不同方法在立面測量中的對比分析

陳亮堂

(福建省121地質大隊, 福建 龍巖 364021)

0 引言

隨著城市的發展與環境品質的提升,老城區老街區建筑立面改造、高速高鐵沿線建筑景觀整治改造、老舊小區改造等工程項目越來越多,這些項目的開展,大部分是以建筑立面為工作目標。建筑立面是指建筑和建筑的外部空間直接接觸的界面[1],建筑物立面圖是在與建筑物立面平行的鉛錘投影面上所做的投影圖[2],它主要表現建筑物的外貌和形狀,反映建筑結構、門窗、陽臺、雨篷、臺階等的形狀和位置,以及建筑豎直方向各要素的高度,建筑物的藝術造型和價值要素等[3],是人的視角可見的、直觀的建筑視覺效果圖。近些年來,隨著立面測量項目與市場的增加,立面測量的設備、軟件也不斷涌現,與之伴隨的,是對立面測量成果精度要求的提高和立面圖表現形式的多樣化,測量對象也從普通建筑到城市高聳建筑及歷史建筑,測量內容從外立面到軸立面,作業難度越來越大。本文主要通過幾種不同的立面測量方法作業流程及成果精度分析,探索不同環境條件下的最佳測量方式。

1 不同立面測量方法及作業流程

1.1 全站儀立面測量

在常規在地形測量中,地物點空間位置的表現形式是一系列經過投影變換的(X,Y,H)坐標,以X、Y表示平面位置,H表示高程。假如以常規測量方式采集建筑物的立面要素,根據地物立面要素的坐標值可知,同一立面的所有特征點將集中落到同一條線上,即建筑物的邊線。若將立面圖投放到平面坐標系中,立面要素的橫坐標值域表示的是建筑物的長,立面要素的縱坐標值域表示的是建筑物的高,因此,只要將常規測量點坐標數據的H與Y互換,即可生成南方CASS軟件能直接讀取并簡碼識別的坐標數據文件[4]。

本次試驗的野外測繪采用徠卡TZ05免棱鏡全站儀,按1∶500外業數字測圖技術規程開展外業工作,內業成圖軟件使用南方CASS10.1軟件,成圖之前對野外采集的數據進行預處理,將對應立面的數據格式改為(點號,編碼,Y,H,X)的文件格式后簡碼識別,具體流程如圖1所示。

圖1 全站儀立面測量數據處理流程

在外業作業過程中發現,對于單幢建筑物可以采用獨立坐標測繪,每個面的立面圖單獨提取繪制,對于成片的街道宜先進行控制測量,然后逐幢進行測繪,用編碼記錄要素點,再提取建筑物每個立面的測量數據內業成圖。外業時宜采用帶有免棱鏡激光測距功能的全站儀進行外業數據采集,測出建筑物立面的要素點,個別因遮擋觀測不到的特征點,可采用手持激光測距儀進行補測,同時輔以外業草圖和現場照片,能解決大部分環境下的立面測量工作[5]。

1.2 無人機傾斜攝影測量

實景三維模型是一種運用數碼相機對構筑物進行多角度環視掃描拍攝,然后利用三維建模軟件處理生成的一種虛擬三維展示技術[6]。在計算機軟件輔助下可以對模型進行放大、縮小、移動、旋轉、量測等操作,常用于場地規劃、面積測量、土方計算、立面測量、地形測繪等工作。基于實景三維模型的立面測量,建筑物的臺階、門窗、陽臺、室外樓梯、檐口、屋頂、雨水管等各類裝飾構件都清晰明了,易于量測,運用非常廣泛,目前,實景三維模型的獲取方式多樣,其中最常見的是基于無人機的傾斜攝影測量。

基于無人機傾斜攝影測量的立面測量工作,可先按常規攝影測量方式獲取建筑物的三維模型,再通過南方CASS10.1和CASS3D軟件的立面采集功能直接繪制建筑立面圖。本次無人機傾斜攝影測量采用大疆經緯M600 Pro搭載大勢智慧雙魚5.0傾斜相機,為雙鏡頭十字擺動全畫幅相機,單個傳感器4 240萬像素,影像尺寸為7 952像素×5 304像素。航線規劃時設計航高150 m,航向重疊度為80%,旁向重疊度75%,采用大疆智圖軟件建模生成三維建模。基于三維模型的立面采集流程如圖2所示,三維模型效果如圖3所示。

圖2 基于三維模型的立面采集流程圖

圖3 實景三維模型效果圖

1.3 三維激光掃描

三維激光掃描技術是通過非接觸式高速激光器對目標進行掃描測量[7],通過測量掃描儀到目標點的距離和激光束的水平方向、豎直方向角度值計算激光落點的三維坐標,激光器發射密集激光束形成密集點云。這些點云數據是進行三維建模的基礎數據。現在的三維激光掃描儀不僅能掃描目標的點云數據,還具備拍照功能,儀器和軟件可根據點云位置和對應位置的照片,將點云渲染潤色,形成具有顏色的點云三維模型。該技術具有快速、非接觸、主動等特點,獲取的點云數據密度高、精度高,在文物保護、城鄉規劃、工業測量、數字城市等領域有了廣泛的應用[8]。

本次試驗采用美國法如focuss150三維激光掃描儀(測程為0.6～150 m,測距精度為±1.0 mm),作業過程中根據目標建筑物的復雜程度共布設了9站,內業數據處理軟件采用FARO SCENE和AUTOCAD2016。外業掃描工作結束后,先將掃描儀每一站掃描的點云數據導出建模,然后人工預拼接,將全部站點數據合并后借助軟件自動拼接,拼接完成并檢查無誤后進行點云數據去噪、壓縮、格式轉換。將拼接好的三維激光點云模型數據導入到AUTOCAD2016軟件中進行立面圖的繪制,具體流程如圖4所示,點云效果如圖5所示。

圖4 三維激光掃描立面測量數據采集和數據處理流程

圖5 三維激光掃描點云效果圖

2 成果精度及優缺點分析

為驗證上述3種立面測量方式的效果與精度,在立面圖采集完成后,隨機抽取建筑物的若干條邊,使用南方C100C手持激光測距儀(測量精度為±1.0 mm)實地測量建筑物邊長,測量時,激光束應水平,讀數至0.001 m,每條邊測量兩次,兩次測量較差小于2 cm時取平均數,較差大于2 cm時重新測量,將測量結果作為已知長度,與不同方法獲得立面圖的對應邊長進行對比,驗證精度情況,精度對比分析情況見表1。

表1 基于不同方式采集的立面圖精度對比表 單位：m

本次立面測量成果精度要求參考《城市測量規范》(CJJ/T 8—2011)中日照測量的地形圖及立面細部測繪的精度要求,將立面圖的各邊長視為立面的細部要素,根據規范要求,地物點間距中誤差應小于50 mm。根據上表抽檢結果可知,3種方法均滿足精度要求,在實驗中還發現,無人機傾斜攝影測量的誤差離散程度較高,誤差分布不規律,有些明顯地物點也可能出現粗差。在試驗過程中,上述3種方法也是各有千秋,主要有3個方面。

2.1 全站儀立面測量

在本次實驗過程中,使用全站儀開展立面測量,流程簡單,易上手,使用常規儀器、軟件即可實現工作任務,在個別拐點較多的地方再輔以手持激光測距儀、外業草圖、現場照片,可以解決大部分的立面測量工作。但全站儀只能采集建筑物的外形、尺寸,無法同時采集建筑物的顏色、紋理、建筑材質、裝飾細節等,需要拍攝大量照片用于后期輔助成圖,特別是建筑物高處的立面要素點,隨著視距的增加,觀測難度增大,測量完整度和精度也有所降低[9]。同時,使用全站儀立面測量外業時間較長,勞動強度大,人工成本、時間成本相對較高。

2.2 無人機傾斜攝影測量

在本次實驗過程中,運用無人機傾斜攝影測量方法最大的優點是可以用最直觀的方式真實還原建筑的結構、尺寸、顏色、紋理等細節,同時,能將大量的外業工作轉移到內業,減少了外業成本,降低了野外作業安全風險[11]。但是在具體作業過程中,也存在一些不足,主要是在受地形、建筑物高差影響的情況下,為保證無人機安全飛行,無人機很難以最佳高度貼近飛行以采集高清影像數據,同時,也會受到雨棚、樹木、屋檐等遮擋物的影響,導致對目標建筑物采集的影像信息不完整,特別是在與其他建筑毗鄰區和有樹的地方,出現三維模型拉花、模糊、破洞的現象,影響立面采集精度。

根據這些不足,在試驗過程中,為增強三維模型質量,后期還嘗試采用無人機仿地飛行和地面拍攝影像結合的空地融合方式進行精細建模。首先,運用大疆經緯M600 Pro搭載大勢智慧雙魚5.0傾斜相機以150 m的安全高度第一遍飛行,將飛行的影像數據導入計算機用大疆智圖軟件處理,生成數字高程模型(digital elevation model，DEM),再將數字高程模型導入大疆精靈4實時動態載波相位差分技術(real time kinematic,RTK)無人機,按70 m的高度以仿地飛行模式第二次飛行,仿地飛行可在確保無人機飛行高度安全的情況下以最佳的距離獲取更加清晰的近景影像[12]。在地面,利用帶定位功能的手機在建筑物附近按一定距離環繞拍攝,獲取精細紋理影像。最后,將獲取的各類影像數據進行整理檢查,把空中無人機影像與地面近景影像在計算機中聯合平差、協同處理,根據空地一體化空三結果進行三維建模,最終生成精細實景三維模型[13]。

通過對試驗區域精細建模前后兩個三維模型對比,后者模型質量大大提高,建筑物局部、細部得到更好的體現,三角網密度明顯提升,色彩更加明亮,模型拉花、模糊、破洞等現象大大減少,立面圖的采集工作更加順暢,精度也得到提高。但是,外業、內業工作量也增加了不少,數據處理更加復雜,對計算機硬件設備要求更高,對工作人員的技術水平也有更高的要求,精細建模前后三維模型對比如圖6所示。

(a)精細建模前 (b)精細建模后

2.3 三維激光掃描

在本次實驗過程中,采用基于三維激光掃描的立面測量外業工作相對簡單,可實現單組單人作業,不受全球定位系統(global positioning system，GPS)信號影響,只需預規劃好掃描站點,在儀器上設置好掃描參數后便可自動掃描,適用范圍廣,特別是在結構復雜、立面要素多的區域,有特別好的適應性。但是在三維激光掃描的作業過程中,只能從地面往上掃描,容易受屋檐及附屬物遮擋,同時,在窗戶、玻璃區域噪點較多,對內業立面采集產生不利影響,在站數較多時,還容易導致站點數據錯亂,對各站的點云數據拼接產生不利影響[14-15]。另外,在當前市場中,三維激光掃描儀的價格普遍較高,適配軟件也較少,仍然是國外的產品占據主流優勢,門檻相對較高。

3 結束語

在建筑結構相對簡單或工作總量不大的情況下,采用全站儀的作業方式,輔以手持激光測距儀補充測量,會更加方便快捷,無須調用大量人力物力,能達到速戰速決的效果;在建筑結構不復雜,作業范圍較大的情況下,采用基于無人機傾斜攝影測量結合外業補充調繪的方式,能大大減少外業工作量,將外業工作轉移到內業,提高項目總體經濟效益;在結構復雜、對細節和紋理要求較高的情況下,特別是歷史建筑的立面測量,采用三維激光掃描的方式能獲得更加精細的紋理,數據量豐富,可滿足立面圖、剖面圖、大樣圖等各種圖件的生產需求。