傾斜攝影測量在建筑附屬設(shè)施施工中的應(yīng)用

盛 輝，池海旭，段政明，曾 喆，馮建偉

（1.中國石油大學(xué)（華東），山東 青島 266580）

在建筑附屬設(shè)施的施工測量中，傳統(tǒng)方法是通過全站儀等設(shè)備來完成。何屹雄[1]等利用全站儀完成了建筑立面的測繪，降低了立面測量的成本并提高了作業(yè)效率；但憑借全站儀完成建筑物附屬設(shè)施的施工測量通常需要多人協(xié)同工作，對于某些不規(guī)則且特征點多的建筑物附屬設(shè)施，施測難度大，外業(yè)采集的數(shù)據(jù)量過大，內(nèi)外業(yè)工作量依然繁重。傾斜攝影測量技術(shù)通過平臺上搭載的傳感器從低空垂直、傾斜等不同角度攝影測量目標(biāo)物體，進(jìn)而獲得高分辨率的影像。目前該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于城市管理、變形監(jiān)測、應(yīng)急指揮等領(lǐng)域，如鄭史芳[2]等將攝影測量技術(shù)應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中，建立的三維模型為地質(zhì)災(zāi)害隱患點的預(yù)警提供了強有力的依據(jù)；但在建筑附屬設(shè)施測量中的應(yīng)用尚少。本文利用基于多旋翼消費級無人機的傾斜攝影測量技術(shù)構(gòu)建了某圖書館雨棚的三維模型，進(jìn)而分析該技術(shù)在獲取雨棚框架尺寸方面可達(dá)到的精度。

1 基于無人機的建筑附屬設(shè)施施工測量方法

基于無人機的建筑附屬設(shè)施施工測量作業(yè)分為外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理兩個部分（圖1）。無人機傾斜攝影測量系統(tǒng)主要包括飛行控制平臺、傾斜攝影相機和飛行數(shù)據(jù)處理軟件3 個部分。無人機按照作業(yè)用途可分為消費級無人機和專業(yè)級無人機，按照機翼形式可分為多旋翼和固定翼，其中多旋翼消費級無人機憑借其價格低廉、體量小、機動性和靈活性強等優(yōu)點得到了廣泛應(yīng)用。利用多旋翼消費級無人機可進(jìn)入一些作業(yè)條件困難的區(qū)域，采集常規(guī)方法不能獲取的影像數(shù)據(jù)信息，進(jìn)而快速建立直觀、可靠的三維實景模型，為工程建設(shè)或其他城市管理的相關(guān)工作提供地理信息數(shù)據(jù)。

圖1 基于無人機的建筑附屬設(shè)施測量流程圖

1.1 無人機外業(yè)數(shù)據(jù)獲取

針對不同的建筑附屬設(shè)施采用不同型號類別的無人機設(shè)備，本次實驗采用大疆消費級四旋翼無人機Phantom 4 Pro。該無人機穩(wěn)定、安全、靈活，且具有視距提示系統(tǒng)、GPS 定位系統(tǒng)和IMU 慣導(dǎo)系統(tǒng)，拍攝的照片中具有POS 數(shù)據(jù)。無人機搭載相機視場角為84°、有效像素為2 000 萬、等效35 mm 相機標(biāo)準(zhǔn)焦距、f/2.8～f/11 帶自動對焦的云臺相機。由于建筑附屬設(shè)施周邊環(huán)境復(fù)雜，為了使數(shù)據(jù)充分且保證設(shè)備安全，以垂向飛行航線搭配70%～80%的航向和旁向重疊度的方式來保證影像數(shù)據(jù)質(zhì)量，抵近附屬設(shè)施3 m左右的距離進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。影像數(shù)據(jù)采集前，在龍骨框架上設(shè)置若干個檢查點，以便評價三維模型精度。

1.2 建筑附屬設(shè)施三維模型構(gòu)建

對獲取的多角度、mm 級、高重疊率的照片數(shù)據(jù)進(jìn)行整理檢查，然后利用三維建模軟件進(jìn)行目標(biāo)物模型的精細(xì)構(gòu)建。數(shù)據(jù)處理主要包括照片預(yù)處理、空中三角測量、多視影像密集匹配和三維產(chǎn)品模型構(gòu)建等步驟。

1）空中三角測量和模型尺度信息添加。空中三角測量又稱空三加密，是在攝影測量中，以嚴(yán)密的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，通過照片上量測的像點來求算其他所需加密點坐標(biāo)的過程[3]，是無人機影像內(nèi)業(yè)處理的關(guān)鍵部分。傾斜攝影測量系統(tǒng)以原始POS 數(shù)據(jù)為初始參數(shù)，結(jié)合相機文件和影像信息，通過由粗到精的多層影像金字塔式的自動匹配方式，在每層金字塔影像上提取一一對應(yīng)的特征點，并在每層影像上利用同名連接點進(jìn)行整體區(qū)域網(wǎng)光束法平差，得到同名點的匹配結(jié)果；同時為了確保平差精度，建立了連接點、控制點和IMU 輔助數(shù)據(jù)的多視角影像聯(lián)合解算[4-5]。內(nèi)部處理流程如圖2 所示。

圖2 空三加密過程

Smart-3D 軟件采用最嚴(yán)密且精度最高的光束法區(qū)域網(wǎng)平差方法，以中心投影的共線方程為平差基礎(chǔ)方程[6]，以攝影光束為基本單元來實現(xiàn)模型之間光束的最佳交會，從而反算得到加密點的地面坐標(biāo)和外方位元素。將影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入Smart-3D 軟件中，自動進(jìn)行空三加密并得到每張影像的位置和姿態(tài)角信息。

根據(jù)外業(yè)數(shù)據(jù)采集設(shè)置的檢查點，按照各檢查點的空間分布情況，在照片上選取恰當(dāng)?shù)臋z查點作為尺度標(biāo)識點（A、B、C）進(jìn)行刺點作為尺度約束點，依次為a、b、c，并根據(jù)外業(yè)量測的實際距離設(shè)置約束點之間的距離。其他檢查點可作為檢查模型精度的點。

2）多視影像密集匹配。無人機外業(yè)獲取的數(shù)據(jù)包含多視角下的航攝影像數(shù)據(jù)，多視影像密集匹配技術(shù)是研究這些數(shù)據(jù)的關(guān)鍵技術(shù)[7]。影像匹配的原理是根據(jù)多張影像之間的相似性，利用相關(guān)函數(shù)來確定影像之間的同名點。其主要流程為獲得影像的外方位元素，并對具有精確外方位元素的影像進(jìn)行分類；再對分類結(jié)果進(jìn)行匹配，獲得高密度點云；最后經(jīng)過濾波處理獲得精度較高的三維點云。多視影像密集匹配技術(shù)可以更好地利用冗余影像信息，結(jié)合每幅影像的POS 數(shù)據(jù)等信息，合理運用多視匹配所需的多視點數(shù)據(jù)準(zhǔn)確獲取多視影像點的同名坐標(biāo)，進(jìn)而得到建筑物的最終三維數(shù)據(jù)信息[8-9]。

3）三維產(chǎn)品模型構(gòu)建。將基于多視影像密集匹配技術(shù)生成的密集點云用于構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)表面和白體模型；再選用無雜物遮擋、姿態(tài)均勻一致、無錯位的照片貼合在白體模型上得到該附屬設(shè)施的三維模型；最后以EPS 地理信息工作站為矢量繪圖平臺，無需佩戴立體眼鏡，通過內(nèi)置的繪圖模塊，根據(jù)影像和自動空中三角測量生成的三維模型勾繪出雨棚的輪廓或框架模型[10]。根據(jù)工程實際需要，選取雨棚上的標(biāo)志點或特殊點，并參照實際結(jié)構(gòu)依次連接成線，再將EPS數(shù)據(jù)結(jié)果導(dǎo)入AutoCAD 軟件，生成附屬設(shè)施的產(chǎn)品模型供施工方使用。

2 案例應(yīng)用

2.1 實驗區(qū)概況

本文選取的實驗區(qū)位于青島市某大學(xué)校園內(nèi)，區(qū)域內(nèi)新建圖書館雨棚的支撐框架已搭建完畢，需準(zhǔn)確獲取其龍骨框架的拐點、龍骨棱角點等特征點的相對位置，從而獲得龍骨架間的距離和弧度來制作雨棚。若利用全站儀來測量龍骨框架，則大約需要測量100 個框架特征點；且受框架結(jié)構(gòu)影響，某些特征點并不能準(zhǔn)確測量，外業(yè)工作量大，因此實驗采用無人機傾斜攝影測量技術(shù)完成對龍骨框架的測量。首先利用消費級無人機獲取龍骨架的影像數(shù)據(jù)，然后利用Smart-3D 軟件構(gòu)建實景模型，最后利用EPS 軟件和AutoCAD 軟件制作雨棚框架模型供施工方使用。

2.2 數(shù)據(jù)獲取與三維模型構(gòu)建

針對該雨棚龍骨框架特點和建模精度要求，在龍骨框架上設(shè)置41 個檢查點，采用大疆Phantom 4 Pro四旋翼無人機獲取影像數(shù)據(jù)信息。為了保證0.002 m 的影像分辨率，航向和旁向重疊度均設(shè)置為75%，抵近龍骨框架3 m 左右的距離進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

對獲取的多角度、mm 級、高重疊率的照片數(shù)據(jù)進(jìn)行整理檢查后，即可采用三維建模軟件進(jìn)行雨棚的精細(xì)構(gòu)建。完成影像數(shù)據(jù)的預(yù)處理后，在Smart-3D 軟件上對影像數(shù)據(jù)進(jìn)行空中三角測量，自動提取連接點；再通過連接點反算確定照片位置；然后根據(jù)外業(yè)數(shù)據(jù)設(shè)置的檢查點空間分布情況，選取8 個檢查點作為尺度標(biāo)識點進(jìn)行尺度約束；最后對數(shù)據(jù)再次進(jìn)行空中三角測量、多視影像密集匹配等處理，即可得到雨棚的三維模型（圖3）。

圖3 雨棚三維模型

利用EPS 地理信息工作站，根據(jù)影像和自動空中三角測量生成的三維模型勾畫龍骨框架（圖4），并選取各龍骨框架的中心端點；再根據(jù)雨棚實際框架結(jié)構(gòu)依次連接成線；最后將EPS 數(shù)據(jù)結(jié)果導(dǎo)入AutoCAD軟件生成雨棚產(chǎn)品模型（圖5），供施工方使用。

圖4 EPS 繪制龍骨框架

圖5 雨棚龍骨框架模型

2.3 三維模型精度分析

雨棚等建筑附屬設(shè)施通常是由幾何結(jié)構(gòu)構(gòu)成的，對于構(gòu)建完畢的三維實景模型，可通過在其表面量測感興趣點之間的距離和方位等信息進(jìn)行精度評價。根據(jù)工程需要，本次模型構(gòu)建對絕對定位精度不做要求，但對相對定位精度有嚴(yán)格的要求。在量測模型上和外業(yè)數(shù)據(jù)采集時均勻設(shè)置檢查點之間的距離[11]，并通過數(shù)學(xué)方法確定模型構(gòu)建的相對定位精度。

相對位置精度用均方根誤差來表示，第i組檢查點實際測量值與模型量測值之間的誤差為di，則多個檢查點的均方根誤差為：

各檢查點的精度統(tǒng)計和誤差曲線如表1 和圖6所示。

實驗選取實景模型和實際龍骨框架上的30 個檢查點進(jìn)行統(tǒng)計，可以看出，第二組數(shù)據(jù)誤差為8.5 mm，明顯高于其他組數(shù)據(jù)誤差，對此進(jìn)行分析認(rèn)為是人工采集操作產(chǎn)生的誤差，在三維模型上采集一個像素產(chǎn)生的誤差，實際將導(dǎo)致1～2 cm 的誤差，因此將其作為粗差進(jìn)行剔除；其余29 個檢查點在模型上量測的距離與在龍骨框架上量測的距離非常接近，其中最大誤差為4.3 mm，最小誤差為0，平均相對誤差為0.24%。由式（1）計算得到所有檢查點的均方根誤差為1.89 mm，說明本次實驗結(jié)果符合GB 50026-2007《工程測量規(guī)范》中有關(guān)附屬構(gòu)筑物安裝測量允許偏差±5 mm的規(guī)定，可有效獲取雨棚龍骨框架的尺寸信息，滿足了實際應(yīng)用要求。

表1 三維實景模型精度統(tǒng)計

圖6 各檢查點的誤差曲線

3 結(jié) 語

消費級無人機憑借其體量小、機動性和靈活性強的特點，能在短時間內(nèi)采集影像數(shù)據(jù)信息，并建立三維模型，且建立的三維模型精度完全符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和工作要求。實際應(yīng)用結(jié)果表明，將無人機傾斜攝影測量技術(shù)和其他相關(guān)軟件應(yīng)用于建筑附屬設(shè)施的施工測量中，獲取的結(jié)果不僅滿足了相關(guān)規(guī)范規(guī)定的精度要求，而且大大提高了工作效率，減少了外業(yè)工作人員的勞動強度，為附屬設(shè)施的建造施工提供了很好的視覺參考，可為其他相關(guān)工程與數(shù)字城市建設(shè)提供借鑒和服務(wù)。