無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)制作建筑立面圖方法研究

靳望

（天水三和數(shù)碼測(cè)繪院有限公司，甘肅 天水741000）

近年來(lái)，美麗鄉(xiāng)村建設(shè)和城市老舊小區(qū)改造發(fā)展迅速，然而由于各種原因，絕大部分老舊小區(qū)當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)圖紙都已丟失，對(duì)老舊小區(qū)立面進(jìn)行重新測(cè)量迫在眉睫[1-2]。傳統(tǒng)的立面圖制作是依靠全站儀進(jìn)行采集，這種作業(yè)方式效率低、風(fēng)險(xiǎn)高、成本高，難以解決工期緊的問(wèn)題。對(duì)于三維激光進(jìn)行立面圖采集，可有效解決效率低的問(wèn)題，但是三維激光價(jià)格昂貴，獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)噪點(diǎn)多，需要進(jìn)行濾波等相關(guān)操作，對(duì)作業(yè)人員技術(shù)水平要求高，也有一定的局限性[3-4]。隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展以及相機(jī)分辨率的不斷提高，加上攝影測(cè)量軟件算法的不斷優(yōu)化，傾斜攝影建模技術(shù)得到了迅速發(fā)展[5-6]。傾斜攝影通過(guò)多角度全方位的對(duì)地面進(jìn)行拍攝，可以從多個(gè)角度獲取建筑物側(cè)面結(jié)構(gòu)紋理信息，這讓利用模型生產(chǎn)立面圖成了可能[7-8]。本文主要介紹了傾斜攝影的原理，并以某城區(qū)道路兩側(cè)立面改造為例，通過(guò)外業(yè)數(shù)據(jù)獲取、內(nèi)業(yè)三維模型生產(chǎn)和立面圖制作，對(duì)制作的立面圖成果精度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)制作的建筑立面圖，能夠滿足建筑立面測(cè)繪精度的需求。

1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)介紹

1.1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影原理

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量是指在無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)上掛載多個(gè)多角度非量測(cè)數(shù)碼相機(jī)，從空中對(duì)地面進(jìn)行拍攝獲取地面影像數(shù)據(jù)[9]。目前主流的搭配為五鏡頭，即前視、后視、左視、右視和下視，四個(gè)側(cè)視鏡頭主要獲取建構(gòu)筑物側(cè)面紋理信息，這位立面測(cè)量提供了保障。下視鏡頭獲取建筑物的頂部信息，避免航飛過(guò)低時(shí)建筑物頂部因重疊度不夠而出現(xiàn)空洞[10]。五鏡頭側(cè)視鏡頭夾角一般呈45 度，由等邊直角三角形可知，要完整獲得測(cè)區(qū)邊緣，則航線至少要外擴(kuò)一個(gè)航高。

1.2 無(wú)人機(jī)傾斜攝影建模流程

主要包括航攝之前的測(cè)區(qū)勘察、空域申請(qǐng)、航線規(guī)劃、控制測(cè)量、航攝數(shù)據(jù)獲取、空中三角測(cè)量、三維模型生產(chǎn)，具體詳細(xì)流程見(jiàn)圖1。

圖1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影建模流程

測(cè)區(qū)勘察，主要是收集測(cè)區(qū)范圍內(nèi)已有的成果資料，比如高精度控制點(diǎn)，已有地形圖，原有建筑物設(shè)計(jì)圖紙等；空域申請(qǐng)是向有關(guān)部門(mén)申請(qǐng)空域，在得到批準(zhǔn)后才可以作業(yè)，以免違規(guī)作業(yè)帶來(lái)意外；航線規(guī)劃是指按照要求在對(duì)面站軟件里設(shè)置相關(guān)參數(shù)，如地面分辨率，重疊度等。

2 項(xiàng)目實(shí)例

2.1 測(cè)區(qū)概況

測(cè)區(qū)位于城區(qū)主干道兩側(cè)，主要完成道路兩側(cè)立面圖的制作，包括墻體面積、窗戶面積等，便于后期對(duì)工作量進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)算，對(duì)改造方案進(jìn)行更加合理的設(shè)計(jì)。道路兩側(cè)樹(shù)木較少，建筑物可見(jiàn)度高，最高建筑物約100 米。

2.2 外業(yè)數(shù)據(jù)獲取

結(jié)合建筑物高度，對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行多架次劃分，并進(jìn)行變高飛行，確保在安全飛行的前提下能夠獲得更高分辨率的影像。在航飛之前，首先對(duì)測(cè)區(qū)范圍進(jìn)行空域申請(qǐng)，在得到批準(zhǔn)手續(xù)后，結(jié)合測(cè)區(qū)范圍線，按照100 米的距離均勻噴涂像控點(diǎn)點(diǎn)位并用GPS-RTK 完成像控點(diǎn)坐標(biāo)的采集。在地面站上設(shè)置航向、旁向重疊度均為85%，地面采樣分辨率為0.015 米，航攝時(shí)盡量保證在中午前后2 小時(shí)內(nèi)，確保了航攝成果的質(zhì)量。

2.3 內(nèi)業(yè)三維模型生產(chǎn)

對(duì)獲取的影像成果和POS 數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，刪除無(wú)效影像，利用勻光勻色軟件，對(duì)全部像片進(jìn)行調(diào)色，利用拖把更名器，對(duì)所有影像進(jìn)行重命名。整理原始像控點(diǎn)數(shù)據(jù)，解算像控點(diǎn)成果。利用Context Capture 軟件自檢校功能，對(duì)少量影像進(jìn)行空三解算，獲得更加精確的相機(jī)參數(shù)?？罩腥菧y(cè)量主要包括自由網(wǎng)平差和帶著控制點(diǎn)的平差，自由網(wǎng)平差理論上是指沒(méi)有任何約束的平差，也可以說(shuō)是帶著POS 數(shù)據(jù)的平差。初次平差，主要依據(jù)POS 數(shù)據(jù)，解算過(guò)程主要包括影像金字塔的創(chuàng)建、特征檢測(cè)、特征提取、特征匹配、圖像相似度計(jì)算、帶著POS 數(shù)據(jù)的平差調(diào)整。二次平差，是指帶著像控點(diǎn)的平差，平差的結(jié)果是將POS 下的虛擬坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到像控點(diǎn)坐標(biāo)系下，使生產(chǎn)的實(shí)景三維模型具有準(zhǔn)確的坐標(biāo)。

本次建模使用的是Context Capture 軟件，該軟件空三精度高、可集群作業(yè)、效率高、模型質(zhì)量好。由于是多架次，后期需要對(duì)模型進(jìn)行接邊，因此需要設(shè)置兩處原點(diǎn)坐標(biāo)。一處是在重建下的空間框架里，這里的原點(diǎn)主要是確定瓦片命名起算位置的；另一處在空間參考系統(tǒng)下，這里的原點(diǎn)是確定模型坐標(biāo)的，即模型發(fā)布的原點(diǎn)坐標(biāo)。由于模型里面是小坐標(biāo)，只有和原點(diǎn)的坐標(biāo)求和，才可以得到真正的絕對(duì)坐標(biāo)。為了后期模型接邊，這里兩處原點(diǎn)在所有的工程中都必須設(shè)置一樣。

2.4 EPS 軟件立面圖制作

本次立面圖制作使用的是北京清華三維的EPS5.0 軟件，該軟件模塊多，功能齊全，可以較好地生產(chǎn)并導(dǎo)出立面圖成果。首先確定要生產(chǎn)立面圖的對(duì)象，然后利用軟件的“模型文件切割”功能，將需要制作立面圖的建筑物從原有模型中分離出來(lái)，這樣在采集立面的時(shí)候無(wú)遮擋，可使采集的立面圖精度更高。通過(guò)調(diào)整透視投影，可以改變查看模型的角度，更有利于立面圖的繪制，如圖2，左側(cè)四個(gè)圖分別是右側(cè)建筑物的四個(gè)視角下的立面圖。

圖2 某一建筑四個(gè)角度的立面圖成果

3 精度檢測(cè)與評(píng)定

利用南方數(shù)碼公司的全站儀（測(cè)量精度為2+2ppm），對(duì)立面圖中的線條隨機(jī)抽取15 條進(jìn)行精度檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 立面圖精度檢測(cè)統(tǒng)計(jì)表 cm

對(duì)隨機(jī)抽取的15 條邊長(zhǎng)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果中最大殘差值為4.1cm，最小殘差值為1.6cm，均滿足建筑立面測(cè)繪產(chǎn)品的需求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用傾斜攝影技術(shù)來(lái)生產(chǎn)立面圖，精度有保障，可以提高立面圖生產(chǎn)速度，節(jié)約成本，是很實(shí)用的一種作業(yè)方式。

本次精度可以滿足建筑立面測(cè)繪需求，分析其原因主要是因?yàn)?(1) 樹(shù)木幾乎對(duì)建筑物未遮擋，生產(chǎn)的模型幾乎無(wú)拉花現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)完整；(2)采用的變高飛行作業(yè)方式獲取數(shù)據(jù)，確保采集的影像分辨率夠高；(3)利用軟件自檢校功能，對(duì)影像進(jìn)行相機(jī)參數(shù)解算，得到精確的相機(jī)參數(shù)；(4)使用的建模軟件算法完善，空三精度高，生產(chǎn)的模型質(zhì)量好；(5)像控點(diǎn)夠密，按照100 米的距離布設(shè)像控點(diǎn)，使空三精度足夠高。對(duì)于建筑物四周遮擋嚴(yán)重的區(qū)域，基于傾斜攝影模型生產(chǎn)立面圖的作業(yè)方式是不可取的，可采用手持激光掃描儀，在地面上近距離對(duì)建筑物進(jìn)行掃描，然后利用專業(yè)軟件進(jìn)行建筑物立面圖的制作。

結(jié)束語(yǔ)

本文簡(jiǎn)單敘述了無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)原理和實(shí)景三維模型的生產(chǎn)流程，并以實(shí)際項(xiàng)目為例，對(duì)本文提到的作業(yè)方式生產(chǎn)的立面圖成果進(jìn)行精度檢測(cè)，結(jié)果表明本文提到的作業(yè)方式生產(chǎn)的立面圖可以滿足建筑立面對(duì)測(cè)繪產(chǎn)品的精度需求，為同行作業(yè)人員提提供了一種新的生產(chǎn)立面圖的方法，可為從事立面圖生產(chǎn)的人員提供一定的借鑒意義。