傾斜攝影測量技術(shù)在城區(qū)建筑物立面測量中的應(yīng)用

摘" 要：針對全站儀結(jié)合激光測距方式采集立面圖效率低、成本高、立面圖難以構(gòu)建的問題，該文提出采用無人機(jī)進(jìn)行傾斜攝影，利用數(shù)據(jù)解算軟件完成實(shí)景三維模型的構(gòu)建，并基于模型采集立面圖的作業(yè)方案。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，基于無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的方法所繪制的建筑立面圖精度已經(jīng)符合要求，可以滿足實(shí)際項(xiàng)目的需要。因此，該方法可以推廣應(yīng)用于各種建筑立面測量工作中，為項(xiàng)目生產(chǎn)帶來更多的便利和效益。

關(guān)鍵詞：傾斜攝影測量；建筑物立面；精度分析；數(shù)據(jù)解算；實(shí)景三維模型

中圖分類號：P217" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）28-0160-04

Abstract： In view of the problems of low efficiency， high cost and difficult construction of elevation map acquisition by total station combined with laser ranging， this paper proposed a scheme of using UAV for oblique photography， using data solving software to complete the construction of 3D real scene model， and collecting elevation map based on the model. The experiment verifies that the accuracy of the building elevation drawing based on the UAV oblique photography technology has met the requirements and can meet the needs of practical projects. Therefore， this method can be applied to all kinds of building facade measurement work， bringing more convenience and benefits to project production.

Keywords： tilt photogrammetry; building facades; precision analysis; data solving; 3D real scene model

無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)是一種最近幾年發(fā)展起來的新技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域有城市實(shí)景三維建模、大比例尺測圖等，可以為城市規(guī)劃、工程設(shè)計(jì)等領(lǐng)域提供高精度的三維地圖和模型[1-2]。同時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)包括作業(yè)效率高、真實(shí)性強(qiáng)，使其成為應(yīng)用在許多領(lǐng)域的熱門技術(shù)。無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)通過使用無人機(jī)搭載高分辨率相機(jī)等設(shè)備進(jìn)行斜視攝影，從而獲取高精度的三維地圖和模型。這種技術(shù)具有高效、精準(zhǔn)、可靠的特點(diǎn)，可以極大地提高地圖制作、城市規(guī)劃、土地利用和環(huán)境監(jiān)測等方面的工作效率[3-4]。無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)可以提供更加真實(shí)的三維地圖和模型，因?yàn)樵谑褂脽o人機(jī)進(jìn)行斜視攝影的過程中，可以獲取更多的地物信息，從而使地圖和模型更加真實(shí)、準(zhǔn)確[5-6]。

1" 傾斜攝影技術(shù)流程

在現(xiàn)代城市規(guī)劃和建設(shè)中，三維地圖的重要性越來越凸顯。而現(xiàn)在，借助無人機(jī)、數(shù)字影像建模軟件和CAD等，三維地圖的制作變得更加簡單和高效[5，7]。下面對利用無人機(jī)制作三維建筑立面圖的方法進(jìn)行簡單介紹。首先，從多個(gè)角度獲取地面影像數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可以包括建筑物、道路、樹木等，可以提供較為全面的城市信息。隨后將影像數(shù)據(jù)加載到數(shù)字影像建模軟件中，生成實(shí)景三維地圖。通過軟件的處理，將影像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維模型，包括建筑物、道路等。這些模型可以在軟件中編輯和調(diào)整，以滿足需要。但是，對于制作建筑立面圖來說，只需要建筑物的立面信息，因此，需要通過軟件中的切片工具，將建筑物的立面單獨(dú)切片出來，而后進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，以獲取建筑物立面影像。由于數(shù)字影像建模軟件中的坐標(biāo)系與CAD中的坐標(biāo)系不同，因此需要進(jìn)行一定的轉(zhuǎn)換，根據(jù)建筑物立面影像點(diǎn)，提取建筑物立面的特征點(diǎn)。這些特征點(diǎn)可以包括窗戶、門、墻體等，用于后續(xù)的CAD繪制。最后，將提取的特征點(diǎn)導(dǎo)入到CAD中，以繪制建筑物的立面圖。在繪制過程中，可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整和修改，從而得到最終的建筑物立面圖，其流程詳情如圖1所示。

2" 工程概述

本項(xiàng)目位于甘肅省定西市通渭縣，項(xiàng)目名為“書畫通渭”城市品質(zhì)提升項(xiàng)目，項(xiàng)目要求完成主干道兩側(cè)的立面圖繪制。然而，項(xiàng)目工期緊、任務(wù)重，傳統(tǒng)立面測繪存在許多問題，因此需采用新的測繪方法。該測區(qū)屬于老城區(qū)，房屋密集，利用傳統(tǒng)立面測繪難度大，還存在仰視角大、通視條件惡劣、屋面情況復(fù)雜等諸多問題[8-9]。傳統(tǒng)立面測繪需要的人員投入較多、外業(yè)工作量大，效率低下，因此將無人機(jī)技術(shù)用于此次測繪項(xiàng)目中，可以解決傳統(tǒng)立面測繪存在的問題。

3" 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取

3.1" 無人機(jī)系統(tǒng)

本次作業(yè)選擇本單位自主研發(fā)的SH-20X六旋翼無人機(jī)，搭載五拼傾斜攝影數(shù)碼非量測相機(jī)，單個(gè)相機(jī)像幅為6 000*4 000，獲取的總像素?cái)?shù)為2 400 w，五鏡頭總像素?cái)?shù)為1.2億，其像元大小為3.91 μm。為了保證獲取的影像分辨率盡可能相同，且減小影像的畸變，在對相機(jī)焦距進(jìn)行設(shè)置時(shí)，設(shè)置視相機(jī)焦距為35 mm，側(cè)視焦距為50 mm。

3.2" 傾斜影像獲取

無人機(jī)設(shè)備選擇后，就需要結(jié)合選擇的設(shè)備，進(jìn)行無人機(jī)航線規(guī)劃及影像數(shù)據(jù)采集。本次航線規(guī)劃選用目前主流的航跡大師軟件，首先將任務(wù)區(qū)范圍線導(dǎo)入到該軟件中，然后設(shè)置重疊度，為了保證獲取的影像數(shù)據(jù)信息更加豐富，在對其航線進(jìn)行規(guī)劃時(shí)，以下視鏡頭為依據(jù)，設(shè)置航向重疊度為85%，旁向重疊度為80%。通常情況下，影像的分辨率越高，則匹配得到的加密點(diǎn)精度越高，生產(chǎn)的三維模型精度越高。從這點(diǎn)出發(fā)，在進(jìn)行地面分辨率設(shè)置時(shí)，以35 mm焦距為標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合任務(wù)區(qū)內(nèi)建筑高度和航攝飛行安全高度，設(shè)置地面影像分辨率為1.5 cm，這樣在進(jìn)行影像數(shù)據(jù)獲取時(shí)，飛機(jī)飛行高度約為135 m，距離測區(qū)內(nèi)最高建筑物的距離大于50 m，可以確保航攝安全。

航線設(shè)置完成后，將規(guī)劃好的飛行軌跡航線上傳給飛控，通過地面站來控制無人機(jī)參照規(guī)劃好的航線完成影像數(shù)據(jù)的采集。采集過程中，通過地面站實(shí)時(shí)觀察無人機(jī)飛行狀態(tài)，確保飛行安全。影像數(shù)據(jù)采集完成后，采用人機(jī)交互方式，對影像的質(zhì)量進(jìn)行檢查，主要檢查影像的曝光度和完整性，確保POS數(shù)據(jù)和影像對應(yīng)。經(jīng)檢查，本次除地面試拍影像外，獲取的有效影像數(shù)為4 635張，質(zhì)量符合項(xiàng)目要求。

4" 傾斜數(shù)據(jù)解算

4.1" 空中三角測量解算與實(shí)景三維構(gòu)建

空三加密技術(shù)在無人機(jī)傾斜攝影三維建模中扮演著重要的角色。該技術(shù)是指將無人機(jī)拍攝的圖像進(jìn)行內(nèi)部處理，包括從圖像中提取特征點(diǎn)、優(yōu)化迭代調(diào)整、點(diǎn)匹配和密集匹配等步驟，以確定每個(gè)圖像之間的投影關(guān)系，從而生成實(shí)景三維模型。為了實(shí)現(xiàn)空三加密，需要使用Context Capture全自動三維實(shí)景建模軟件和POS系統(tǒng)提供的外部方向元素和相機(jī)安裝位置關(guān)系。通過這些工具，可以將拍攝的圖像進(jìn)行加密處理，最終生成高精度的實(shí)景三維模型。空三加密后，生成的模型會被切成大小為80 m×80 m的網(wǎng)格狀、規(guī)則平面，共切成55張瓦片。這樣的切割方式可以使模型更易于管理和處理。空三加密成果如圖2所示，部分實(shí)景三維模型如圖3所示。

4.2" 模型立面圖繪制

通過對真實(shí)場景的構(gòu)建，將 OSGB數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為 DSM數(shù)據(jù)，并將其輸入到清華三維EPS軟件中。EPS是一個(gè)集成了屬性和圖表的數(shù)據(jù)庫，在測量方面，其可以實(shí)現(xiàn)立面圖的繪制、控制測量、地形測量和資料轉(zhuǎn)化等各種形式。①將本次生產(chǎn) OSGB形式的三維模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為專用于EPS的DSM形式的數(shù)據(jù)。②選取遮擋較少且模型比較完整的房子，利用切割模型，使得EPS軟件的3D視圖中僅有待進(jìn)行立面繪制的房子，并利用偏移和長方形繪圖工具等，選取房子的一面進(jìn)行繪圖。立體圖的制作中，要結(jié)合實(shí)際場景中的3D建模，并結(jié)合建筑的材質(zhì)特征等因素來制作立面圖。在繪制門窗、陽臺等類型的時(shí)候，在對角點(diǎn)的選擇上會有一些微小的偏差，這就要求在繪畫時(shí)，要將圖像進(jìn)行擴(kuò)大，以房子立面的總體布局為基礎(chǔ)，來選擇相對一致的角點(diǎn)。③最后，把EPS中已經(jīng)畫好的立面圖以.dwg文件的形式輸出，用CASS系統(tǒng)生成合格的完整立面圖。部分建筑物立面圖如圖4所示。

5" 精度分析

平面精度的檢測是基于實(shí)景三維模型。在檢測的過程中，首先選取某一建筑立面的88個(gè)點(diǎn)進(jìn)行檢測，然后利用天寶全站儀進(jìn)行外業(yè)測量，將其得到的坐標(biāo)值與實(shí)景三維模型中的坐標(biāo)值進(jìn)行對比，得到誤差值。通過計(jì)算誤差值，可以評定建筑物立面圖的平面精度。距離精度檢測是利用EPS繪制立面圖的長度與實(shí)地測量的長度作比較。在檢測過程中，每條檢測邊丈量3次，較差在5 mm內(nèi)視為合格，然后取平均值作為最終的邊長丈量值，與繪制的立面圖中對應(yīng)的線段距離進(jìn)行比較。通過比較兩者的長度，可以評定建筑物立面圖的距離精度。

5.1" 立面圖點(diǎn)位精度評定

在立面圖上布設(shè)檢測點(diǎn)，對本次立面模型的點(diǎn)位精度進(jìn)行檢測，此次共包含檢查點(diǎn)88個(gè)，如圖5所示，測區(qū)檢查點(diǎn)點(diǎn)位精度部分檢測結(jié)果見表1。

其中DX代表模型點(diǎn)坐標(biāo)和全站儀采集坐標(biāo)在X方向上的較差，DY代表其在Y方向上的較差，DS代表兩個(gè)坐標(biāo)值的直線距離。由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，本次生產(chǎn)的立面圖，其立面點(diǎn)位精度最大為0.044 9 m，最小為0.008 4 m。

5.2" 距離精度分析

在建筑物測繪領(lǐng)域，精度對比是一個(gè)非常重要的研究內(nèi)容。針對這一問題，選取了一個(gè)研究區(qū)域，共選取60條可量測線段進(jìn)行對比。為了確保測量精度，以外業(yè)測量長度作為真值，與EPS立面圖中量測長度進(jìn)行對比，通過對60條長度較差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可知，本次測試最大偏差值為0.064 8 m，最小偏差值為0.010 2 m，成果精度較好，可以滿足建筑物立面測繪距離精度要求。

5.3" 總體精度評定

通過全站儀采集坐標(biāo)和外業(yè)測量線段2種方式，對本次生產(chǎn)的立面圖，從點(diǎn)位和距離兩方面的精度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，采用本文方案生產(chǎn)的立面圖，其精度可以滿足建筑物立面測繪精度要求。此外，該測量方法具有高效、精度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，可用于城區(qū)立面圖的測繪之中。

6" 結(jié)束語

本文以實(shí)際生產(chǎn)項(xiàng)目為切入點(diǎn)，采用傾斜攝影方式生產(chǎn)三維模型，并采用EPS軟件，基于三維模型生產(chǎn)建筑物立面圖。通過對立面圖的點(diǎn)位精度和距離精度統(tǒng)計(jì)分析可知，采用本文方案生產(chǎn)的立面圖，其精度可以滿足立面圖測繪精度要求，并且與傳統(tǒng)的測量方法相比，其效率也有大幅度提高，為今后同類工程的設(shè)計(jì)和施工提供借鑒。

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