貼近攝影測(cè)量在單體建筑物精細(xì)化建模中的應(yīng)用

苗志成，楊永崇，于慶和，王征強(qiáng)，陳寶強(qiáng)

(1.西安科技大學(xué) 測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，西安 710054；2.黑龍江省林業(yè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080；3.寶雞市勘察測(cè)繪院，陜西 寶雞 721000)

0 引言

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量是近些年來(lái)剛發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)，它改變了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限，通過(guò)在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器，同時(shí)從一個(gè)垂直、四個(gè)傾斜五個(gè)不同的角度進(jìn)行影像采集[1-3]。傾斜攝影測(cè)量雖然在一定程度上解決了垂直航空攝影無(wú)法獲取建筑物立面信息的問(wèn)題，但采集的信息并不完整，尤其是建筑物的中下部容易出現(xiàn)空洞、拉花等現(xiàn)象，會(huì)造成幾何和紋理信息的缺失，進(jìn)而影響建模成果的完整度和精度。苑方艷等[4]利用無(wú)人機(jī)搭載兩鏡頭搖擺相機(jī)的方式，通過(guò)鏡頭的擺動(dòng)獲取六個(gè)角度的影像，但還是難以解決模型近地面區(qū)域拉花、空洞的問(wèn)題。胡應(yīng)龍等[5]利用多旋翼無(wú)人機(jī)和三軸云臺(tái)相機(jī)采集多視角影像，通過(guò)低空與地面影像相互融合的方法建立三維模型，但存在補(bǔ)拍工作量大的問(wèn)題。文獻(xiàn)[6-8]利用單鏡頭無(wú)人機(jī)對(duì)單體建筑物進(jìn)行環(huán)繞飛行，但是受航線固定半徑的限制，面對(duì)高層建筑、懸空寺等特定建筑時(shí)，環(huán)繞飛行難以發(fā)揮作用。針對(duì)單體建筑物在空間上相對(duì)獨(dú)立的特點(diǎn)，本文基于貼近攝影測(cè)量[9](nap of the object photogrammetry)對(duì)單體建筑物進(jìn)行貼近式測(cè)量，以獲取被測(cè)物體的高分辨率影像、精確位置及豐富紋理[10]。貼近攝影測(cè)量融合了傾斜攝影測(cè)量和近景攝影測(cè)量各自的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)近距離、多角角拍攝，可以有效解決當(dāng)前傾斜攝影測(cè)量拍攝角度受限的問(wèn)題[11-12]。

1 貼近攝影測(cè)量

1.1 貼近攝影測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)

貼近攝影測(cè)量以物體的“面”為對(duì)象，通過(guò)近距離拍攝獲取高分辨率影像，進(jìn)行精細(xì)化地理信息提取。相較于傾斜攝影測(cè)量，這種方式彌補(bǔ)了其無(wú)法獲取完整的建筑物立面信息的不足，得到的模型更加完整，紋理信息更加豐富。貼近攝影測(cè)量通過(guò)豎直方向上的航線規(guī)劃，對(duì)建筑物進(jìn)行全方位、立體式拍攝，這是傾斜攝影測(cè)量所不具備的。

1.2 航線參數(shù)計(jì)算

貼近攝影測(cè)量的核心在于三維航線的規(guī)劃。航線規(guī)劃平面與物體表面平行，航線的形式為“弓”字形，包括水平航線和豎直航線兩部分。

1)水平航線參數(shù)計(jì)算。要重建影像間的幾何關(guān)系，首先要保證影像有足夠的重疊度[13]。重疊度包括航向重疊度及旁向重疊度。航向重疊度是指沿航線方向相鄰照片重疊部分與相片長(zhǎng)度的比值；旁向重疊度是指相鄰航線之間相鄰照片重疊邊長(zhǎng)與相片寬度的比值。

相機(jī)的視場(chǎng)角為相機(jī)的固定值，決定了相機(jī)的視野范圍。對(duì)應(yīng)的地面成像范圍如式(1)所示。

(1)

式中：G為對(duì)應(yīng)的地面成像范圍；d為攝影距離；fov為相機(jī)的視場(chǎng)角。

由此可得圖像水平方向的覆蓋范圍，如式(2)所示。

(2)

式中：Gx為圖像水平方向的覆蓋范圍；d為攝影距離；fovx為相機(jī)的水平視場(chǎng)角。

水平方向上重疊邊長(zhǎng)計(jì)算如式(3)所示。

Lx=px×Gx

(3)

式中：Lx為水平方向上重疊邊長(zhǎng)；px為航向重疊度；Gx為圖像水平方向的覆蓋范圍。

水平方向上兩個(gè)曝光點(diǎn)間的距離計(jì)算如式(4)所示。

(4)

式中：ΔSx為水平方向上兩個(gè)曝光點(diǎn)間的距離；Gx為圖像水平方向的覆蓋范圍；Lx為水平方向上重疊邊長(zhǎng)；px為航向重疊度；d為攝影距離；fovx為相機(jī)的水平視場(chǎng)角。

在軌跡規(guī)劃平面內(nèi)，沿A′到B′方向，間隔ΔSx距離，依次計(jì)算出曝光點(diǎn)的水平坐標(biāo)。無(wú)人機(jī)在水平方向航線規(guī)劃示意圖如圖1所示。

圖1 水平方向航線規(guī)劃示意圖

2)豎直航線參數(shù)計(jì)算。與水平方向的航線規(guī)劃不同，豎直方向上根據(jù)無(wú)人機(jī)與地面的安全距離是否大于立面高度可分為兩種情況。一種是無(wú)人機(jī)最低安全飛行高度小于立面高度；另一種是無(wú)人機(jī)最低安全飛行高度大于立面高度。

當(dāng)無(wú)人機(jī)最低安全飛行高度H0小于立面高度HV時(shí)，如圖2所示，類似于水平方向的規(guī)劃，從H0開(kāi)始，飛機(jī)飛行高度每次增加Δh，計(jì)算相機(jī)的覆蓋范圍，直到某次覆蓋范圍超出立面高度時(shí)停止，相機(jī)鏡頭始終與立面保持垂直，其中，Δh的計(jì)算如式(5)所示。

圖2 豎直方向航線規(guī)劃示意圖(H0

(5)

式中：Δh為無(wú)人機(jī)相鄰航線間高度；py為旁向重疊度；d為攝影距離；fovy為相機(jī)的垂直視場(chǎng)角。

同理，由式(1)可得到圖像豎直方向上的覆蓋范圍(式(6))。

(6)

式中：Gy為圖像豎直方向上的覆蓋范圍；d為攝影距離；fovy為相機(jī)的垂直視場(chǎng)角。

Ly=py×Gy

(7)

式中：Ly為豎直方向上相鄰相片重疊邊長(zhǎng)；py為旁向重疊度；Gy為圖像豎直方向上的覆蓋范圍。

豎直方向上兩個(gè)曝光點(diǎn)間的距離如式(8)所示。

(8)

式中：ΔSy為豎直方向上兩個(gè)曝光點(diǎn)間的距離；Gy為圖像豎直方向上的覆蓋范圍；Ly為豎直方向上相鄰相片重疊邊長(zhǎng)；py為旁向重疊度；d為攝影距離；fovy為相機(jī)的垂直視場(chǎng)角。

在軌跡規(guī)劃平面內(nèi)，沿豎直方向，間隔Δh距離，依次計(jì)算出曝光點(diǎn)的高程值。

當(dāng)無(wú)人機(jī)最低安全飛行高度H0大于立面高度HV時(shí)，如圖3所示，為保證拍攝范圍能夠覆蓋建筑物底部，需要調(diào)整鏡頭方向，此時(shí)，無(wú)人機(jī)鏡頭方向不再垂直于建筑物立面，而是與立面成一個(gè)銳角α。最后將水平位置、高程位置、無(wú)人機(jī)機(jī)身朝向、無(wú)人機(jī)鏡頭角度進(jìn)行綜合，獲得最終的航跡規(guī)劃結(jié)果。由式(6)、式(7)、式(8)可依次計(jì)算得到圖像豎直方向上的覆蓋范圍Gy、豎直方向上相鄰相片重疊邊長(zhǎng)Ly、豎直方向上兩個(gè)曝光點(diǎn)間的距離ΔSy等參數(shù)。

圖3 豎直方向航線規(guī)劃示意圖(H0>HV)

1.3 貼近攝影測(cè)量技術(shù)流程

1)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集。貼近攝影測(cè)量遵循“由粗到細(xì)”的原則，在航線規(guī)劃之前，進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，利用傾斜攝影測(cè)量或者其他方式獲取拍攝對(duì)象的影像數(shù)據(jù)，通過(guò)自動(dòng)空中三角測(cè)量得到拍攝對(duì)象的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，生成粗略地形信息。

2)立面信息采集。在已有點(diǎn)云數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，針對(duì)每個(gè)立面規(guī)劃航線。根據(jù)拍攝對(duì)象的實(shí)際特點(diǎn)和測(cè)量任務(wù)的精度要求，設(shè)置無(wú)人機(jī)安全飛行高度、與立面的距離以及航向重疊度和旁向重疊度等參數(shù)。

如今，世界頂級(jí)灣區(qū)都開(kāi)始具有各自鮮明的產(chǎn)業(yè)特征。比如：東京灣區(qū)定位“產(chǎn)業(yè)灣區(qū)”、舊金山灣區(qū)定位“科技灣區(qū)”、紐約灣區(qū)定位“金融灣區(qū)”等。

模型的完整性主要取決于相鄰立面影像的匹配程度，影像匹配實(shí)質(zhì)上是在兩幅(或多幅)影像之間識(shí)別同名點(diǎn)的過(guò)程[14]。為了保證相鄰立面的銜接處連接得更好，使影像上有足夠多的同名點(diǎn)，在進(jìn)行航線規(guī)劃時(shí)將航線規(guī)劃平面適當(dāng)向兩側(cè)延伸，確保相鄰立面的航線規(guī)劃平面能夠相互交叉。必要時(shí)，還可利用無(wú)人機(jī)對(duì)立面間連接處進(jìn)行補(bǔ)拍。

3)數(shù)據(jù)處理及三維建模。由于受到天氣、建筑物或其他障礙物遮擋的影響，獲取的相片質(zhì)量會(huì)受到不同程度的影響，不同相片色彩和光照分布上會(huì)存在較大差異，進(jìn)而影響到三維模型的制作和顯示效果[15]。數(shù)據(jù)采集完成后，檢查影像的色度、亮度和對(duì)比度是否符合要求。應(yīng)保證影像清晰、色調(diào)均勻[16]。利用Photoshop中的動(dòng)作記錄功能對(duì)相片進(jìn)行批量處理，通過(guò)調(diào)整相片的亮度、飽和度、對(duì)比度等，來(lái)達(dá)到勻光勻色的目的。利用Context Capture進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，它具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，能還原出接近真實(shí)的毫米級(jí)模型。把采集的影像添加到軟件中進(jìn)行空三計(jì)算、紋理映射和三維重建[17]。該軟件可自動(dòng)進(jìn)行空三加密，計(jì)算出每張影像的位置、姿態(tài)角等信息以及確定影像間的相對(duì)位置關(guān)系，通過(guò)布設(shè)像控點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)影像與地面近景影像的空間坐標(biāo)統(tǒng)一。多視影像匹配是自動(dòng)生成 DSM和構(gòu)建三維模型的技術(shù)基礎(chǔ)[18]，可以得到高精度、高分辨率的數(shù)字表面模型。相較于傳統(tǒng)的單一立體影像匹配，貼近攝影測(cè)量通過(guò)獲取多視影像，利用影像中的冗余信息，對(duì)拍攝地物中的錯(cuò)誤匹配進(jìn)行改正，確保影像間連接點(diǎn)的正確匹配。此外，多視影像可對(duì)傳統(tǒng)手段無(wú)法獲取的拍攝盲區(qū)的地物特征進(jìn)行補(bǔ)充，避免了模型表面空洞、拉花現(xiàn)象的產(chǎn)生，精度更高、紋理更加完整。貼近攝影測(cè)量技術(shù)流程如圖4所示。

圖4 技術(shù)流程圖

2 實(shí)驗(yàn)概況

此次實(shí)驗(yàn)對(duì)象為一個(gè)單體建筑物，周邊環(huán)境較為空曠、無(wú)遮擋，適合貼近攝影測(cè)量作業(yè)。該建筑物高度低、面積小，若采用傾斜攝影測(cè)量則很難獲取該建筑物的精細(xì)化三維模型，因此，可以采用貼近攝影測(cè)量的方式對(duì)該單體建筑物進(jìn)行三維建模。無(wú)人機(jī)型號(hào)為大疆精靈4(Phantom 4)Pro，為單鏡頭消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)，具有成本相對(duì)較低、采集效率高、機(jī)動(dòng)性能好等特點(diǎn)[19]，對(duì)起降場(chǎng)地要求不高，適合在城市建筑群之間穿梭。無(wú)人機(jī)安全飛行高度低于建筑物立面高度，無(wú)人機(jī)云臺(tái)俯仰角度為0°，垂直于建筑物立面。

實(shí)驗(yàn)所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)由傾斜攝影測(cè)量得到。由于貼近攝影測(cè)量對(duì)初始點(diǎn)云數(shù)據(jù)的要求不高，因此，無(wú)人機(jī)飛行三個(gè)架次即可滿足要求，航向重疊度和旁向重疊度分別為80%和70%。立面航線規(guī)劃主要依托于嘀噠好圖無(wú)人機(jī)平臺(tái)，通過(guò)立面選取、參數(shù)設(shè)置等步驟生成相應(yīng)的飛行航線。該軟件針對(duì)建筑物的四個(gè)立面分別進(jìn)行航線規(guī)劃。根據(jù)每個(gè)立面不同的情況，通過(guò)改變相應(yīng)的參數(shù)，可設(shè)置不同的航線。參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 航線參數(shù)設(shè)置

建筑物東、西、南、北四個(gè)立面航線規(guī)劃，如圖5所示。

圖5 各立面航線規(guī)劃圖

數(shù)據(jù)采集完成后，將影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入Context Capture中，經(jīng)過(guò)自動(dòng)空中三角測(cè)量、影像密集匹配、紋理映射等一系列步驟生成三維模型，如圖6所示。

圖6 貼近攝影測(cè)量成果

3 精度分析

三維模型的數(shù)據(jù)質(zhì)量主要包括模型的完整性、位置精度和邏輯一致性等。為了驗(yàn)證生產(chǎn)得到的三維模型質(zhì)量是否符合要求，需對(duì)其進(jìn)行精度評(píng)定。

把從建筑物上實(shí)際測(cè)量的三維坐標(biāo)值與模型上采集的對(duì)應(yīng)同名點(diǎn)坐標(biāo)值進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)對(duì)比分析，得到X方向、Y方向、Z方向的殘差值，進(jìn)而得到平面中誤差、高程中誤差。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)對(duì)象的特點(diǎn)，本實(shí)驗(yàn)利用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量(real time kinematic，RTK)技術(shù)獲取外業(yè)測(cè)量數(shù)據(jù)，實(shí)地選取了六個(gè)檢查點(diǎn)進(jìn)行精度對(duì)比。得到檢查點(diǎn)的誤差統(tǒng)計(jì)表，如表2所示。

表2 檢查點(diǎn)誤差統(tǒng)計(jì)表

由表2中數(shù)據(jù)可知，貼近攝影測(cè)量得到的三維模型X方向中誤差mx=0.009 7 m，Y方向中誤差my=0.011 0 m，平面中誤差ms=0.011 1 m，高程中誤差mz=0.013 0 m，滿足CH/T 9015—2012《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》中Ⅰ級(jí)1∶500成圖比例尺三維模型產(chǎn)品規(guī)定的平面中誤差小于0.3 m、高程中誤差小于0.5 m的要求。

對(duì)單體建筑物的仿真、保護(hù)和研究工作更注重的是建筑物本身的尺寸、結(jié)構(gòu)和紋理信息，因此，相對(duì)精度也是評(píng)定三維模型質(zhì)量的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。將生產(chǎn)好的三維模型導(dǎo)入EPS中，將內(nèi)業(yè)模型量測(cè)值與外業(yè)實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果均以絕對(duì)值的形式表示。此次外業(yè)共實(shí)測(cè)八個(gè)平面距離值和八個(gè)高程值。平面距離外業(yè)實(shí)測(cè)值和內(nèi)業(yè)模型量測(cè)值對(duì)比結(jié)果如圖7所示，高程值對(duì)比如圖8所示。

圖7 距離測(cè)量值和實(shí)測(cè)值差值對(duì)比

圖8 高程測(cè)量值和實(shí)測(cè)值差值對(duì)比

由圖7、圖8可知，平面距離測(cè)量值和模型量測(cè)值之差最大值為0.006 m，最小值為0.003 m；高程測(cè)量值與模型量測(cè)值之差最大值為0.005 m，最小值為0.002 m，精度均保持在毫米級(jí)別，幾何精度高，符合相關(guān)測(cè)量規(guī)范的要求[20]。

將兩種方法得到的三維模型進(jìn)行對(duì)比，如圖9所示。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)傾斜攝影測(cè)量相比，貼近攝影測(cè)量得到的三維模型相較于傾斜攝影測(cè)量得到的三維模型整體性更好，沒(méi)有出現(xiàn)空洞、拉花等現(xiàn)象，表面紋理更加清晰、真實(shí)和豐富，與建筑物外觀保持一致，可清楚觀察到墻上的標(biāo)牌符號(hào)及墻面的紋理，能反映模型表面細(xì)節(jié)變化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)該建筑物的高度還原。模型能反映物體長(zhǎng)、寬、高等任意維度變化大于0.5 m的細(xì)節(jié)，如建筑的外觀轉(zhuǎn)角變化，門窗的框架樣式等(圖10)。根據(jù)CH/T 9015—2012《三維地理信息模型生產(chǎn)規(guī)范》中關(guān)于建筑物要素模型制作的相關(guān)規(guī)定，貼近攝影測(cè)量得到的三維模型質(zhì)量符合Ⅰ級(jí)建筑物要素模型制作的要求。用同樣的方法在其他建筑物上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，也可得到相同的效果，如圖11所示。

圖9 兩種測(cè)量方式局部成果對(duì)比

圖10 貼近攝影測(cè)量成果細(xì)節(jié)展示

圖11 兩種測(cè)量方式得到的其他模型局部成果對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)傾斜攝影測(cè)量在單體建筑物建模中立面信息獲取不足的問(wèn)題，本文將貼近攝影測(cè)量運(yùn)用到單體建筑物的精細(xì)化建模中，結(jié)果表明該方法得到三維模型整體效果明顯高于傾斜攝影測(cè)量。傾斜攝影測(cè)量更適合大范圍、精度要求不是太高的場(chǎng)景，貼近攝影測(cè)量更適合小范圍、獨(dú)立的單體建筑物的精細(xì)化建模。利用貼近攝影測(cè)量得到的三維模型彌補(bǔ)了傾斜攝影測(cè)量難以獲取建筑物立面完整信息的缺陷，得到的三維模型更加完整，質(zhì)量更好，紋理更加豐富、真實(shí)，各方面指標(biāo)滿足CH/T 9015—2012《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》中Ⅰ級(jí)1∶500成圖比例尺三維模型產(chǎn)品的規(guī)范要求。貼近攝影測(cè)量以單鏡頭消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)作為飛行平臺(tái)，在實(shí)際生產(chǎn)中有利于節(jié)約成本。憑借其貼近飛行的特點(diǎn)，該技術(shù)將來(lái)還可用于古建筑的修復(fù)、建筑物的變形監(jiān)測(cè)等方面，特別是對(duì)地標(biāo)建筑物、仿真三維系統(tǒng)很有意義。當(dāng)然，貼近攝影測(cè)量仍然存在不足之處。這種測(cè)量方式雖然可以獲取每個(gè)立面的高分辨率影像，但是對(duì)于大面積建筑物而言，存在建模效率和處理速度低的缺陷。在后續(xù)的工作中，應(yīng)注重貼近攝影測(cè)量與其他測(cè)量方式的相互補(bǔ)充，借助其他測(cè)量方式的優(yōu)點(diǎn)，提高生產(chǎn)效率。