王进，侯定琴，何涛，张旻

(1.武汉华正空间软件技术有限公司，湖北 武汉 430223； 2.铜仁市自然资源局，贵州 铜仁 554300)

1 引 言

按照中央城市工作会议的战略部署，我国要全面提高新型城镇化水平，走出一条中国特色城市发展道路，力争到2020年基本完成现有城镇棚户区、城中村和危房改造，推进城市绿色发展。其中，城中村改造是一项复杂的系统工程，涉及土地权属变化、城市空间规划调整和优化、基础设施和公共服务配置提升以及农民市民化等一系列问题，而准确、客观、公正、高效地评估拆迁面积更是城市中改造的核心问题，是城中村改造工程是否顺利实施的关键因素。

近年来，随着真三维建模技术的不断进步[1～4]，通过自动化快速建立三维模型后再通过算法统计拆迁面积的应用也不断涌现。通过航空影像立体像对[7]等为数据源可实现城中村三维建模并统计城中村建筑面积的方法取得了很好的效果，但由于人工量太大，建模时间较长，在实际应用中受到很大制约。随着倾斜航空摄影技术和真三维建模技术的普及，依托实景真三维自动化建模技术快速还原城中村三维现状[8]，在三维数据的基础上后期量测提取相关土地和建筑面积指标的方法已被广泛应用。

2 应用现状

基于倾斜摄影真三维建模技术大多采用匹配算法实现的，常见的有ContextCapture、Smart3D、StreetFactory等软件，这些软件自动化程度高，但由于匹配结果的不确定性和随机性，导致匹配出来的三角网不能满足高精度地物结构定位精度的要求，如张平、刘怡、蒋红兵在“基于倾斜摄影测量技术的“数字资阳”三维建模及精度评定”中提到三维模型成果中存在某些区域无法构建三角网，致使三维模型缺失或失真等问题[9]。由于三维模型的变形和失真，导致在拆迁分析计算时偏差很大，这些都会造成拆迁分析中建筑面积精度不高的问题。

3 技术路线

本方案采用的全景真三维技术可以充分结合多角度倾斜摄影和机载激光扫描等多传感器航测技术的优势，利用有人机、无人机等飞行器获取多传感器数据源，通过创新型的摄影测量融合机制，实现快速处理的自动化真三维数据生产[5，6]，杭州某城中村全景真三维模型如图1所示。

图1 杭州某城中村全景真三维模型

该方案主要在倾斜摄影的基础上融合了激光点云数据，基于LiDAR获得地物空间形状，保证了建模精度和效率。同时该生产工艺严格按照摄影测量的工艺，在计算机中构建的模型长、宽、高和空间关系都严格符合测绘精度，最终成果是经过质量检查验收的合格数字产品。大量理论研究表明，机载LiDAR系统在航高 1 000 m的角点定位精度在 0.3 m[10]，而在一些工程实践中表明，应用常见的机载LiDAR系统生产的DEM产品通过野外实测检测点统计其中误差为 ±0.12 m[5]。这样的技术优势很好地保证了机载激光雷达技术在城中村建模的精度，保证后期拆迁分析需要的高精度模型数据。

在山西省某城市我们曾对同时选取两套技术路线生成的同区域的DSM数据进行了测试(按 1∶1 000要求作业)，测试结果表明基于Smart3D软件匹配的DSM(共统计 22 828个匹配点)高程差大于 0.4 m的点占了30%以上，而基于LiDAR生成的DSM(共统计 23 000个点)95%以内的点的高程误差小于或等于 0.2 m。通过对比发现，由匹配技术生成的三维模型背后的三角网并不能满足其相应的比例尺的定位精度标准[11]。

4 实践案例

4.1 前期准备

根据用户的要求，我们选取杭州市江干区某城中村进行真三维建模及城中村建筑拆迁统计分析，该区域面积约为 2 km2，其中倾斜影像GSD为 5 cm，激光点云点间距优于 0.5 m。前期已基于全景真三维技术的工艺完成城中村三维模型的融合生成，并在真三维数据的基础上进行拆迁分析统计工作。

同时，用户要求不需要任何现场调查或已有测绘资料，快速独立生成该城中村拆迁面积统计报告。

4.2 拆迁分析算法

该案例的关键是利用激光点云和倾斜融合生产的真三维模型，高效、自动化统计城中村拆迁量，同时还需要考虑尖顶、圆顶、阶梯状等异形建筑、特殊建筑如仓房等构筑物，为保证拆迁分析的客观性和高效性，并考虑用户拆迁分析的原则(忽略小于 1 m2的构筑物面积)，我们采用通过软件对建筑物的自动化微分和积分的过程快速统计拆迁面积，具体拆迁分析算法流程图如图2所示：

图2 真三维拆迁分析流程图

具体算法描述如下：

(1)设置城中村区域内建筑物的平均楼层高度值(一般为 2.8 m)。

(2)选择拆迁量统计范围。

(3)自动提取区域内的单体化真三维建筑模型，通过三维模型数据获取建筑物外边框线和基底高程值，建筑物外边框线示意图如图3所示。

图3 建筑物外边框线

(4)根据模型外边框线，计算建筑物的基底面积，并计算最大最小x、y值以得到模型的包围盒范围；以 50 cm为步长(可根据拆迁分析的限差调整)，将包围盒等分为若干正方形网格，网格划分见示意图如图4所示。

图4 建筑物外边框包围盒网格划分

(5)计算每个建筑物对应的建筑面积

(6)分别计算每个正方形网格内的建筑面积：首先判断正方形区域是否和建筑物边框线相交或在之内，若相交，取相交部分面积，若在之内，取正方形全部面积；然后计算每个正方形有效区域内四个顶点在DSM上的高程值，判断是否有无效值-9999，若都为有效值，取平均值为该方块的高程；用高程减去基底高程，并除以层高计算出网格对应的层数，不足一层的地方若高于 2 m的则多算一层；然后乘以网格在建筑物边框线内的面积，计算出该网格的建筑面积，某网格建筑面积计算示意图如图5所示。

(7)将该建筑物所有有效网格的建筑面积相加，计算出该建筑物的建筑面积。

图5 某网格建筑面积计算示意图

(8)将所有建筑物的基底面积和建筑面积进行统计，制成表格。

(9)对于厂房等建筑，可在结果表单中单独设置层高，自动重复(3)～(7)步骤计算建筑面积并更新数值。

(10)将所有建筑面积相加得到拆迁区域内的总建筑面积。

4.3 结果分析

从数据准备到计算结果输出，测区范围内的建筑面积统计计算过程在1个小时内可以全部结束。根据用户实地测量结果与程序计算结果对比，建筑物拆迁面积统计误差率在5%以内，完全满足用户的要求。具体统计结果对比如表1所示。

拆迁分析面积统计对比表 表1

5 结 论

基于全景真三维技术进行城中村改造可以满足城市管理部门高效、高精度、无须实地调查等获取拆迁分析面积及相关定量指标，充分发挥新型地理信息测绘成果的作用，主要有以下几个特点：

(1)高精度

基于激光和倾斜影像融合的真三维模型及拆迁面积统计结果，平面和高程精度可以达到1∶200～1∶1 000的要求，完全满足城市管理部门使用的要求；该方式对建筑物是否有裙楼、楼顶形状、建筑物形状不规则等情形都可以识别并精确统计，大大提高了建筑面积统计的精度。

(2)可追溯

基于全景真三维技术的建筑模型全部都是单体化的，因此自动提取的建筑面积统计结果与真三维模型一一对应的，可便于用户随时追溯，可以作为后期拆迁补偿的重要依据，城中村拆迁统计对应表如图6所示。

图6 城中村拆迁统计对应表

(3)排除人为干扰

基于全景真三维技术的城中村改造应用不需要用户提供任何原始资料，更不需要现场实地调查，完全避免了人为干扰的因素，完全通过新型测绘技术手段可以作为独立、客观的第三方评估手段，为用户提供可信、可用的决策依据。

6 应用前景

全景真三维技术在反映城市形态、结构变化及城市各要素资源运行情况的动态模拟方面有很大的优势，因此除了城中村改造方面，全景真三维技术获取的真三维城市模型将对城市空间规划、城市更新及城市治理等方面可以发挥更大的作用。