不同方法在立面測量中的對比分析

陳亮堂

(福建省121地質(zhì)大隊(duì), 福建 龍巖 364021)

0 引言

隨著城市的發(fā)展與環(huán)境品質(zhì)的提升,老城區(qū)老街區(qū)建筑立面改造、高速高鐵沿線建筑景觀整治改造、老舊小區(qū)改造等工程項(xiàng)目越來越多,這些項(xiàng)目的開展,大部分是以建筑立面為工作目標(biāo)。建筑立面是指建筑和建筑的外部空間直接接觸的界面[1],建筑物立面圖是在與建筑物立面平行的鉛錘投影面上所做的投影圖[2],它主要表現(xiàn)建筑物的外貌和形狀,反映建筑結(jié)構(gòu)、門窗、陽臺、雨篷、臺階等的形狀和位置,以及建筑豎直方向各要素的高度,建筑物的藝術(shù)造型和價(jià)值要素等[3],是人的視角可見的、直觀的建筑視覺效果圖。近些年來,隨著立面測量項(xiàng)目與市場的增加,立面測量的設(shè)備、軟件也不斷涌現(xiàn),與之伴隨的,是對立面測量成果精度要求的提高和立面圖表現(xiàn)形式的多樣化,測量對象也從普通建筑到城市高聳建筑及歷史建筑,測量內(nèi)容從外立面到軸立面,作業(yè)難度越來越大。本文主要通過幾種不同的立面測量方法作業(yè)流程及成果精度分析,探索不同環(huán)境條件下的最佳測量方式。

1 不同立面測量方法及作業(yè)流程

1.1 全站儀立面測量

在常規(guī)在地形測量中,地物點(diǎn)空間位置的表現(xiàn)形式是一系列經(jīng)過投影變換的(X,Y,H)坐標(biāo),以X、Y表示平面位置,H表示高程。假如以常規(guī)測量方式采集建筑物的立面要素,根據(jù)地物立面要素的坐標(biāo)值可知,同一立面的所有特征點(diǎn)將集中落到同一條線上,即建筑物的邊線。若將立面圖投放到平面坐標(biāo)系中,立面要素的橫坐標(biāo)值域表示的是建筑物的長,立面要素的縱坐標(biāo)值域表示的是建筑物的高,因此,只要將常規(guī)測量點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)的H與Y互換,即可生成南方CASS軟件能直接讀取并簡碼識別的坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件[4]。

本次試驗(yàn)的野外測繪采用徠卡TZ05免棱鏡全站儀,按1∶500外業(yè)數(shù)字測圖技術(shù)規(guī)程開展外業(yè)工作,內(nèi)業(yè)成圖軟件使用南方CASS10.1軟件,成圖之前對野外采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,將對應(yīng)立面的數(shù)據(jù)格式改為(點(diǎn)號,編碼,Y,H,X)的文件格式后簡碼識別,具體流程如圖1所示。

圖1 全站儀立面測量數(shù)據(jù)處理流程

在外業(yè)作業(yè)過程中發(fā)現(xiàn),對于單幢建筑物可以采用獨(dú)立坐標(biāo)測繪,每個(gè)面的立面圖單獨(dú)提取繪制,對于成片的街道宜先進(jìn)行控制測量,然后逐幢進(jìn)行測繪,用編碼記錄要素點(diǎn),再提取建筑物每個(gè)立面的測量數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)成圖。外業(yè)時(shí)宜采用帶有免棱鏡激光測距功能的全站儀進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集,測出建筑物立面的要素點(diǎn),個(gè)別因遮擋觀測不到的特征點(diǎn),可采用手持激光測距儀進(jìn)行補(bǔ)測,同時(shí)輔以外業(yè)草圖和現(xiàn)場照片,能解決大部分環(huán)境下的立面測量工作[5]。

1.2 無人機(jī)傾斜攝影測量

實(shí)景三維模型是一種運(yùn)用數(shù)碼相機(jī)對構(gòu)筑物進(jìn)行多角度環(huán)視掃描拍攝,然后利用三維建模軟件處理生成的一種虛擬三維展示技術(shù)[6]。在計(jì)算機(jī)軟件輔助下可以對模型進(jìn)行放大、縮小、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、量測等操作,常用于場地規(guī)劃、面積測量、土方計(jì)算、立面測量、地形測繪等工作。基于實(shí)景三維模型的立面測量,建筑物的臺階、門窗、陽臺、室外樓梯、檐口、屋頂、雨水管等各類裝飾構(gòu)件都清晰明了,易于量測,運(yùn)用非常廣泛,目前,實(shí)景三維模型的獲取方式多樣,其中最常見的是基于無人機(jī)的傾斜攝影測量。

基于無人機(jī)傾斜攝影測量的立面測量工作,可先按常規(guī)攝影測量方式獲取建筑物的三維模型,再通過南方CASS10.1和CASS3D軟件的立面采集功能直接繪制建筑立面圖。本次無人機(jī)傾斜攝影測量采用大疆經(jīng)緯M600 Pro搭載大勢智慧雙魚5.0傾斜相機(jī),為雙鏡頭十字?jǐn)[動(dòng)全畫幅相機(jī),單個(gè)傳感器4 240萬像素,影像尺寸為7 952像素×5 304像素。航線規(guī)劃時(shí)設(shè)計(jì)航高150 m,航向重疊度為80%,旁向重疊度75%,采用大疆智圖軟件建模生成三維建模。基于三維模型的立面采集流程如圖2所示,三維模型效果如圖3所示。

圖2 基于三維模型的立面采集流程圖

圖3 實(shí)景三維模型效果圖

1.3 三維激光掃描

三維激光掃描技術(shù)是通過非接觸式高速激光器對目標(biāo)進(jìn)行掃描測量[7],通過測量掃描儀到目標(biāo)點(diǎn)的距離和激光束的水平方向、豎直方向角度值計(jì)算激光落點(diǎn)的三維坐標(biāo),激光器發(fā)射密集激光束形成密集點(diǎn)云。這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)是進(jìn)行三維建模的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在的三維激光掃描儀不僅能掃描目標(biāo)的點(diǎn)云數(shù)據(jù),還具備拍照功能,儀器和軟件可根據(jù)點(diǎn)云位置和對應(yīng)位置的照片,將點(diǎn)云渲染潤色,形成具有顏色的點(diǎn)云三維模型。該技術(shù)具有快速、非接觸、主動(dòng)等特點(diǎn),獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)密度高、精度高,在文物保護(hù)、城鄉(xiāng)規(guī)劃、工業(yè)測量、數(shù)字城市等領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用[8]。

本次試驗(yàn)采用美國法如focuss150三維激光掃描儀(測程為0.6～150 m,測距精度為±1.0 mm),作業(yè)過程中根據(jù)目標(biāo)建筑物的復(fù)雜程度共布設(shè)了9站,內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件采用FARO SCENE和AUTOCAD2016。外業(yè)掃描工作結(jié)束后,先將掃描儀每一站掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)出建模,然后人工預(yù)拼接,將全部站點(diǎn)數(shù)據(jù)合并后借助軟件自動(dòng)拼接,拼接完成并檢查無誤后進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪、壓縮、格式轉(zhuǎn)換。將拼接好的三維激光點(diǎn)云模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入到AUTOCAD2016軟件中進(jìn)行立面圖的繪制,具體流程如圖4所示,點(diǎn)云效果如圖5所示。

圖4 三維激光掃描立面測量數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理流程

圖5 三維激光掃描點(diǎn)云效果圖

2 成果精度及優(yōu)缺點(diǎn)分析

為驗(yàn)證上述3種立面測量方式的效果與精度,在立面圖采集完成后,隨機(jī)抽取建筑物的若干條邊,使用南方C100C手持激光測距儀(測量精度為±1.0 mm)實(shí)地測量建筑物邊長,測量時(shí),激光束應(yīng)水平,讀數(shù)至0.001 m,每條邊測量兩次,兩次測量較差小于2 cm時(shí)取平均數(shù),較差大于2 cm時(shí)重新測量,將測量結(jié)果作為已知長度,與不同方法獲得立面圖的對應(yīng)邊長進(jìn)行對比,驗(yàn)證精度情況,精度對比分析情況見表1。

表1 基于不同方式采集的立面圖精度對比表 單位：m

本次立面測量成果精度要求參考《城市測量規(guī)范》(CJJ/T 8—2011)中日照測量的地形圖及立面細(xì)部測繪的精度要求,將立面圖的各邊長視為立面的細(xì)部要素,根據(jù)規(guī)范要求,地物點(diǎn)間距中誤差應(yīng)小于50 mm。根據(jù)上表抽檢結(jié)果可知,3種方法均滿足精度要求,在實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn),無人機(jī)傾斜攝影測量的誤差離散程度較高,誤差分布不規(guī)律,有些明顯地物點(diǎn)也可能出現(xiàn)粗差。在試驗(yàn)過程中,上述3種方法也是各有千秋,主要有3個(gè)方面。

2.1 全站儀立面測量

在本次實(shí)驗(yàn)過程中,使用全站儀開展立面測量,流程簡單,易上手,使用常規(guī)儀器、軟件即可實(shí)現(xiàn)工作任務(wù),在個(gè)別拐點(diǎn)較多的地方再輔以手持激光測距儀、外業(yè)草圖、現(xiàn)場照片,可以解決大部分的立面測量工作。但全站儀只能采集建筑物的外形、尺寸,無法同時(shí)采集建筑物的顏色、紋理、建筑材質(zhì)、裝飾細(xì)節(jié)等,需要拍攝大量照片用于后期輔助成圖,特別是建筑物高處的立面要素點(diǎn),隨著視距的增加,觀測難度增大,測量完整度和精度也有所降低[9]。同時(shí),使用全站儀立面測量外業(yè)時(shí)間較長,勞動(dòng)強(qiáng)度大,人工成本、時(shí)間成本相對較高。

2.2 無人機(jī)傾斜攝影測量

在本次實(shí)驗(yàn)過程中,運(yùn)用無人機(jī)傾斜攝影測量方法最大的優(yōu)點(diǎn)是可以用最直觀的方式真實(shí)還原建筑的結(jié)構(gòu)、尺寸、顏色、紋理等細(xì)節(jié),同時(shí),能將大量的外業(yè)工作轉(zhuǎn)移到內(nèi)業(yè),減少了外業(yè)成本,降低了野外作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)[11]。但是在具體作業(yè)過程中,也存在一些不足,主要是在受地形、建筑物高差影響的情況下,為保證無人機(jī)安全飛行,無人機(jī)很難以最佳高度貼近飛行以采集高清影像數(shù)據(jù),同時(shí),也會受到雨棚、樹木、屋檐等遮擋物的影響,導(dǎo)致對目標(biāo)建筑物采集的影像信息不完整,特別是在與其他建筑毗鄰區(qū)和有樹的地方,出現(xiàn)三維模型拉花、模糊、破洞的現(xiàn)象,影響立面采集精度。

根據(jù)這些不足,在試驗(yàn)過程中,為增強(qiáng)三維模型質(zhì)量,后期還嘗試采用無人機(jī)仿地飛行和地面拍攝影像結(jié)合的空地融合方式進(jìn)行精細(xì)建模。首先,運(yùn)用大疆經(jīng)緯M600 Pro搭載大勢智慧雙魚5.0傾斜相機(jī)以150 m的安全高度第一遍飛行,將飛行的影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)用大疆智圖軟件處理,生成數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM),再將數(shù)字高程模型導(dǎo)入大疆精靈4實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分技術(shù)(real time kinematic,RTK)無人機(jī),按70 m的高度以仿地飛行模式第二次飛行,仿地飛行可在確保無人機(jī)飛行高度安全的情況下以最佳的距離獲取更加清晰的近景影像[12]。在地面,利用帶定位功能的手機(jī)在建筑物附近按一定距離環(huán)繞拍攝,獲取精細(xì)紋理影像。最后,將獲取的各類影像數(shù)據(jù)進(jìn)行整理檢查,把空中無人機(jī)影像與地面近景影像在計(jì)算機(jī)中聯(lián)合平差、協(xié)同處理,根據(jù)空地一體化空三結(jié)果進(jìn)行三維建模,最終生成精細(xì)實(shí)景三維模型[13]。

通過對試驗(yàn)區(qū)域精細(xì)建模前后兩個(gè)三維模型對比,后者模型質(zhì)量大大提高,建筑物局部、細(xì)部得到更好的體現(xiàn),三角網(wǎng)密度明顯提升,色彩更加明亮,模型拉花、模糊、破洞等現(xiàn)象大大減少,立面圖的采集工作更加順暢,精度也得到提高。但是,外業(yè)、內(nèi)業(yè)工作量也增加了不少,數(shù)據(jù)處理更加復(fù)雜,對計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備要求更高,對工作人員的技術(shù)水平也有更高的要求,精細(xì)建模前后三維模型對比如圖6所示。

(a)精細(xì)建模前 (b)精細(xì)建模后

2.3 三維激光掃描

在本次實(shí)驗(yàn)過程中,采用基于三維激光掃描的立面測量外業(yè)工作相對簡單,可實(shí)現(xiàn)單組單人作業(yè),不受全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)信號影響,只需預(yù)規(guī)劃好掃描站點(diǎn),在儀器上設(shè)置好掃描參數(shù)后便可自動(dòng)掃描,適用范圍廣,特別是在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、立面要素多的區(qū)域,有特別好的適應(yīng)性。但是在三維激光掃描的作業(yè)過程中,只能從地面往上掃描,容易受屋檐及附屬物遮擋,同時(shí),在窗戶、玻璃區(qū)域噪點(diǎn)較多,對內(nèi)業(yè)立面采集產(chǎn)生不利影響,在站數(shù)較多時(shí),還容易導(dǎo)致站點(diǎn)數(shù)據(jù)錯(cuò)亂,對各站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接產(chǎn)生不利影響[14-15]。另外,在當(dāng)前市場中,三維激光掃描儀的價(jià)格普遍較高,適配軟件也較少,仍然是國外的產(chǎn)品占據(jù)主流優(yōu)勢,門檻相對較高。

3 結(jié)束語

在建筑結(jié)構(gòu)相對簡單或工作總量不大的情況下,采用全站儀的作業(yè)方式,輔以手持激光測距儀補(bǔ)充測量,會更加方便快捷,無須調(diào)用大量人力物力,能達(dá)到速戰(zhàn)速決的效果;在建筑結(jié)構(gòu)不復(fù)雜,作業(yè)范圍較大的情況下,采用基于無人機(jī)傾斜攝影測量結(jié)合外業(yè)補(bǔ)充調(diào)繪的方式,能大大減少外業(yè)工作量,將外業(yè)工作轉(zhuǎn)移到內(nèi)業(yè),提高項(xiàng)目總體經(jīng)濟(jì)效益;在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、對細(xì)節(jié)和紋理要求較高的情況下,特別是歷史建筑的立面測量,采用三維激光掃描的方式能獲得更加精細(xì)的紋理,數(shù)據(jù)量豐富,可滿足立面圖、剖面圖、大樣圖等各種圖件的生產(chǎn)需求。