無人機傾斜攝影測量在歷史建筑測繪中的應用

張春明 榮 幸

（吉林市測繪院,吉林 吉林 132011）

0.引言

目前采用三維建模的方式對歷史建筑的現狀進行記錄、存檔大致經歷了三個階段：第一階段是以人工建模為主的三維模型構建方式，這種建模方式工序繁瑣，效率低，模型表達效果一般；第二階段是利用三維激光掃描技術來構建模型，這種方式無需接觸觀測對象,精度高，并且能夠快速連續(xù)進行掃描，使得三維激光掃描成為一種主要的三維模型構建方式。同時三維激光掃描技術也面臨一定的問題：其外業(yè)自動化程度高，但內業(yè)處理繁瑣；生產周期長，效率低，生產成本高；建筑物頂部存在掃描肓區(qū)，軟件處理效率偏低，適用于小體量的精細模型構建。第三階段是利用無人機傾斜攝影測量技術來構建三維實景模型。

采用無人機傾斜攝影測量技術建立三維實景模型，不僅大大降低了三維建模的生產成本，而且提高了生產效率，使得快速建立高精度三維模型的想法得以實現。本文主要探討了利用無人機傾斜攝影測量技術來快速構建城市歷史建筑三維實景模型的方法，對方案選擇、空地融合方式處理、內業(yè)建模修模、立面圖制作的全技術流程進行了介紹，形成了完整詳細的技術方案，并對核心技術要點進行了詳細闡述。

1.傾斜攝影測量關鍵技術

1.1 像片重疊度保證

按照《低空數字航空攝影規(guī)范》要求，“航向重疊度一般應為60%～80%，最小不小于53%；旁向重疊度一般應為15%～60%，最小不小于8%”。在無人機傾斜攝影建模時，上述重疊度是明顯不夠的。多層建筑和高差變化小的區(qū)域作業(yè)時，航向、旁向重疊度最低應不小于70%。建筑密集區(qū)域影像重疊度最大可設計為80%～90%，必要時還可以采用交叉飛行方案增加觀測數據，有效解決建筑物相互遮擋問題。影像重疊度的增加同時會帶來數據量的增大和處理效率的降低，在方案設計時要二者兼顧。

1.2 攝區(qū)邊界覆蓋保證

按照《低空數字航空攝影規(guī)范》要求，“航向覆蓋超出攝區(qū)邊界線應不少于兩條基線。旁向覆蓋超出攝區(qū)邊界線一般不少于像幅的50%，這在無人機傾斜攝影時是明顯不夠的。理論上要求邊緣地物與測區(qū)中心的特征點一樣，可以在像片的任意位置顯示。考慮到測區(qū)的高差等情況計算航線外擴的寬度。如式（1）所示：

1.3 航高設計要求

航高根據航攝區(qū)域樓高、地面分辨率、現場周邊情況綜合考慮計算。如式（2）所示：

1.4 精度指標確定

目前針對三維模型方面的相關規(guī)范標準主要有《城市三維建模技術規(guī)范》（CJJ/T 157-2010）、《三維地理信息模型數據產品規(guī)范》（GB/T 7930-2008）、《傾斜數字航空攝影技術規(guī)程》（CH/T 3021-2018）、《三維地理信息模型生產規(guī)范》（CH/T 9016-2012）。結合歷史建筑建模的特點及要求，可以按照《城市三維建模技術規(guī)范》3.1.3 中規(guī)定（如表1 所示）的精細模型平面尺寸和高度精度不宜低于0.2m 的要求進行模型生產。

表1 《城市三維建模技術規(guī)范》中模型分類精度表

2.工程實例分析

2.1 傾斜攝影建模

2.1.1 工程概況

某歷史建筑位于市中心，為磚瓦結構，外掛水泥面的多層建筑，坐北朝南，通長約80m，寬約20m。周圍樓房林立，緊鄰西側有百米高層建筑，飛行環(huán)境復雜。

2.1.2 軟硬件設備準備

硬件：大疆創(chuàng)新DJ“IPhantom 4Pro”無人機；計算機服務器集群。

軟件：Context Capture 建模軟件；DP-Modeler 修模軟件；3DMax、PhotoShop、Autocad 繪圖軟件。

2.1.3 建模流程

外業(yè)正式作業(yè)前需要收集、整理歷史建筑的相關資料，對建筑的周邊情況進行實地踏查確認，研究選擇適合的飛行方案進行航線設計、行高計算及重疊度的確定等工作。同時研究確定地面數據采集方法，將地面數據與空中影像進行數據融合處理建模。模型建立后利用修模軟件對模型局部缺陷進行修飾，配合CAD、3DMAX 等軟件制作立面圖，結合現場建筑內部實測數據制作建筑剖面圖。建模技術流程（如圖1 所示）：

2.1.4 航高設計

根據測區(qū)及周邊建筑情況，選用DJ“IPhantom 4Pro”無人機進行外業(yè)傾斜拍攝，地面分辨率優(yōu)于0.05m，根據公式（2）計算相對行高為：

h=f×GSD/a=35mm×0.05m/4.52um=387m

即在相機正射地面時，相對航高最大不超過387m。由于拍攝時相機傾角設定為45°傾斜，為滿足地面分辨率優(yōu)于5cm，故飛機飛行高度不得大于273m。本次相對行高設定為250m。

2.1.5 航攝影像獲取

無人機進行外業(yè)傾斜拍攝時，設定空中傾斜攝影測量航向重疊80%，旁向重疊為70%，飛行時按DJI“Phantom 4Pro”自帶飛控軟件選擇傾斜攝影模式進行飛行。飛行結束后對相片的質量進行檢查，相片反差、色彩、色調是否符合要求，是否能辨別與地面分辨率相適應的細小地物影像，有漏飛的地方及時補飛。

2.1.6 地面補充拍攝

為避免由于角度、遮擋、反光等問題使建筑部分側面紋理信息丟失，模型出現空洞、扭曲、變形等問題，考慮周邊環(huán)境、復雜程度及效率因素，決定采用地面補充拍攝照片的方式來實現空地聯合建模。地面補充拍攝分兩個階段進行：第一階段是地面2 層以上建筑立面采用大疆“Phantom 4Pro”無人機手控環(huán)繞飛行進行拍照，按照建筑物立面范圍布設航線，每個拍攝點獲取3張照片，視角分別為上傾45°、垂直立面正射、下傾45°，保證航向重疊不低于80%，旁向重疊不低于70%，距建筑物立面10m-30m，分辨率優(yōu)于2cm。第二階段是采用人工站立手持“Phantom 4Pro”無人機對首層建筑進行拍照。拍照時要將無人機的螺旋槳卸掉，確保安全。地面拍攝時要保證重疊度不低于80%，對同一位置從不同角度拍攝3 次，連續(xù)照片的拍攝角度不超過15°。每個拍攝點獲取2 張照片，視角分別為上傾45°、垂直立面正射，保證不遺漏細節(jié)。

2.1.7 空地聯合建模

聯合建模最核心的問題就是如果相機地面拍攝的照片沒有坐標信息，拍攝角度、分辨率與傾斜相片差異較大，影像共同匹配就會很困難，需要通過人工為照片增加聯接點的方式來實現空三聯合平差。本次采用手持大疆無人機拍攝地面照片的方式來進行聯合建模，有效解決了這一問題。大疆無人機自帶POS 系統(tǒng)，在空三解算時能夠更好地和傾斜攝影數據融合到一起解算，減少了相機拍攝時手工選擇聯接點的步驟，人為干預更少、效率更高、精度更好。建好的實景三維模型和局部細節(jié)展示（如圖2 所示）：

圖2 實景三維模型

2.2 模型修飾

建好的模型局部細節(jié)仍會存在瑕疵，影響模型質量和立面圖繪制精度，需要導入DP-Modeler 軟件對模型進行修飾。修模具體步驟如下：

2.2.1 數據準備

將空三文件（.xml 格式）、原始影像（.jpeg 格式）、三維模型（.osgb 格式和.obj 格式）準備好。

2.2.2 新建項目

導入準備數據（空三與影像對應上，分別導入.osgb、.obj 格式三維模型）。

2.2.3 修模

紋理修改：選擇建筑→選擇需要修改的模型的瓦片→需要修改的面→自動紋理映射→選擇需要修改的紋理→相機視圖→圖片編輯軟件（PS）修改并保存→重新加載。

補洞：選擇建筑→選擇需要補的面→自動補洞→修改并保存→重新加載。

2.2.4 導出成果：解決方案資源管理器→DP-Modeler 文件→右鍵→批量導出。

模型修復前后對比效果（如圖3、圖4 所示）：

圖3 模型一修模前

圖4 模型一修模后

通過模型修復前后效果對比可以看出，玻璃、墻面等出現局部破損、拉花、扭曲現象的部位，通過DP-Modeler 軟件處理后模型效果得到很大改善，為后續(xù)立面圖繪制提供了更好的模型基礎。

2.3 立面圖繪制

利用3ds Max、Autocad 軟件繪制立面圖和剖面圖。具體作業(yè)流程如下：

（1）打開3ds Max 軟件→導入模型數據→選擇前視視圖圖框→調節(jié)為正交模式一致的色彩（去掉建筑陰影）→調整好需要截取的立面影像位置。

（2）打開3ds Max 軟件中的渲染器—設置渲染視圖→設置為調整好的截取范圍→設置渲染輸出（一般為 1920×1080、RGB Alpha、tif 格式）→保存視圖→選擇保存路徑。

（3）打開Autocad 軟件→插入光柵圖像→按比例縮放→圖像矢量化→添加建筑標識→制作圖框圖名→立面矢量圖。立面圖成果（如圖5 所示）：

圖5 立面圖

（4）剖面圖采用測距儀內部量測結構尺寸用

Autocad 繪制（如圖6 所示）：

圖6 剖面圖

2.4 精度分析

傾斜模型上的任意位置都包含三維位置信息，可以進行量測計算。現場實測邊長與三維模型量測邊長對比（如表2 所示），高度對比（如表 3 所示）：

表2 邊長精度統(tǒng)計表

表2 邊長精度統(tǒng)計表

從以上數據可以看出，邊長較差最大0.09m，最小0.04m；高度較差最大0.11m，最小0.05m，滿足規(guī)范要求。

3.難點分析

（1）歷史建筑大多分布在建成區(qū)，很多目前仍作為辦公、生產、生活場所，周圍建筑物密集，人流車流大，飛行安全是首要問題，飛行前應進行現場踏勘，充分了解周邊環(huán)境，選擇有經驗的飛手并做好應急預案。

（2）傳統(tǒng)地面數據采集方式多采用數碼相機來拍攝照片，這類照片沒有POS 信息，在與無人機數據融合匹配時需要人為干預且容易出現問題。采用人工站立手持無人機方式對建筑進行拍照與地面相機拍攝照片相比，在空三解算時能夠更好地和傾斜攝影數據融合到一起進行聯合解算，人為干預更少，效率更高，精度更好。

（3）傾斜攝影測量數據量大，內業(yè)數據處理對計算機性能要求高，有條件的話可以建立服務器集群進行并行處理。

4.結束語

通過具體案例從外業(yè)飛行、空地融合處理、內業(yè)建模修模、立面圖制作的全技術流程進行了詳細論述，為后續(xù)實際項目應用提供了完整詳細的技術方案。經數據驗證，模型精度達到了《城市三維建模技術規(guī)范》對精細模型的精度要求，可以在歷史建筑測繪生產中進行推廣應用。今后，如果能將傾斜攝影測量技術和BIM相結合，建立內外一體，高精度、全要素的歷史建筑三維模型，將為歷史建筑的保護利用提供更完整、豐富的數據信息。