無人機傾斜攝影測量技術在建筑立面測量中的應用

曾遠星

(福建省建筑設計研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

近年來，隨著城市建設的不斷發展，老舊小區整治和歷史建筑的保護逐漸成為當前城市建設的一項重要任務。鑒于一些建構筑物年久失修、設計圖紙難以尋獲，在建構筑物改造前，用測繪手段逆向獲取建構筑物立面圖就成為了一項必不可少的工作。此外，立面圖也是城市老舊建筑物外觀裝修和景觀改造設計、造價和施工中的重要依據。傳統的建筑物立面測量，利用免棱鏡全站儀獲取建筑物關鍵位置三維點坐標，通過坐標轉換將數據導入到CASS中，依照外業草圖并結合高清相機拍攝建筑物外立面照片，繪制建筑物立面圖。由于傳統測量方法投入人員多、工作量大、作業效率低，工期難以滿足要求。

無人機傾斜攝影測量技術是最近幾年發展的一種新技術，其主要應用有城市實景三維建模[1-2]，大比例尺測圖[3]等方面，其主要優點有：①作業效率高，通過無人機為載體 ，外業數據采集只需1名無人機操控人員即可完成，數據采集過程可全自動化，不需要人工控制飛行姿態和人工拍攝。②真實性強，傾斜攝影測量所獲取的測量數據帶有紋理信息及空間坐標信息，成果模型能夠矢量化真實反映地物的現實情況，本質上有別于3DMAX、Sketchup等人工建模軟件制作而成的三維虛擬模型。通過傾斜攝影測量模型瀏覽軟件或相關測圖軟件，還可直接獲取模型中地物的平面坐標、高度、坡度、面積、體積等屬性信息，彌補了傳統人工建模仿真度低、幾何空間數據信息不真實的局限性[4-6]。

基此，本文擬結合某工程實例，探討無人機傾斜攝影技術在建筑物立面測量工作中的關鍵技術及工程應用。

1 傾斜攝影技術流程及立面測量基本原理

通過無人機搭載多鏡頭傾斜攝影，獲取多個角度的地面影像數據，加載到ContextCaptureCenter等數字影像建模軟件，生產出實景三維地圖，根據提取的建筑三維模型，切片出需要立面的建筑外立面；通過坐標轉換，獲取建筑外立面影像；根據影像點，取建筑外立面特征點(如建筑轉角，窗、門的轉角點)，導入到天正CAD，繪制立面圖。流程圖如圖1所示。

圖1 流程圖

傾斜攝影技術，在建筑立面測量中最關鍵的主要是坐標系的轉換。由于傾斜攝影獲取模型后的坐標系統O-XYH與所需要的建筑立面獨立坐標系統O’-X’H’不一致，因此需要進行坐標轉換。

其中，坐標轉換的原理是，模型生成的坐標系轉換為與建筑外立面一致的平面坐標系。如圖2所示：P點在模型中的坐標系O-XYH中的坐標為(Xp,Yp,H)，通過已知指定同一面上的兩個定向點D1，D2坐標計算旋轉角θ：

(1)

圖2 坐標系示意圖

坐標旋轉基準點可任意設置，坐標假設為(X0,Y0,H0)。為了方便計算，設置為坐標原點(0，0，0)，則建筑物上點P旋轉后的坐標為(Xrp,Yrp,Hrp)，公式如下：

(2)

經旋轉后的坐標，為平行或垂直建筑立面的坐標，提取轉換后的坐標Xrp以及高程Hrp信息，即旋轉后的坐標為平面坐標(Xrp，Hrp)，通過CAD展點將所獲取的轉換后的各建筑特征點導入到CAD，從而實現傾斜攝影模型數據的坐標系統到建筑立面數據平面系統的旋轉轉換。

立面圖繪制：將各轉換后特征點連接繪制成各建筑要素，保證各方向立面圖建筑長度、高度、寬度一致，相同單元的長度、寬度、高度、圖形要素一致，建筑立面的起算標高相同等。

2 工程應用

該工程為福州市某廠房改造項目，項目為區重點項目，工期要求緊，改造的建筑較多，且大部分建筑周邊無遮擋。該項目主要采用傾斜攝影測量技術方法獲取建筑立面，部分建筑立面采用傳統的全站儀測繪技術。

該項目使用的無人機，為中海達的iFly D6六軸旋翼無人機，其最大優點是飛行平穩、抗干擾性強、可搭載5鏡頭的iCam Q5 mini傾斜相機(5×2400萬像素)，從而獲取地表地物正面、左側面、右側面、前面、后面共5組不同方向的影像數據。

為了提高傾斜攝影模型精度，外業均勻布設11個像片控制點。通過像片控制點將所有的照片拼接建模。采用ContextCaptureCenter三維建模軟件建模，最后生成需要的3Dtitle格式文件，導入到PSG軟件中，如圖3所示。

圖3 傾斜模型

(1)選取模型中某建筑西側立面。首先，基準面選取；其次，通過軟件自帶的立面測量功能進行坐標轉換，將模型坐標轉換為與該基準面平行的坐標中；最后，直接在影像上特征點連接繪制成各建筑要素(窗、門等)。圖4為該建筑的西側立面測繪成果。

(2)為檢查建筑外立面其精度，直接在生成的立面圖中，隨機選取若干條窗戶、門、完整立面等特征線。在立面圖中測量邊長，與南方全站儀(測量精度為2+2ppm)實測測量結果進行對比分析，如表1所示。

表1 檢查邊長對比分析 m

由表1結果可以看出，傾斜攝影獲取立面圖中選取特征線的邊長與全站儀實測的邊長差值為-4.7cm～3.0cm，表明該方法生成的建筑立面圖中最大邊長誤差約為4.7cm，滿足建筑立面測繪成果需要。

3 結語

(1)針對常規建筑立面測量方法，存在難度大、人員要求多、效率低等問題，無人機傾斜攝影技術減少了野外的工作量，在周圍無遮擋的建筑物外立面測量以及屋面平面形狀測量中，具有很強的使用性。

(2)在實際工程應用中，立面測量采用的方法應根據項目大小和精度要求選擇。全站儀方法效率低但精度高，適合城市房屋改造的項目。當建筑物立面數量較少時且精度要求高時，宜采用全站儀立面測量的方法；當測量的建筑物立面數量較大，周圍較空曠且對三維實景有較高要求時，宜采用傾斜攝影測量技術進行測量。本文采取的是兩種技術相結合的方法。

(3)無人機傾斜攝影測量成果數據非常豐富，能同時輸出DSM(數字地表模型)、DOM(數字正射影像圖)、DLG(數字線劃地圖)及點云數據成果 ,可為后續應用及其他技術融合提供可能。因此，該技術在城市建筑規劃設計方面具有廣闊的前景。