利用近景攝影測量方法進行建筑立面測繪的研究

徐瑩，何濤，王濤

(天津市測繪院，天津 300381)

利用近景攝影測量方法進行建筑立面測繪的研究

徐瑩?，何濤，王濤

(天津市測繪院，天津 300381)

城市規劃管理對建筑物的日照分析有嚴格的要求，傳統的日照分析用圖的制作是通過常規地面測量實現的，外業工作量大且效率低。本文探討利用近景攝影測量方法進行建筑立面測繪，研究采用二維直接線性變換對建筑側面照片進行幾何糾正得到立面圖底圖，并通過試驗證明此方法可行，拍攝建筑所用的相機為普通數碼相機。

近景攝影測量；建筑立面測繪；二維直接線性變換；普通數碼相機

1 引 言

隨著我國城市規劃建設的發展，對審批建筑物與已有建筑物進行日照分析是城市規劃部門的日常工作，而要保證建筑物日照分析結果的科學、準確，須對已有建筑物進行實地立面測量。建筑物立面測繪的成果為符合精度要求的建筑物的平面位置、樓頂高度、窗戶長度等測量數據且以CAD圖表示。

建筑立面測繪較為常規的方法是地面常規測量方法，地面常規測量方法所得結果的幾何精度較高，但外業采集工作量大，相應的制作周期也長。采用近景攝影測量方法進行建筑物立面測繪也是一種可選的方法，其具有時間短、工作效率高的優點，且當采用量測相機可獲得高精度結果。

當受設備限制而無量測相機可用，且對建筑物立面圖幾何精度要求不是特別高時，宜采用直接線性變換方法，相應的設備為普通數碼相機。直接線性變換(Direct Linear Transformation，DLT)解法，因無需相機的內方位元素和攝影時外方位元素的初始近似值，適用于非量測相機(包括普通數碼相機)所攝影像的攝影測量處理。直接線性變換模型包括三維形式的和二維直接線性變換模型，三維模型用于建筑立面測繪已有學者研究并加以應用，二維直接線性變換模型相對于三維模型來說具有控制點數量少、算法簡便的特點，本文研究的是利用二維直接線性變換進行建筑立面測繪，并通過試驗加以論證。

2 二維直接線性變換

直接線性變換解法的關系式為:

其中，(x，y)是像點坐標，(X，Y，Z)是相應物點在物方空間的三維坐標，(l1，l2，l3，l4，l5，l6，l7，l8，l9，l10，l11)是11個待定系數。

直接線性變換解法建立了像平面坐標與物方空間坐標間直接的、線性的關系，其本質是由共線條件方程演算而來。

當觀測物體為二維目標，即坐標Z視作常數時，上式可變換為如下二維形式:

其中，(x，y)是像點坐標，(X，Y)是相應物點在物方空間的二維平面坐標，(l1，l2，l3，l4，l5，l6，l7，l8)是8個待定系數。二維直接線性變換解法建立了像平面坐標與物方平面坐標間的線性關系。二維直接線性變換模型共有8個待定系數，因而至少需要4個二維控制點方可解算出其模型。

建筑物立面可視作二維對象，故建筑立面圖測繪可采用二維直接線性變換解法，其計算過程為:

(1)依據最小二乘法，利用4個以上控制點建立誤差方程，求解8個系數。

(2)將未知點的像點坐標代入二維直接線性變換關系式，計算其二維平面坐標。

(3)根據計算結果，進行影像重采樣得到幾何糾正的影像底圖，作為立面圖繪制的底圖。

將像點坐標(x，y)視作觀測值，觀測值改正數為(vx，vy)，則觀測值方程式為:

相應的誤差方程式為:

3.故障原因按系統排列可使文章清晰，例如：進氣系統、燃油系統、電控系統、機械部分。我將作者總結的7條重新排列：

該解算處理的原理為最小二乘法，并采用循環迭代的方法進行。解算時，8個li系數的初始值可設置為一較小的常數，本試驗中采用初始值均為1.0，其收斂條件為相鄰兩次運算的差值小于0.1。

3 試 驗

試驗所用數碼相機為尼康COOLPIX L22，分辨率為4 000×3 000。試驗拍攝了一座6層的普通建筑的側面，拍攝距離為34 m，其立面相片上的特征點主要是窗口角點，相片尺寸為2 560像素×1 920像素，如圖1所示。試驗共選取了8個控制點和9個檢查點，絕大多數控制點和檢查點均位于窗口角點上。控制點和檢查點整體分布較均勻，其點位分布圖如圖2所示，其中，紅色、名稱帶“GCP”的是控制點，藍色、名稱帶“CP”的是檢查點。利用無反射棱鏡的全站儀采集這些點的二維平面坐標，所用全站儀為徠卡TCR1102，其不用棱鏡模式下測程達250 m，標稱精度為±(3 mm+2 ppm)。利用PCIGeomatics軟件量測相應的像點坐標。

無反射棱鏡全站儀發射的激光束可精確地打到目標上，保證高精度的測量出目標點的坐標。本試驗中應用無棱鏡測量技術直接測得建筑側面各特征點的坐標，有效地提高觀測效率并降低了作業人員的勞動強度。

圖2 點位分布圖

解算得到8個未知系數后，建立了二維直接線性變換模型，據此對相片做幾何糾正生成立面圖底圖，糾正的底圖如圖3所示。通過檢查點對結果進行精度評定，精度評定方法是計算檢查點的中誤差，其結果如表1所示。

檢查點中誤差 表1

圖1 建筑立面照片

圖3 糾正的底圖

表1的結果表明檢查點的精度為6.1 cm，由此可判定二維直接線性變換方法生成的建筑立面底圖精度約6 cm，其相對精度為6.1 cm/34 m≈1/500，表明其相對精度也較高。

將得到的糾正影像作為底圖導入繪圖軟件Auto-CAD中，在CAD中進一步處理，就可得到所需的建筑立面圖、窗位圖等成果。

4 結 語

隨著我國城市的快速發展，城市居民對房屋居住條件、居住環境的要求也日益重視，這其中房屋的日照采光已成為關注的熱點。另一方面，開發商為了節約用地成本因而盡可能提高樓房高度并縮小樓房間距。因此產生了兩者間的矛盾并引發一些爭議。為此，城市規劃部門逐步將建筑日照分析納入到城市規劃管理的日常工作中來，這也產生了城市建筑物立面測繪這塊新的市場。

利用近景攝影測量方法進行建筑立面測繪，相比于常規地面測量顯著減少了外業觀測工作量，提高了效率，且其成果能滿足日照分析用圖的精度要求。本方法采用的儀器是普通數碼相機，對設備要求很低從而節省了成本，且處理過程較為簡潔，對多數生產單位來說具有實用意義。根據建筑物立面具有二維形式的特點，本文提出了利用更為精簡的二維直接線性變換模型而不是三維形式的，既減少了外業控制點的數量，也降低了解算的復雜度，具有簡便、實用的特點。

[1] 馮文灝.近景攝影測量[M].武漢:武漢大學出版社，2002.

[2] 程效軍，劉倩，金雯.利用近景攝影測量制作日照分析用圖[J].遙感應用，2007(4).

[3] 范文兵.建筑物日照分析測量內容及方法探討[J].城市勘測，2006(2).

[4] 張正祿.工程測量學[M].武漢:武漢大學出版社，2002.

[5] 趙卿，尹暉.二維DLT變換用于建筑物變形監測的試驗研究[J].測繪與空間地理信息，2006(6).

[6] 李德仁，周月琴，金為銑.攝影測量與遙感概論[M].北京；測繪出版社，2001.

[7] 張慧鑫，李非栗，雷巨光.基于普通數碼相機的近景攝影測量方法與精度的試驗研究[J].北京測繪，2008(4).

數字哈爾濱地理空間框架建設項目通過國家驗收

(本刊訊)2013年5月31日，由哈爾濱市城鄉規劃局組織實施、哈爾濱市勘察測繪研究院承擔的數字哈爾濱地理空間框架建設項目通過了國家測繪地理信息局專家組的評審驗收。國家測繪地理信息局副局長李維森、黑龍江測繪地理信息局黨組書記鮑英華、市政府黨組成員魏偉出席項目驗收會并講話。市政府副秘書長許洪江、市城鄉規劃局局長王宏新出席會議。

哈爾濱“數字城市”建設可實現哈爾濱市主城區所有地理空間信息在線共享。該項目包括“一庫、兩平臺、五個應用”。一庫是基礎地理信息數據庫。兩平臺是數字地理信息政務服務平臺和公眾服務平臺。五個應用分別為:群力新區東區地理信息系統、數字城管地理信息數據共享服務系統、數字城市規劃監察系統、城市規劃管理信息系統、城市設計三維審批決策系統。

專家組強調，為做好智慧城市建設的準備工作，一是要進一步完善地理空間框架的各項功能，盡早開通天地圖·哈爾濱；二是要進一步加大平臺的推廣應用力度；三是要加強平臺的管理、維護和更新工作。確保以高質量、高水平的地理信息服務，向社會公眾和政府部門提供權威、統一、優質的在線地理信息服務。

(哈爾濱市勘察測繪研究院張忠穎供稿)

Research on Architecture Profile Surveying Based on Close-range Photogrammetry

Xu Ying，He Tao，Wang Tao
(Tianjin Institute of Surveying and Mapping，Tianjin 300381，China)

City planningmanagement has strict request to sunlight analyis of architecture.The traditional production of sunlightanalyismap is based on ground surveying，which has heavy outdoor work and is inefficient.This paper discussess the process of architecture profile surveying using close-range photogrammetry technology.This paper adopts 2D direct linear transformtion to rectify the photo of building and obtain basemap.Thismethod is validated by experimentation. Ordinary digital camera is used during this experimentation.

close-range photogrammetry；architecture profile surveying；2D direct linear transformtion；digital camera

1672-8262(2013)04-127-03

P234.1

B

2012—09—11

徐瑩(1983—)，女，工程師，研究方向為遙感影像處理及測繪技術開發。