貼近攝影測量技術在建筑立面圖測繪中的應用

肖 海

(中國建筑材料工業地質勘查中心湖南總隊,湖南 株洲 412000)

0 引言

建筑物立面圖測繪是建筑設計、工程施工和維護管理等領域中的重要環節,可以獲取建筑物的幾何尺寸、面積和體積等信息,幫助勘測人員準確了解建筑物的外觀、結構和細節,為建筑設計、施工和維護提供重要的參考依據。傳統的全站儀、經緯儀立面測繪方法需要人工登高,不僅危險,而且費時費力,三維激光掃描測量作業成本高、價格昂貴[1-3]。無人機貼近攝影測量技術是利用無人機搭載的高清影像采集設備,以航拍建筑物立面為目標并通過圖像處理和分析得到立面圖數據的一種技術手段,該技術可以通過無人機飛行航線規劃和自動懸停等功能,基于精確的航跡規劃和先進的圖像處理算法,可以獲得高分辨率的建筑物立面圖像,借助計算機視覺和圖像匹配技術,可以對圖像進行特征點提取、立面線提取等處理,進而重建建筑物立面的三維模型。這種基于圖像的無人機立面測繪方法相較于傳統的測量方法,具有高效、精準、經濟、無需人工登高等諸多優勢,大大減少了人力成本和時間成本,具有巨大的潛力和優勢,在建筑行業中扮演更加重要的角色,為建筑物測繪和建設提供更精確、高效的解決方案[4]。

1 相關理論基礎

1.1 建筑物立面圖測繪

與建筑立面平行的鉛直投影面上所做的正投影圖稱為建筑立面圖,簡稱立面圖。立面圖主要反映房屋各部位的高度、外貌和裝修要求,是建筑外裝修的主要依據,一般以建筑物的某個立面面向哪個方向,就稱為哪個方向的立面圖。

當前建筑物立面圖的測繪主要以全站儀為主,坐標測量示意圖如圖1所示,首先確定測量方向,如選擇建筑物正立面、背立面兩個側面作為測量方向并確定測量控制點;然后應用免棱鏡法測量和記錄特征點坐標;再將測量得到的數據輸入繪圖軟件,繪制建筑物立面圖,標注出各部分的尺寸和特征,并按照處理障礙物和特殊要求,以確保測繪結果的準確性和完整性。

1.2 貼近攝影立面測量原理

貼近攝影測量以面為對象原理是該技術的核心之一,即以少量三維控制點為基礎,利用高分辨率的地面照片和計算機算法,對目標區域進行精細化測繪。相對于傾斜攝影測量,貼近攝影則是在適當的角度下近距離拍攝建筑影像數據,立面紋理細節更豐富,獲取信息更加完整,大大提高了立面測繪精度。貼近攝影原理如圖2所示[5]。

2 工程實例

2.1 測區概況及技術路線設計

實驗測區為某老舊居民樓,現需要進行舊城改造工作,需核算工作量,建筑物高約50 m,共15層。由于樓層較高,傳統測繪手段測量難度較大,因此本文基于無人機貼近攝影測量技術獲取建筑物立面影像數據,建立目標物高質量實景三維模型,基于三維模型進行立面圖繪制。本項目應用無人機貼近攝影測量技術進行立面圖測繪,整體技術路線如圖3所示,包括需求分析、航線規劃、數據采集、實景三維建模、立面圖繪制和精度分析等六大部分。

首先根據需求確定掃描區域和精度要求,進而選擇合適的無人機和影像采集設備,確保具備高分辨率和良好的圖像質量;考慮到建筑物的高度和結構,保證無人機可以貼近建筑物進行拍攝,在地面控制端進行航線規劃,并根據實際要求定義關鍵參數;再實地進行數據采集時,根據航線規劃進行自主飛行或遙控操控,采集目標建筑立面數據;緊接著應用實景建模軟件對獲取的影像數據進行影像數據處理,建立測區實景三維模型;最后在三維模型基礎上進行立面圖繪制和成果精度分析。本文主要選擇的是大疆經緯M300 RTK無人機搭載的是P1相機,主要參數如表1所示,通過搭載不同傳感器進行影像數據采集。

表1 大疆經緯M300 RTK無人機參數

2.2 立面影像數據采集

應用無人機設備和相機進行外業數據采集時,首先需要設置一些控制點和標志物,以便后續進行幾何糾正和定位,本項目主要布設一些黑白平面靶標黏貼在墻壁立面上;然后通過預先設置的飛行計劃,無人機起飛并自動執行航線飛行,本項目飛行高度設為2 m～50 m之間,航向和旁向重疊率均設置為75%,以建筑物為中心,執行四邊形影像采集任務。在飛行過程中,無人機與建筑物間的距離設為10 m左右,鏡頭垂直于建筑立面從四個立面拍攝多個角度和視角的照片,以確保全面捕捉建筑物立面的細節。環繞拍攝時,相鄰影像間重疊度需達到80%;轉角區域需注意避免因視角變化過大造成漏攝。拍攝完成后檢查作業,對于有遮擋、復雜區域還需進行補拍(見圖4)。

2.3 實景三維模型重建

本項目應用Context Capture Center軟件建立實景三維模型,首先將POS數據、慣性導航姿態信息、原始影像和相機文件導入該軟件中,利用軟件進行圖像處理和特征提取,自動識別和匹配照片中的地面點和建筑物特征,進行空三解算;然后通過密集匹配算法,將各個照片的特征點進行匹配,并進一步生成高密度的點云模型;最后,基于高密度點云數據和三角網擬合算法將點云數據擬合三角網模型,并將照片的紋理信息映射到三角網模型上,生成實景三維模型[6]。

3 立面圖測繪及驗證分析

3.1 立面圖繪制

基于實景三維模型進行立面圖繪制應用的是EPS三維測圖軟件,首先將osgb數據格式轉換為可識別的3d Tiles格式,導入實景三維模型到繪圖軟件平臺中,并進行必要的設置和調整,比如設置坐標系、縮放比例等;再根據實際需求,在模型中提取出需要繪制的建筑物的立面信息。可以使用工具或手動繪制來提取墻壁、門窗、梁柱等元素,使用繪圖工具進行直線、曲線、填充等操作,繪制建筑物的輪廓和細節;然后導出線畫圖成果,到CAD軟件中繪制,根據需要,在繪制好的平面圖上添加文字標注、尺寸標記、符號等,以提供更詳細的信息和解釋;最后進行校驗和調整,確保繪制的平面圖符合實際建筑物的形狀、尺寸和比例,并輸出和編輯。本項目繪制好的立面成果圖如圖5所示[7-8]。

3.2 精度驗證分析

為驗證立面數據精度是否滿足要求,利用全站儀采集的角點距離為真實值,最后與本文方法建立的立面成果圖進行求差比較,并利用式(1),式(2)求解中誤差和最大相對誤差,式中σ為中誤差,δ為相對誤差,ΔL為差值,n為點個數,本項目共進行了30組驗證對比計算。結果如表2所示。

表2 實測距離與模型量測距離偏差

根據表2實測邊長與模型量測偏差,得到邊長中誤差為0.055 m,最大相對偏差為2.11%,整體來看精度較高。

(1)

(2)

通過對30個檢查點進行精度評定,可以看出,構建的三維模型立面測量結果與實際建筑高度最大誤差5.5 cm,平均誤差3.7 cm,中誤差為3.9 cm,所有量測結果均在6 cm以內,符合相關規范要求。

4 結語

無人機貼近攝影測量技術應用使建筑物立面的測繪工作更加高效和精確,能有效減少人力和時間成本,可以在建筑設計、工程施工、城市規劃等領域,為決策和設計提供重要的數據支持。但是由于該技術在外業數據采集時,無人機需要貼近目標物進行影像數據采集,因此在進行外業操作時需要謹慎規劃航線,防止出現“炸機”事故造成人員和財產損失。