平方公里城市更新1:500地形图和房屋测量大概只需要15天,其中计算机进行自动化处理5天,投入6人4天完成外业RTK测量和房屋数据补调,6天完成矢量化及房屋面积统计。而如果采用传统的GPS、全站仪、激光测距仪等方式进行地形和房屋测量,相同的工作量需要投入30人一个月才能勉强完成,其中10人进行地形测量和成图,20人进行房屋测量和成图,可见“空地一体化”测绘技术的工作效率非常显著。

除了1∶500地形图和房屋数据成果,空地一体化测绘技术在城市更新基础数据调查中的文物保护、重要建筑物立面测量、建筑控违、成果演示、质量检查等方面也非常适用。

年轻父母缺乏家庭教育的经验，所以从一开始就要学做家庭教育的“有心人”，悉心了解和掌握家庭教育的基本情况。

2.4 精度验证

城市更新基础数据调查对平面精度要求高,对高程的精度不作要求,所以,检查的时候主要针对平面位置精度进行检查,外业成果坐标为利用空地一体化测绘技术生产的1∶500地形图成果中的明显地物点,采用高精度检查方式,通过计算得出所抽检的地物点中误差为4 cm,满足地籍测量和房屋测量的精度要求,抽检记录表见表1。

表1 1:500地形图成果地物点抽检记录表

外业成果坐标X/mY/m检核点坐标X/mY/m检核误差ΔX/cmΔY/cmΔS212222.0525775.41352222.1175775.3630.065-0.0500.006722221.1245776.88752221.1075776.879-0.017-0.0080.000432222.8615780.53552222.8555780.560-0.0060.0250.000742224.7415780.59752224.7925780.6310.0510.0340.003852222.8325785.92952222.8395785.9680.0070.0390.001662224.6245787.65652224.6155787.655-0.009-0.0010.000172226.4595803.82552226.4875803.8260.0280.0010.000882225.9905795.27352225.9945795.2740.0040.0010.000092215.2305778.03852215.2845778.0220.054-0.0160.0032102214.3945777.48452214.3745777.493-0.0200.0090.0005112213.5165775.22752213.5195775.2850.0030.0580.0034122210.0255775.81652210.0355775.8250.0100.0090.0002132205.1145776.60052205.1165776.5850.002-0.0150.0002142198.7245777.59352198.6785777.610-0.0460.0170.0024152197.3215777.65852197.2585777.673-0.0630.0150.0042162192.3465778.37352192.3905778.4430.0440.0700.0068172186.8275780.13752186.8235780.188-0.0040.0510.0026182186.5385782.22052186.5345782.242-0.0040.0220.0005192182.0225780.91452182.0495780.9270.0270.0130.0009202181.7515780.91652181.7605780.9220.0090.0060.0001212182.3665782.92352182.3305782.962-0.0360.0390.0028222182.3055783.86652182.3565783.8790.0510.0130.0028232178.5055781.46452178.4855781.500-0.0200.0360.0017242179.1125787.70552179.1235787.7010.011-0.0040.0001252180.1335793.98952180.1375793.9580.004-0.0310.0010 检核点中误差:Ms=±∑ΔS2/n=0.040ΔS2=0.0473

3 结束语

文章通过分析无人机倾斜摄影与地面三维激光扫描的特点,以作业效率高的无人机倾斜摄影技术为基础,地面三维激光扫描技术作辅助和补充,提高无人机倾斜摄影的精度,弥补短板,增加适用范围,减少外业工作量,提出两种技术相结合的关键技术,使得空地一体化测绘技术无论在效率还是精度上都得到保障,并成功用于城市更新基础数据调查中,与传统的测绘技术相比,极大地提高了测量的工作效率和精度,具有应用推广价值。

空地一体化测绘技术的应用虽然还存在某些技术难度及软硬件瓶颈,但是其潜力非常强大,相信在不久的将来,一定会在测绘及相关领域带来一场新的技术革命。

精选精矿与扫选精矿合并可得最终精矿，最终精矿品位64.15%，产率87.63%，回收率92.47%；尾矿品位37.01%，产率12.37%，回收率7.53%。

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