无人机倾斜摄影测量在房屋建筑面积测算中的应用（CC+EPS）

摘要 ：针对目前房屋建筑面积测量外业工作强度大、测量精度低、成图效率低等主要问题,本文提出了基于无人机倾斜摄影测量的房屋建筑面积测算方法。首先从无人机倾斜摄影、实景三维建模、数字正射影像制作、三维数字化测图、图件制作和面积指标计算等方面进行了研究,然后对试验结果进行了精度评定。结果表明,地形图平面位置中误差为4.6 cm,高程中误差为4.2 cm,房角点点位中误差为4.6 cm,建筑物边长中误差为4.5 cm,房屋建筑物面积较差小于城市商品房二级精度面积限差,各项精度均符合国家标准规范要求,该方法用于房屋建筑面积测算是可行的。

房屋建筑面积测算是指对房屋建筑物本身及相关建筑物进行调查、测绘和量算，以获得房屋建筑物的位置、权属、用途等信息，为产权登记、税费征收、产籍管理和城镇建设等提供重要依据[1]。房屋建筑物面积测算是一项技术性强、精确度要求高的工作，越来越受到社会各界关注[2]。

目前，房屋建筑测量主要有野外解析法测量、航空摄影测量和实地量距等几种测量方式[3],但上述几种房屋建筑测量方式存在外业工作强度大、测量精度低、成图效率低等问题[4,5],已难以满足社会发展对房屋建筑面积测算的要求，因此需要利用新技术解决房屋建筑面积测算中存在的问题。倾斜摄影测量作为近几年兴起的高新信息采集技术，已广泛地应用于大比例尺测图、城市规划、城市三维建模、城市管理等众多领域[6,7,8]。倾斜摄影测量克服了传统摄影测量只能获取垂直影像的局限性，通过搭载多台相机或多镜头相机，在摄影瞬间获取摄站点空间位置、姿态信息和多视角影像数据[9]。无人机倾斜摄影测量系统具有机动灵活、获取影像成本低、地面纹理信息丰富、获取影像周期短和精度高等优点[10]。经过严密的数据处理，制作出具有高精度地理位置信息和丰富纹理信息的实景三维模型。该模型不仅具有动态展示功能，还具有距离、高度、面积和体积等量算功能[11],具备应用于房屋建筑面积量算的可行性。

本文以天祝藏族自治县“一查三整顿”测绘横向课题为依托，从无人机倾斜摄影、实景三维建模、三维数字化测图、图件制作、面积指标计算和精度评定等方面进行了试验分析，旨在为房屋建筑面积测算提供借鉴方法。

1 研究区概况与数据源

研究区位于甘肃省天祝藏族自治县，是主城区已建成的33个商住混合型综合性小区。本文选取具有代表性的格桑一区为研究对象，进行相关应用研究。研究对象地处团结路东侧、滨河西路西侧、延禧路南侧、格桑路北侧。2014年工程建成后，安置居民近500户，其中一号楼为商住混合型高层建筑，其余为多层建筑，是典型的藏乡风情小区。

本文利用的主要数据源包括像控点数据、检查点数据、航摄原始照片和POS数据。按照“稀少”布点方案[12],在研究区四角和中间共布设5个像控点。为了验证成果数学精度，均匀选取了20个明显特征点作为检查点。基于甘肃省卫星定位连续运行基准站网(GSCORS)网络RTK测量方式完成施测，获得像控点和检查点坐标数据。

以成都纵横CW-15垂直起降复合翼无人机为飞行平台，搭载睿铂DG4Pros五镜头相机组成倾斜摄影测量系统。该系统具有精准自主垂直起降和高精度后差分GPS等优点，适用于“稀少”像控点下的无人机倾斜摄影。按照地面分辨率0.015 m, 航向重叠度75%,旁向重叠度70%,航高116.29 m, 完成航线设计。选择晴朗天气开展航摄作业，共飞行1个架次，获取1280张原始照片数据和1280组POS数据。

2 研究方法

2.1 总体技术流程

试验按照“稀少”像控点布设方案，完成像控点布设与测量，并按照设计航线，开展无人机倾斜摄影，实现外业数据获取。通过数据预处理、影像匹配、区域网联合平差、多视影像密集匹配、数字表面模型生产、正射纠正和纹理映射等内业处理[13],制作出实景三维模型和数字正射影像。基于实景三维模型和数字正射影像，进行裸眼三维数字化测图，完成地物要素和地貌要素采集。通过调绘、补测和图形整合编辑，完成地形图编绘，并以地形图为基础制作平面图。按照建筑物功能区划分，制作分层图，利用分层图量算各建筑物面积。根据批准用地面积和绿化面积指标，完成容积率、建筑密度和绿化率等指标计算[14]。对地形图、房角点、建筑物边长和房屋建筑面积进行精度评定，使评定结果符合国家各项标准规范要求。总体技术流程如图1所示。

图1 房屋建筑面积测算总体技术流程

2.2 数据处理

目前，测绘行业使用PhotoScan、Pix4D、Context Capture等主流软件建立实景三维模型[15],试验基于Context Capture开展实景三维建模和数字正射影像制作。首先，倾斜航空摄影结束后，对获取的数据进行质量检查，使用无人机差分解算软件JOPPS对Base数据、Rover数据和机载POS数据进行联合差分解算，获取高精度POS数据，并基于似大地水准面模型(GSCORS),计算像控点、检查点和POS数据高程异常值，完成数据预处理。其次，随着多处理器并行运算处理技术的不断进步，将该技术应用于实景三维建模中能大大缩短实景三维建模时间[16],通过多视影像特征点匹配和联合约束平差，完成相对定向。再次，将外业施测的5个像控点在空三加密时选刺，对已有区域网进行约束平差解算，将整个区域网纳入到像控点坐标系中，完成绝对定向，并生成空三报告。然后，通过多视影像密集匹配生成高密度三维点云数据，利用点云数据构建三角网，生成TIN模型，对TIN模型进行封装，构建三维白膜模型，并对三维白膜模型自动纹理映射，制作出实景三维模型。最后，利用空三加密成果，通过计算点云数据，制作数字表面模型，经过微分纠正、镶嵌匀色等制作数字正射影像。实景三维模型和数字正射影像如图2、图3所示。

图2 实景三维模型

图3 数字正射影像

2.3 图件制作

首先，基于EPS三维测图系统进行裸眼三维数字化测图，将生成的OSGB格式数据转换为DSM格式数据后，导入到EPS三维测图软件，并加载实景三维模型和数字正射影像，以二、三维窗口联动方式开展三维数字化采集。然后，按照《国家基本比例尺地形图图式 第1部分：1∶500、1∶1 000、1∶2 000地形图图式》(GB/T 20257.1—2017)要求[17],采集居民地及围墙、交通及附属设施、管线及附属设施、水系、独立地物、植被等地物要素和地貌要素，将采集的数据输出为CASS9.1支持的标准数据格式。最后，对内业无法定性或采集的地物、地貌要素进行外业调绘与补测，通过图形整饰编辑，完成地形图制作，如图4所示。

图4 研究区地形图

平面图以地形图为基础，通过GSCORS完成批准用地1980西安坐标系向2000国家大地坐标系的转换，将转换后的批准用地范围套合至地形图上，根据实景三维模型和外业调绘，对建筑物进行属性标注和面积计算，并按照平面图制作要求，完成平面图的制作，如图5所示。

图5 一号楼平面图

分层图以平面图为基础，按照房屋建筑物功能分区，进行房屋建筑物功能分割。按照分层图的要求，将图形旋转为正南北方向，分别计算每层各功能区面积及各层的总面积，图形编辑整饰完成后，输出分层图成果图件，如图6所示。

图6 一号楼分层图

2.4 面积量算与指标计算

试验以格桑一区一号楼为例，按照《建筑工程建筑面积计算规范》(GB/T 50353—2013)规定[18],量算出每层各功能分区房屋建筑面积，具体统计结果见表1。

表1 一号楼面积计算统计

楼层	项目名称	计算方法	面积/m2
1层	商业主体	按全面积计算	921.70
住宅楼梯	按全面积计算	251.03
2—3层	商业檐廊	按1/2面积计算	17.08
商业阳台	按1/2面积计算	13.84
商业主体	按全面积计算	2116.18
住宅楼梯	按全面积计算	229.28
4—19层	住宅阳台	按1/2面积计算	494.08
住宅主体	按全面积计算	13779.20
加盖玻璃钢	不计算面积	64.36
20层	住宅阳台	按1/2面积计算	21.09
住宅楼梯	按全面积计算	45.04
住宅主体	按全面积计算	493.81
21层	加盖玻璃钢	不计算面积	125.53
住宅(楼梯)	按全面积计算	105.39
水箱间	按全面积计算	36.82

由表1可知，格桑一区一号楼建筑物占地面积为1 172.73 m2,建筑总面积为18 524.54 m2,商业面积为3 068.80 m2,住宅面积为15 455.74 m2。根据建筑工程设计方案核定通知书，批准用地面积为2 659.71 m2,容积率为2.98,建筑密度为37.20%,绿化率为25%,实测绿化面积为590.8 m2。经计算可得，容积率、绿化率、建筑密度分别为6.96、22.16%、44.09%。按照技术指标分析可知，一号楼容积率、绿化率、建筑密度较差分别为3.98、-2.84%、6.89%。

3 试验结果精度评定

3.1 地形图精度评定

为了验证地形图的数学精度，对均匀选取的20个明显特征点平面位置和高程误差进行精度验证，具体误差统计值如图7所示。图中ΔX、ΔY、ΔZ分别表示图解坐标与实测坐标之间的误差值，其中X、Y、Z方向上最大误差值分别为5、6、7 cm。

图7 检查点平面和高程误差统计

经计算可得，地形图平面位置中误差为4.6 cm, 高程中误差为4.2 cm, 成果精度满足《基础地理信息数字成果1∶500、1∶1 000、1∶2 000数字线划图》(CH/T 9008.1—2010)中1∶500地形图精度要求[19]。

3.2 房角点点位精度评定

房角点测量是测定房屋建筑物实际地理位置，是准确量算房屋建筑面积的基础[20]。通过布设和测量图根点，使用全站仪以极坐标法对建筑物房角点进行测量，共施测了115个房角点。根据全站仪实测坐标和图解坐标进行坐标差值计算，房角点点位误差计算结果见表2。

表2 房角点点位误差统计 

房角点	图解坐标	实测坐标	ΔX/cm	ΔY/cm	di/cm
Xi/m	Yi/m	X′i/m	Y′i/m
J001	60***0.030	40***91.303	60***0.057	40***91.324	-2.7	-2.1	3.4
J002	60***3.955	40***78.152	60***3.932	40***78.151	2.3	0.1	2.3
J003	60***5.059	40***90.390	60***5.092	40***90.394	-3.3	-0.4	3.3
︙	︙
J113	60***2.114	40***99.274	60***2.131	40***99.291	-1.7	-1.7	2.4
J114	60***4.284	40***98.591	60***4.297	40***98.571	-1.3	2.0	2.4
J115	60***6.275	40***93.277	60***6.261	40***93.275	1.4	0.2	1.4

由高精度点位中误差公式计算可得，房角点点位中误差为4.6 cm。其中，最小误差为0.9 cm、最大误差为8.2 cm, 房角点点位中误差满足《房产测量规范》(GB/T 17986—2000)中高精度中误差要求。

3.3 建筑物边长精度评定

为了检测建筑物边长精度，选取了10组建筑物边长进行精度评价。利用检定合格的钢尺和激光测距仪，实地检核建筑物边长长度，并与平面图量算距离，进行边长较差计算，计算结果见表3。

表3 建筑物边长较差统计 cm

项目名称	一号楼	二号楼	三号楼	四号楼	五号楼	六号楼	七号楼	八号楼	九号楼	十号楼
图上距离	1661.1	1401.8	1512.5	1311.5	1316.0	1105.6	1318.4	1372.4	1376.7	792.1
检测距离	1666.6	1394.5	1516.6	1315.4	1321.5	1107.9	1316.2	1373.1	1382.6	794.9
间距较差	-5.5	7.3	-4.1	-3.9	-5.5	-2.3	-2.2	-0.7	-5.9	-2.8

由建筑物边长中误差公式计算可得，建筑物间距中误差为4.5 cm, 建筑物间距满足《房产测量规范》(GB/T 17986—2000)精度要求，且图上距离与检测距离较差均小于建筑物间距限差。

3.4 房屋建筑物面积精度评定

基于实景三维模型和数字正射影像，通过采集、编辑和量算，获得每幢楼建筑物基底图上面积。为了验证房屋建筑物采集面积精度，通过全站仪实测获取房角点实测坐标，将实测点在CASS 9.1中展点、编辑成图，量算出每幢楼建筑物基底检测面积。将图上面积与检测面积进行房屋建筑物基底面积较差计算，计算结果见表4。

表4 房屋建筑物面积较差统计 m2

项目 名称	一号楼 基底面积	三号楼 基底面积	四号楼 基底面积	五号楼 基底面积	六号楼 基底面积	七号楼 基底面积	八号楼 基底面积	九号楼 基底面积	十号楼 基底面积
图上面积	1172.73	924.80	918.47	619.36	621.32	331.18	692.74	517.74	601.07
检测面积	1175.83	927.22	916.22	617.82	619.81	332.44	694.29	516.31	602.55
面积较差	-3.10	-2.42	2.25	1.54	1.51	-1.26	-1.55	1.43	-1.48
面积限差	3.72	3.07	3.05	2.23	2.24	1.39	2.44	1.95	2.18

由房屋面积误差限差公式计算可得，各幢楼的房屋建筑基底面积较差均小于《房产测量规范》(GB/T 17986—2000)中城市商品房二级精度面积限差要求。

综上所述，本文通过试验结果精度评定可知，地形图平面位置中误差、高程中误差、房角点点位中误差和建筑物边长高精度中误差均达到厘米级，精度满足相关规范要求，且房屋建筑物面积较差小于规范规定面积限差要求，充分证明了倾斜摄影测量技术应用于房屋建筑物面积量算是可行且有效的。

4 结 语

本文将无人机倾斜摄影测量技术应用于房屋建筑面积测算，通过无人机倾斜摄影数据获取、实景三维建模、三维测图、图件制作和面积指标计算等，证明了该技术应用于房屋建筑面积量算方法是可行的。

无人机倾斜摄影测量技术为天祝县“一查三整顿”测绘横向课题房屋建筑面积测算提供了精准服务，有效降低了外业工作强度，提高了测量精度和成图效率，弥补了目前房屋建筑面积测量方面的不足。

随着社会经济发展和城市化进程加快，城市建设规模不断扩大、房屋建筑物建设密度不断增加、各种高大异形建筑不断出现，为房屋建筑物测量带来诸多挑战，如何准确测绘、快速完成量算显得尤为重要。开展倾斜摄影测量技术和三维激光扫描技术融合应用，探索建筑物地上地下空间一体化测绘，将是下一步的重点研究方向。

作者简介：任旭斌(1985-),男,高级工程师,主要从事应急测绘保障、无人机航空摄影及数据分析处理工作。E-mail:[e-mail]

任旭斌1,2, 康建锋1,2, 于东海1,2

1. 甘肃省测绘工程院, 甘肃 兰州 730000;

2. 甘肃省应急测绘工程研究中心, 甘肃 兰州 730000

基金项目：天祝藏族自治县"一查三整顿"测绘横向课题(2019029)

关键词：无人机;倾斜摄影测量;实景三维模型;三维数字化测图;房屋建筑面积测算;精度评定

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