無人機(jī)傾斜攝影在建筑立面測(cè)繪中的應(yīng)用及工程實(shí)例

馮文娟，康宏民

（山東兗礦設(shè)計(jì)咨詢有限公司，山東 鄒城 273500）

0 引言

相較于無人機(jī)測(cè)繪，傳統(tǒng)測(cè)繪，成圖精度高，但測(cè)繪工期比較長(zhǎng)，人工外業(yè)工作量大，勘測(cè)成本較高，成圖速度慢。它的測(cè)繪產(chǎn)品比較單一，測(cè)繪數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理對(duì)軟件要求比較低，一般采取CAD等數(shù)字繪圖軟件即可繪制成各種比例尺的地形圖。前期準(zhǔn)備工作時(shí)間比較多，具體外業(yè)測(cè)繪時(shí)，尤其在比較危險(xiǎn)的地理環(huán)境，人員安全性低，需要做好各種防護(hù)。

無人機(jī)是一種由動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、無人駕駛可重復(fù)使用的航空器的簡(jiǎn)稱Unmanned aerial vehicle[1]。它具有實(shí)時(shí)定位、使用方便的優(yōu)點(diǎn)。成圖精度受攝像頭分辨率限制，測(cè)繪工期短，尤其在大面積大工程量測(cè)繪時(shí)，該優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)明顯。人工外業(yè)工作量很小，僅需要采集少量外業(yè)像控點(diǎn)或遮擋嚴(yán)重地區(qū)進(jìn)行補(bǔ)測(cè)。成圖速度快，但數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)需要處理大量的信息，比如進(jìn)行航攝影像糾正、空三加密軟件及立體測(cè)圖軟件等，內(nèi)業(yè)工作量相對(duì)加大，且對(duì)電腦軟件配置要求比較高。測(cè)繪產(chǎn)品豐富，一次航測(cè)可制作成DLG、DOM、DEM等多種產(chǎn)品。前期準(zhǔn)備時(shí)間少，工程響應(yīng)時(shí)間迅速。安全性高，受環(huán)境限制少。

1 無人機(jī)測(cè)繪作業(yè)流程

無人機(jī)測(cè)繪成圖主要分為外業(yè)測(cè)繪和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理兩大部分。就工作量分配和完成時(shí)間來說，內(nèi)業(yè)處理占比相對(duì)大些。前者是后者的前提和保障，后者是前者的最終表現(xiàn)。本文以兗礦集團(tuán)“三供一業(yè)”項(xiàng)目為例，詳細(xì)闡述無人機(jī)傾斜攝影在建筑立面測(cè)繪工作的具體實(shí)現(xiàn)。

1.1 外業(yè)測(cè)量流程

外業(yè)工作以安全高效完成測(cè)區(qū)拍攝為目的，要注意遮擋物、禁飛區(qū)、風(fēng)速影響、測(cè)區(qū)大小合理性等問題，嚴(yán)格按照技術(shù)要求布置相控點(diǎn)、檢查點(diǎn)，以保證測(cè)繪質(zhì)量。外業(yè)工作與傳統(tǒng)測(cè)繪相比看似簡(jiǎn)單了，但每一步操作都有需要特別注意的事項(xiàng)。現(xiàn)場(chǎng)踏勘過程中，注意避開高大建構(gòu)筑物，需要在繪制飛行路線時(shí)優(yōu)化布置。像控點(diǎn)布設(shè)則要注意分布均勻，明顯突出于周圍地物。像控點(diǎn)布設(shè)的好壞直接影響到內(nèi)業(yè)成圖質(zhì)量。飛行過程中要時(shí)刻注意電池剩余電量、攝像頭角度、飛行速度等參數(shù)，做好應(yīng)急處理。飛行即將結(jié)束時(shí)，注意落地點(diǎn)是否避開行人、車輛等遮擋物。具體工作流程如圖1：

圖1 外業(yè)工作流程

在野外環(huán)境中，存在大量樹木遮擋的情況，會(huì)造成山體實(shí)際地面、坡坎、山溝等位置的信息采集盲區(qū)，解決此問題可使用大疆精靈4無人機(jī)對(duì)低空樹下區(qū)域進(jìn)行手動(dòng)控制拍攝，將拍攝的照片加入其它照片中聯(lián)合建模，可有效改善攝影盲區(qū)的建模質(zhì)量。

1.2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

對(duì)于建筑立面測(cè)圖工作，內(nèi)業(yè)處理起來相對(duì)復(fù)雜一些。傳統(tǒng)空三測(cè)量對(duì)傾斜影像數(shù)據(jù)處理效果不理想，所以需要結(jié)合飛機(jī)傳感器提供的POS外方位元素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合平差，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)的控制點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)合平差，通過誤差方程解算出影像的外方位元素，以前方交會(huì)的形式求出點(diǎn)位的三維坐標(biāo)[2]。

在建模處理成3D模型后，需要在三維測(cè)圖軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)加工，繪制出圖。對(duì)于簡(jiǎn)單建筑，只需繪制4個(gè)立面圖，提取出每個(gè)立面的門、窗、樓檐尺寸和位置等信息繪制到圖中。目前的三維測(cè)圖軟件中，提取簡(jiǎn)單建筑三維信息的功能已經(jīng)比較完善，但對(duì)于復(fù)雜建筑、外形特殊建筑，需要更專業(yè)的軟件才能實(shí)現(xiàn)。三維測(cè)圖具體工作流程總結(jié)如下：

圖2 三維立體測(cè)圖流程

2 應(yīng)用案例

2.1 項(xiàng)目概況

兗礦集團(tuán)職工家屬區(qū)“三供一業(yè)”分離移交物業(yè)維修工程自2018年實(shí)施，“三供一業(yè)”是指家屬區(qū)的供水、供電、供暖項(xiàng)目和物業(yè)項(xiàng)目，具體包括供水管路更換、供暖管道支架加固、供電系統(tǒng)維修完善、地面修整、外墻粉刷等工程。對(duì)屋面防水進(jìn)行維修，按照輕重緩急的原則，分期分批次進(jìn)行。

該工程家屬區(qū)數(shù)量眾多，樓型不一，且分散于各礦及城區(qū)。2018-2020年已累計(jì)維修樓棟近七百棟、居民區(qū)數(shù)量近50個(gè)。該項(xiàng)目需要測(cè)量的數(shù)據(jù)要素繁雜，主要包括水電暖管線測(cè)量、家屬樓立面測(cè)量，樓頂防水工程的測(cè)量以及各小區(qū)地形圖的測(cè)繪。時(shí)間緊任務(wù)重，除去設(shè)計(jì)，施工所需要的時(shí)間，留給測(cè)繪時(shí)間極短。如果采用傳統(tǒng)GPS、全站儀等測(cè)量方法，該任務(wù)在人員少、工期短的情況下是不可能完成的。本項(xiàng)目利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，后期配合三維測(cè)圖軟件繪制出圖，最終按時(shí)完成此次測(cè)量工作。

2.2 采用儀器設(shè)備及測(cè)圖軟件

該項(xiàng)目采用的測(cè)繪儀器主要有：

GPS：本工程采用南方測(cè)繪RTK，支持北斗+GPS等多系統(tǒng)聯(lián)合定位，進(jìn)行像控點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)精確定位。

無人機(jī)：本工程采用飛馬D2000多旋翼測(cè)繪無人機(jī)，傾斜五鏡頭相機(jī)拍攝，航片拼圖較少，精度可滿足工程要求。通過手機(jī)端奧維瀏覽器即可制定飛行路線，并可導(dǎo)入到飛馬軟件中，操作簡(jiǎn)單方便。

建模軟件：可選擇CongtextCapture等軟件進(jìn)行建模，檢查所有控制點(diǎn)在照片上的位置和坐標(biāo)數(shù)據(jù)，完成空三測(cè)量[3]。

繪圖軟件：需選擇具有立體測(cè)圖模塊的軟件，如CASS-3D、EPS 5.0等。此類測(cè)圖軟件是通過加載傾斜影像、垂直影像獲取的實(shí)景表面模型、點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量數(shù)據(jù)采集的測(cè)繪地理信息軟件系統(tǒng)[4]。

2.3 測(cè)繪成果

以兗礦集團(tuán)位于鄒城市的匯梅小區(qū)為例，下圖為該小區(qū)局部實(shí)景三維模型圖。可首先在正射模式下完成平面圖的測(cè)繪。然后在立體測(cè)圖模式中，進(jìn)行立體測(cè)圖的繪制。在該模型中可以進(jìn)行旋轉(zhuǎn)查詢、裁剪、透視、量測(cè)等操作并繪制立面圖。

圖3 匯梅北區(qū)實(shí)景三維模型

圖4 立體繪圖輸出為DWG格式

3 結(jié)論

綜上來看無人機(jī)優(yōu)勢(shì)明顯，能滿足社會(huì)發(fā)展對(duì)該小區(qū)內(nèi)需量測(cè)出圖的樓共27棟，樓型有15個(gè)。對(duì)于重復(fù)樓型，可在模型中選擇遮擋較少、光線清楚的樓棟進(jìn)行測(cè)繪。下圖以該小區(qū)42號(hào)樓為例，分別進(jìn)行東、西、南、北4個(gè)立面及平面圖的繪制。這樣就可以直接計(jì)算出立面粉刷面積及樓頂防水面積，大大減少了外業(yè)測(cè)繪量。但需要提出的是，本項(xiàng)目中對(duì)于管線支架、圍墻等要素的測(cè)量，由于局部受樹木等遮擋嚴(yán)重，還需現(xiàn)場(chǎng)查明、補(bǔ)測(cè)。數(shù)據(jù)更新的要求，在國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮越來越突出的優(yōu)勢(shì)。需要指出的是在精細(xì)測(cè)繪、變形控制等方面，目前還不能滿足很高精度的要求。但隨著影像技術(shù)和飛行器技術(shù)的發(fā)展，這些問題都會(huì)很快得以解決。目前隨著無人機(jī)分辨率的增強(qiáng)以及續(xù)航能力的提升，該技術(shù)被應(yīng)用在社會(huì)生產(chǎn)的多個(gè)領(lǐng)域。可具體應(yīng)用于農(nóng)村土地確權(quán)、石油管道、輸電線路巡線、礦山資源開發(fā)、地質(zhì)監(jiān)測(cè)等。它很好的解決了傳統(tǒng)測(cè)繪面臨的問題，無人機(jī)航測(cè)成為地形圖測(cè)繪的新趨勢(shì)。