無人機傾斜攝影測量在古建筑測繪中的精度優化研究

摘" 要：歷史建筑結構通常具有建分布密集大、結構較為復雜的特征，以往的測繪方法難以及時取得建筑結構的空間數據，在歷史建筑區域中，使用低空無人機傾斜航攝技術，能夠實現免相控影像信息收集，并利用相關處理軟件，構建出完整的歷史建筑結構的傾斜模型，在對模型實施單體化之后，可以為歷史建筑建立三維數據庫提供依據，并在三維立體信息收集軟件中制作出傾斜三維測圖的剖面圖、平面圖等，從而能夠迅速處理歷史建筑的各項測繪工作。對此，[A2]"首先介紹無人機傾斜攝影三維建模原理及流程，其次提出無人機傾斜攝影測量精度優化策略，然后分析古建筑測繪中無人機傾斜攝影測量技術應用實例。

關鍵詞：古建筑 "無人機 "傾斜攝影測量 "精度[83]

中圖分類號：TU198

Research on Accuracy Optimization of Unmanned Aerial Vehicle Tilt Photogrammetry in Ancient Architecture Surveying

ZHANG Ming "DING Guixiang "LI Shuxuan

Shandong Lukan Geological Engineering Co.， Ltd. ， Weifang， Shandong Province， 261021 China

Abstract： ：Historical building structures usually have the characteristics of dense distribution and complex structure. Previous surveying methods were difficult to obtain spatial data of building structures in a timely manner. In the historical building area， the use of low altitude unmanned aerial vehicle oblique aerial photography technology can achieve phase free image information collection， and use relevant processing software to construct a complete oblique model of the historical building structure. After the model is modularized， it can provide a basis for establishing a three-dimensional database of historical buildings， and produce oblique three-dimensional sectional and plan viewssurvey profiles， plans， etc. in three-dimensional information collection software， so as to quickly process various surveying work of historical buildings. Firstly， the principle and process of unmanned aerial vehicle （UAV） oblique photography 3D modeling are introduced. Secondly， the optimization strategy for UAV oblique photography measurement accuracy is proposed. Then， the application examples of UAV oblique photography measurement technology in ancient architectural surveying are analyzed.

Key Wwords： Ancient architecture; UAV; Oblique photogrammetry; Accuracy

在歷史建筑中，蘊藏著特定時間段中城市的文化、政治以及經濟的具體發展情況，承載著整座城市悠久的歷史底蘊，是一種無法再生的文化資源，并且還對城市的影響力與競爭力有著較大影響。歷史建筑結構區域由于間隔比較小、密度大的特點，難以使用傳統的測繪方法，同時在人工操作過程中會對建筑造成一定程度的損壞。現階段，隨著低空無人機傾斜航攝技術的快速發展，在地理與測繪方面發揮著關鍵作用，傾斜三維模型使用范圍逐漸擴大，根據低空無人機傾斜航攝系統取得的多樣性成果，可以在建立傾斜三維模型情況下，構建數字高程模型，并制作出精準度較高的地形圖，收集建筑結構立面數據，簡化操作流程，降低風險事故發生[A4]"概率，并且有著較高的靈活機動性，從而能夠為測繪古建筑提供各種支持。因此，對無人機傾斜攝影測量在古建筑測繪中的精度優化進行深入研究具有重要意義。

[85]"1 "無人機傾斜攝影建模技術基本原理

在利用傾斜攝影測量技術時，可以將數字航攝儀設置在相同飛行平臺中，從傾斜、垂直等各個角度對地面影像進行收集，然后在磁盤中記錄各種數字影像，合理利用數字傾斜攝影測量軟件，使影像更加直觀與真實[A6]"地呈現在人們面前。在對地面影像進行收集時，主要包括斜片與正片。其中，獲取到的一組正片影像通常是垂直向下，而斜片具體是指拍攝時鏡頭方位與地面形成夾角，從而獲取到分別指向各個位置的影像。在垂直影像中，建立建筑結構三維模型時，傾斜影像顯得尤為關鍵，能夠從整個建筑結構的前、后等不同方位觀察到建筑側面區域，能夠生成建筑表層中的紋理細節。在拍攝相同位置時，采用垂直拍攝的方法，可保證建筑三維模型的合理性與精準性。在對數據進行處理時，將照片上傳至Smart3D軟件內，使用計算機圖形實施計算，根據POS數據進行空三加密，獲取到點云，建立完整的格網，然后根據照片形成紋理清晰的三維模型^[1]。

2 工程概況

某歷史文化建筑處在城市的中心區域，屬于多層建筑，外掛水泥面，采用磚瓦結構，整個建筑坐北朝南，總長度約為80 m，寬度在20 m左右。附近樓房眾多，并且西邊位置建有高度為百米的建筑，顯著增加飛行難度。在硬件準備方面，主要運用大疆創新DJI“Phantom4Pro”無人機；通過計算機服務器進行集群處理。在選擇建模軟件時，采用ContextCapture；而修模軟件選用DP-Modeler；另外，繪圖軟件主要應用Autocad、3DMax等。

3 "古建筑測繪中無人機傾斜攝影測量技術應用實例

3.1" 傾斜攝影建模

3.1.1" 建模流程

在外業進行正式工作之前，應對與歷史建筑有關的信息采集和整理，明確建筑結構附近的具體狀況，編制出科學合理的飛行計劃，確定出具體的重疊度、計算飛行高度等。與此同時，通過研究明確出適宜的地面信息收集形式，使空中影像和地面信息能夠有效結合，并對模型實施處理^[2]。

3.1.2" 航高設計

基于測區與附近建筑結構的實際狀況，在外業傾斜拍攝過程中，選擇DJ“Phantom4Pro”無人機，且地面分辨率超過0.05 m，依據公式（1）[A7]"對行高進行計算：

具體指的是，當相機在正射地面過程中，其相對航高不得大于387 m。因在拍攝期間相機傾角的設計傾斜為45°，為了能夠符合地面分辨率超過5 cm的要求，所以飛機高度應保持在273 m以下。在此次拍攝中，相對行高需要控制在250 m。

3.1.3" 航攝影像獲取

無人機在外業傾斜拍攝環節中，空中傾斜的航向重疊的攝影測量需要設置在80%，而旁向重疊則設置為70%，在飛行過程中，根據DJ“Phantom4Pro”中的飛行軟件，采用傾斜攝影的方法開展飛行。在完成飛行工作之后，全面檢測相片質量，具體內容包括相片色調、反差、色彩是否達到規定標準，能否分辨出和地面相對較小的地物影像，并且漏飛位置需要第一時間補飛^[3]。

3.1.4" 地面補充拍攝

為了防止因反光、角度等方面問題，在進行地面補充拍攝過程中，主要分為以下幾個環節。其一，如果地面建筑結構立面超過2層，在拍照時，需要運用大疆“Phantom4Pro”無人機，采取手控環繞飛行的方法，根據立面的實際范圍精準設置航線，在不同拍攝位置捕捉3張照片，具體視角為垂直立面下傾與正射45°以及上傾45°，以避免航向重疊超過80%，旁向重疊高出70%，與建筑結構立面間距控制在10～30 m[A8]"左右，分辨率大于2 cm。其二，在使用4Pro無人機時，需要操作人員手持Phantom站立拍攝建筑首層。在進行拍照過程中，應移除無人機設備中的螺旋槳，以保證穩定與安全。在地面開展拍攝工作時，重疊度應超過80%，對于相同位置，應從各個角度至少拍攝3次，而在連續拍攝期間，角度應保持在15°以上。不同拍攝位置，收集2張照片，具體視角為垂直立面正射與上傾45°，防止出現遺漏細節的情況。

3.1.5" 空地聯合建模

在進行聯合建模時，主要存在的問題的是若相機在地面拍攝過程中，坐標數據丟失，分辨率、拍攝角度和傾斜相片之間有著一定差異性，顯著提升共同影像匹配的難度，應采用人工的方法增設照片的連接位置，以達到空三聯合平差的效果。在此次地面拍攝中，通過運用手持大疆無人機的方法實施聯合建模，從而能夠全面處理以上問題。在大疆無人機中，具有POS系統，在進行空三解算過程中，可以與傾斜攝影信息全面結合進行解算，簡化相機拍攝期間手動選擇連接位置的流程，降低人為干預，改善工作效率與精準性^[4]。

3.2" 模型修飾

在完成模型構建工作之后，一些細節方面依舊存在問題，從而會對立面圖制作準確性與模型質量產生較大影響，應對模型使用DP-Modeler軟件實施全面修飾。

3.2.1" 數據準備

準備三維模型（.obj與.osgb格式）、空三文件（.xml格式）以及原始影像（jpeg格式）。

3.2.2" 新建項目

導入準備信息（在空三和影像的對應中，導入三維模型分別為osgb和.obj格式）。

3.2.3" 修模

在修改紋理過程中，選用適宜的建筑結構，具體內容包括修改紋理、模型瓦片以及修改面，紋理自動映射，使用相機視圖，采用圖片編輯軟件，合理進行優化修改，并儲存。

在進行補洞時，選用合理的建筑物、修補面以及動補洞，再實施修改和儲存。

3.2.4導出成果

采用解決方案資源管理器，選擇DP-Modeler文件，選擇右鍵，選擇批量導出。

在對模型進行修復之后，對比以前墻面、玻璃等局部位置發生變形、損壞以及拉花的情況，利用DP-Modeler軟件實施處理之后得到顯著改善，可以為后期制定立面圖提供參考依據。

3.3" 立面圖繪制

在使用Autocad和3dsMax軟件進行剖面與立面圖繪制時[A9]"：（1）運用3dsMax軟件，上傳模型信息，采用前視角度的視圖圖框，調整成正交形式相同的色彩，并對截取到的立面影像區域進行優化[A10]"；（2）在3dsMax軟件中，開啟渲染器，使用渲染視圖，然后對截取范圍進行合理設置，并運營染輸出，選擇路徑保存視圖[A11]"；（3）在Autocad軟件中，將光柵插入圖像，根據規定比例進行縮放，使圖像能夠矢量化，增設建筑標識，編制出適宜的圖框圖名[A12]"；（4）在剖面圖中，使用測距儀，測量出的結構大小運用Autocad進行繪制^[5]。

3.4" 精度分析

在傾斜模型中，不同區域均涉及[A13]"三維位置數據，能夠為量測計算提供支持。現場實際測量出的邊長和三維模型測出的邊長對比，邊長較差最高為0.09 m，最低為0.04 m；而高度較差最高為0.11 m，最低為0.05 m，符合相關規定的標準。

4" 結語

綜上所述，本文結合實例，對無人機傾斜攝影測量在古建筑測繪中的精度優化進行全面分析。在古建筑測繪中，通過合理運用貼近攝影技術、無人機傾斜攝影技術等，能夠獲取到各種關鍵信息與潛在使用價值。因此，將無人機測量技術大范圍應用到古建筑測繪領域，對于保護古建筑以及記錄歷史文化資料提供全新的途徑與思路。

參考文獻

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