無人機傾斜攝影測量在古建筑測繪保護中的應用

孟凡超 周洪超

（1.遼源職業技術學院，吉林遼源 136200；2.梅河口市陽光地質工程勘察有限公司，吉林梅河口 135000）

現階段，常用的古建筑建模方式主要有：一是人工測量點建模法，即采用傳統的測繪技術手段獲取古建筑物的重要點位坐標，通過二維數據的拼接獲取三維模型，通過軟件建模并進行紋理粘貼的過程；二是三維激光掃描法，即采用三維激光掃描技術獲取古建筑的點云數據，由于掃描儀視角具有盲區，因此獲取的點云數據不具有連續性，拼接的三維點云數據誤差較大，且內業作用工作量較大；三是低空無人機傾斜攝影測量技術，傾斜測量技術可以快速獲取古建筑全景，通過不同角度的鏡頭建立模型，并根據算法實現紋理映射，達到快速準確建模的效果。

1 傾斜攝影測量模型建立理論基礎

1.1 數據基礎

無人機傾斜測量建立三維立體模型的幾何原理主要是采用空中三角測量的方法實現，該方法以共線方程為數據基礎，采用光束法平差，通過內方位元素，計算在無人機攝影測量成像瞬間像片各點位的坐標，將不同像片間的公共點進行相對定向，并通過坐標轉換，將像片坐標解算到實地空間坐標系內。解析三角攝影測量如圖1所示。

圖1 解析三角攝影測量

M-XYZ為CGCS2000空間坐標系，S-X像Y像Z像為航片的空間坐標系統，通過共線方程，像片中心S，像片上的點p以及地面點P在同一線上，建立方程式：

式中：x0、y0、f——相機的內參數；XA、YA、ZA——已知點A在地面坐標系的坐標；Xs、Ys、Zs——相機攝影中心在地面坐標系中的坐標；a、b、c為外方位元素的方向余弦值；x、y——待測像點的地面地坐標。

1.2 航線規劃

本次無人機傾斜攝影測量采用大疆Phantom4 RTK型號無人機進行飛行，其飛行高度的設計，可根據式（2）計算：

式中：H——相對航高（m）；f——拍攝相機的焦距長度（cm）；GSD——像片的地面分辨率；a——像元大小。

2 古建筑三維建模過程

古建筑三維模型的建立主要是為古建筑建立數字模型，通過對模型的測量可更好地研究古建筑相關建筑工藝，也可根據精細化三維模型對古建筑進行修繕，在保護古建筑物的同時，也可向游客更全面地展示古建筑的美。

以古建筑所在區域為中心，并向外擴充50 m范圍作為航攝區域，采用航向重疊度為80%，旁向重疊度為75%，采用前后左右及左前、左后、右前、右后等不同的8個方位對建筑物進行拍攝。其飛行高度的設計根據實際計算為55 m，分辨率可達4 cm內，最終形成模型分辨率為3 cm。航線設計如圖2所示。

圖2 航線設計

3 古建筑單體化

在對古建筑群測量結束后，需對單體古建筑提取并進行細致建模。單體建筑物的建模最重要的是邊緣線的確定，建筑物與地面的分界線即建筑物的底邊與地面的邊緣線，可采用正射影像獲取建筑物的DLG數據中提取的建筑物外圍范圍線。建筑物的單體模型一般是墻面垂直于地面，墻角多為直角。

根據建筑物的特點，對古建筑的主體結構及相關附屬進行單體化提取，將建筑物的單體立面進行投影，獲取各個面上的投影，各立面能夠顯示單體建筑物的結構特征與外觀紋理。古建筑由于采用更為美觀的房角屋檐，因此相對于傳統建筑物的建模，古建筑物的單體化建模更為復雜。將各面投影進行細致處理后進行拼接，組合成完整的單體建筑物，建筑物正面、側面如圖3所示。

圖3 建筑物單體化正面、側面展示

4 精度監測

采用傳統的測量方法對單體古建筑進行測量，包括點位測量與長度測量；繪制古建筑的二維平面圖，采用城市CORS系統對特征點位的平面坐標進行測量，如墻角、臺階拐角等點位；采用激光測距儀及卷尺長度進行觀測，如門框、窗戶長寬等，并繪制古建筑的二維平面圖，如圖4所示。

圖4 古建筑的二維平面圖（單位：mm）

對三維建模成果的精度檢測采用Leica-d2激光測距儀對比分析模型長度與實際測量長度的誤差范圍。分別選用模型的正面底長、側面底長、正門長寬、窗戶長寬以及臺階高度、建筑高度等多個對象進行精度檢測，所檢測對象均測6次長度，并取平均差值ΔSmean作為比較，并計算相對中誤差，計算公式為：

式中：Δ——實際測量值與模型差值平均值；n——測量次數，記為6。

6次實際測量結果如表1～表6所示，由表1～表6可知，實際測量長度與模型的差值最大為7 mm，最大平均差值為3.5 mm，相對中誤差最大值為1.429，滿足建筑的精確建模相關精度要求：建筑物的建模精度與實際物體長度差值小于20 cm，高度差值小于1.0 m。經分析可知，本次古建筑建模精度較高。

表1 三維模型正面邊長精度檢驗

表2 三維模型側面邊長精度檢驗

表3 三維模型窗戶長度精度檢驗

表4 三維模型門框寬度精度檢驗

表5 三維模型臺階長度精度檢驗

表6 三維模型房檐高度精度檢驗

5 結語

本文采用無人機傾斜攝影測量的方法，對古建筑開展三維建模工作，詳細闡述了無人機傾斜攝影測量相關理論基礎與關鍵技術要求。對古建筑所在區域進行范圍性無人機傾斜攝影測量，對古建筑采用單體化建模方式進行精細建模，并對建模成果進行檢驗，實驗表明，傾斜攝影測量古建筑單體建模的精度滿足要求。基于傾斜攝影進行古建筑三維建模可以為古建筑建立電子檔案，為古建筑開放網上電子瀏覽及古建筑修復提供技術手段。