攝影測量在建筑尺寸識別及模型構建中的應用★

況中華 李鑫奎 周向陽

(上海建工集團工程研究總院,上海 201114)

0 引言

現代數碼技術、計算機技術科技的飛速發展激發了建筑業的自動化和工業化轉型。伴隨著數碼、計算機等自動化高效技術的引入，建筑業也日益趨向于智能化。與此同時，應用于建筑工程上的測量手段和方法由傳統的人工測量逐漸向機器自動化測量轉變，從人工向自動化的革新正在進行。目前，建筑工程中主流的自動化測量技術當屬攝影測量，攝影測量技術推動著建筑工程向數字城市建設轉變，通過對建筑物的三維尺寸識別，重構建筑實景模型，讓工程建設人員更便捷、更直觀獲取建筑物的尺寸信息。本文對攝影測量技術在建筑工程中的應用展開了研究，旨在為其攝影測量技術及建筑構建尺寸自動化識別技術的發展提供可靠的理論依據與實踐經驗。

1 應用背景

攝影測量技術應用領域較為廣泛，比如地勘、工業、建筑、考古等行業。攝影測量技術可用于勘察地形尺寸，建立地形數據庫；測量骨骼、肌肉線形尺寸，構建生物體模型；測量建筑物的幾何尺寸，形成建筑物的三維點云數據，進而構建三維實景模型等等。

隨著建筑業逐步向智能化和工業化轉變，攝影測量技術在建筑業中得到快速發展，通過攝影測量數據構建建筑物的三維實景模型成為智慧建造的一項重要技術。

2 數字攝影測量

2.1 數字攝影測量過程

攝影測量是通過對被測物體的影像進行解析處理，獲取被測物體的幾何物理信息。其實現的過程為先獲取被測物體的多張像片影像，再利用不同的解析技術從圖影中獲取被測物體的幾何與物理信息。按技術處理手段的不同，攝影測量可分為模擬攝影測量、解析攝影測量、數字攝影測量三類。

本文研究的建筑構件幾何信息識別采用的是數字攝影測量技術。數字攝影測量是通過影像匹配針對多張不同位置(角度)的像片進行影像相關，獲取每兩張像片中的同名像點，進而將多張不同位置(角度)的像片進行兩兩相關，拼接成連續完整的物體像片，從而獲取完整的物體幾何物理信息。

2.2 影像相關技術

數字攝影測量在進行被測物體的多張像片匹配時采用的是數字相關技術：通過將被測物體的原始像片中的灰度信息轉換為數字信號，再將每張像片的數字信號以函數形式表示，從而被測物體的每張像片被轉換成為多個函數。針對上述的多個函數，建立兩兩相關的相關函數，通過相關函數的數值大小來評價對應兩張像片的影像相似性，并確定兩張像片的影像同名點。

兩張像片的影像同名點的確定是先在一張像片中取出以某個待定點為中心的小區域中的影像信號(數字化信號)；同樣，在另一張像片的對應區域取出影像信號，計算上述兩張像片中相同區域影像信號的相關函數，獲取相關函數的峰值，把相關函數峰值對應的區域中心作為上述兩張像片的影像同名點。即把兩張像片的影像信號分布最相似的區域作為同名區域，同名區域的中心點即為同名點。

獲取了兩張像片的影像同名點，就可以將兩張像片在同名點位置進行重疊匹配，以此類推，將被測物體的多張像片進行兩兩重疊匹配，使得多張零散的像片連續的排列，形成一個完整的物體像片，最終便可得到完整的物體幾何物理信息。

2.3 數字相關算法

數字攝影測量中采用的數字相關的主要任務是計算像片的影像數字信號的相關函數，并根據一定的準則(可以自定義準則)，來比較兩張像片的影像相似度。以事先自定義的相似度限值為標準，當影像相似度(相關函數數值大小)大于標準即可認定上述兩張像片為同名影像塊(相似度較大的影像組合)，進而再確定上述兩張像片的同名點；當影像相似度小于標準時，則認定上述兩張像片為非同名影像塊，然后替換上述兩張像片中的一張再進行相關對比。

數字相關的方法分為二維相關和一維相關，本文采用二維相關進行多張像片的影像相關。數字相關的計算方法如下：

麗水市本級儲備土地和房屋遍及城區5個街道40多平方公里區域270多個地塊，點多面廣、政策處理不徹底、地表情況復雜，再加上原先市儲備中心人手不足，儲備地塊和房屋無法得到有效、規范的管理，閑置土地出租價格參差不齊，地塊巡查不到位，出現部分儲備地塊被侵占、亂倒渣土和垃圾等現象，部分儲備土地、房屋（店面）長期閑置，沒有發揮應有的價值。

1)以兩張像片作為計算對象，選定一張像片作為目標像片，下文稱為左影像，另一張像片作為搜索像片，下文稱為右影像。在左影像上先選定一個像素點作為待定點，稱為目標點，以該待定點為中心選取m×n(可取m=n)個像素點的灰度陣列作為目標區。

2)在右影像中選取一個比左影像的目標區更大的區域作為搜索區，搜索區的灰度陣列為k×h(k>m，h>n)個像素。

3)在搜索區中按一定順序，逐步取出與目標區相同大小的區域作為搜索窗口，搜索窗口的灰度陣列為m×n個像素灰度陣列，并計算相關區與目標區的相關函數，以相關函數的數值大小作為評判兩者相似性的相似性測度：

其中，i0，j0均為搜索區中心像素，如圖1所示。當ρ取最大值時，該搜索窗口的中心像素被認為是同名點。

3 實景應用

3.1 案例概況

選取一建筑的L型圈梁進行實地應用。在圈梁頂部的長邊上布置了兩個反光片，反光片中心間距1 m，作為基準標距用于尺寸解析。

圈梁及標距反光片位置如圖2所示，其中虛線圈標記處為反光片位置；選取了圈梁構件5處尺寸進行測量分析，如圖2實線標記的A～E。

3.2 現場攝影

沿L型圈梁外圈至內圈連續拍照40次，拍照順序從外圈短邊起點延伸至外圈長邊終點。拍照順序如圖3所示。

3.3 影像匹配

將現場拍攝的40張像片按順序編號排列，并且每兩張相鄰像片保證照片前、后端有10%的圖像重疊，這樣可將現場拍攝的40張像片進行連續匹配。

通過將上述每張像片中的影像灰度按灰度等級進行數字化表示，并轉化成數字信號，使得每張像片轉化成為數字化函數。同時，標記出L型圈梁的起點、拐點及終點，以便在后處理時解析出圈梁實際形狀輪廓。標記出現場布置的反光片，以反光片間距1 m作為構件尺寸識別后處理的基準。

3.4 模型構建

將聯系匹配的像片導入圖片解析后處理軟件中，通過連續照片的拍攝角度及光照陰暗程度解析出每張照片的相對位置，從而獲取出攝影鏡頭路徑，如圖4所示。

從修正模型中量取A～E各邊的尺寸，與實際尺寸進行對比，判斷攝影測量的準確性。從表1可得，攝影測量的誤差基本在1 cm左右，可滿足工程測量的需求。

表1 構件模型誤差表 mm

4 結語

攝影測量不僅測量精度能滿足建筑工程要求；同時像片的采集不受設備限制，可以是任意具備攝影功能的設備，測量操作過程相對簡單、快捷，為建筑工程提供了一種新型的測量方法。

與此同時，攝影測量可通過攝影像片快速獲取構件的幾何物理信息，自動進行建筑物的三維實景模型重建，提高了建筑業的信息化和自動化。