無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在建筑立面測量中的應(yīng)用

曾遠(yuǎn)星

(福建省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

近年來，隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，老舊小區(qū)整治和歷史建筑的保護(hù)逐漸成為當(dāng)前城市建設(shè)的一項(xiàng)重要任務(wù)。鑒于一些建構(gòu)筑物年久失修、設(shè)計(jì)圖紙難以尋獲，在建構(gòu)筑物改造前，用測繪手段逆向獲取建構(gòu)筑物立面圖就成為了一項(xiàng)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(shè)計(jì)、造價(jià)和施工中的重要依據(jù)。傳統(tǒng)的建筑物立面測量，利用免棱鏡全站儀獲取建筑物關(guān)鍵位置三維點(diǎn)坐標(biāo)，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到CASS中，依照外業(yè)草圖并結(jié)合高清相機(jī)拍攝建筑物外立面照片，繪制建筑物立面圖。由于傳統(tǒng)測量方法投入人員多、工作量大、作業(yè)效率低，工期難以滿足要求。

無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)是最近幾年發(fā)展的一種新技術(shù)，其主要應(yīng)用有城市實(shí)景三維建模[1-2]，大比例尺測圖[3]等方面，其主要優(yōu)點(diǎn)有：①作業(yè)效率高，通過無人機(jī)為載體 ，外業(yè)數(shù)據(jù)采集只需1名無人機(jī)操控人員即可完成，數(shù)據(jù)采集過程可全自動化，不需要人工控制飛行姿態(tài)和人工拍攝。②真實(shí)性強(qiáng)，傾斜攝影測量所獲取的測量數(shù)據(jù)帶有紋理信息及空間坐標(biāo)信息，成果模型能夠矢量化真實(shí)反映地物的現(xiàn)實(shí)情況，本質(zhì)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(guān)測圖軟件，還可直接獲取模型中地物的平面坐標(biāo)、高度、坡度、面積、體積等屬性信息，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)人工建模仿真度低、幾何空間數(shù)據(jù)信息不真實(shí)的局限性[4-6]。

基此，本文擬結(jié)合某工程實(shí)例，探討無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在建筑物立面測量工作中的關(guān)鍵技術(shù)及工程應(yīng)用。

1 傾斜攝影技術(shù)流程及立面測量基本原理

通過無人機(jī)搭載多鏡頭傾斜攝影，獲取多個(gè)角度的地面影像數(shù)據(jù)，加載到ContextCaptureCenter等數(shù)字影像建模軟件，生產(chǎn)出實(shí)景三維地圖，根據(jù)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(biāo)轉(zhuǎn)換，獲取建筑外立面影像；根據(jù)影像點(diǎn)，取建筑外立面特征點(diǎn)(如建筑轉(zhuǎn)角，窗、門的轉(zhuǎn)角點(diǎn))，導(dǎo)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(shù)，在建筑立面測量中最關(guān)鍵的主要是坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。由于傾斜攝影獲取模型后的坐標(biāo)系統(tǒng)O-XYH與所需要的建筑立面獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)O’-X’H’不一致，因此需要進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

其中，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的原理是，模型生成的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為與建筑外立面一致的平面坐標(biāo)系。如圖2所示：P點(diǎn)在模型中的坐標(biāo)系O-XYH中的坐標(biāo)為(Xp,Yp,H)，通過已知指定同一面上的兩個(gè)定向點(diǎn)D1，D2坐標(biāo)計(jì)算旋轉(zhuǎn)角θ：

(1)

圖2 坐標(biāo)系示意圖

坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)基準(zhǔn)點(diǎn)可任意設(shè)置，坐標(biāo)假設(shè)為(X0,Y0,H0)。為了方便計(jì)算，設(shè)置為坐標(biāo)原點(diǎn)(0，0，0)，則建筑物上點(diǎn)P旋轉(zhuǎn)后的坐標(biāo)為(Xrp,Yrp,Hrp)，公式如下：

(2)

經(jīng)旋轉(zhuǎn)后的坐標(biāo)，為平行或垂直建筑立面的坐標(biāo)，提取轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)Xrp以及高程Hrp信息，即旋轉(zhuǎn)后的坐標(biāo)為平面坐標(biāo)(Xrp，Hrp)，通過CAD展點(diǎn)將所獲取的轉(zhuǎn)換后的各建筑特征點(diǎn)導(dǎo)入到CAD，從而實(shí)現(xiàn)傾斜攝影模型數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系統(tǒng)到建筑立面數(shù)據(jù)平面系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換。

立面圖繪制：將各轉(zhuǎn)換后特征點(diǎn)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(biāo)高相同等。

2 工程應(yīng)用

該工程為福州市某廠房改造項(xiàng)目，項(xiàng)目為區(qū)重點(diǎn)項(xiàng)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(xiàng)目主要采用傾斜攝影測量技術(shù)方法獲取建筑立面，部分建筑立面采用傳統(tǒng)的全站儀測繪技術(shù)。

該項(xiàng)目使用的無人機(jī)，為中海達(dá)的iFly D6六軸旋翼無人機(jī)，其最大優(yōu)點(diǎn)是飛行平穩(wěn)、抗干擾性強(qiáng)、可搭載5鏡頭的iCam Q5 mini傾斜相機(jī)(5×2400萬像素)，從而獲取地表地物正面、左側(cè)面、右側(cè)面、前面、后面共5組不同方向的影像數(shù)據(jù)。

為了提高傾斜攝影模型精度，外業(yè)均勻布設(shè)11個(gè)像片控制點(diǎn)。通過像片控制點(diǎn)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(dǎo)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(cè)立面。首先，基準(zhǔn)面選??；其次，通過軟件自帶的立面測量功能進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將模型坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為與該基準(zhǔn)面平行的坐標(biāo)中；最后，直接在影像上特征點(diǎn)連接繪制成各建筑要素(窗、門等)。圖4為該建筑的西側(cè)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(jī)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(shí)測測量結(jié)果進(jìn)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(jié)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(shí)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(jié)語

(1)針對常規(guī)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(jī)傾斜攝影技術(shù)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(qiáng)的使用性。

(2)在實(shí)際工程應(yīng)用中，立面測量采用的方法應(yīng)根據(jù)項(xiàng)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(xiàng)目。當(dāng)建筑物立面數(shù)量較少時(shí)且精度要求高時(shí)，宜采用全站儀立面測量的方法；當(dāng)測量的建筑物立面數(shù)量較大，周圍較空曠且對三維實(shí)景有較高要求時(shí)，宜采用傾斜攝影測量技術(shù)進(jìn)行測量。本文采取的是兩種技術(shù)相結(jié)合的方法。

(3)無人機(jī)傾斜攝影測量成果數(shù)據(jù)非常豐富，能同時(shí)輸出DSM(數(shù)字地表模型)、DOM(數(shù)字正射影像圖)、DLG(數(shù)字線劃地圖)及點(diǎn)云數(shù)據(jù)成果 ,可為后續(xù)應(yīng)用及其他技術(shù)融合提供可能。因此，該技術(shù)在城市建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)方面具有廣闊的前景。