無人機傾斜攝影技術(shù)制作建筑立面圖方法

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摘要：舊城改造面臨著工作量大、工期緊、效率低的問題，為了解決這一問題，提出利用EPS軟件在三維模型上進行立面圖采集與輸出。介紹了傾斜攝影的原理，并以實際項目為例，從測區(qū)概況、外業(yè)數(shù)據(jù)獲取、內(nèi)業(yè)三維模型生產(chǎn)、立面圖制作進行說明，對立面圖成果精度進行檢測，結(jié)果表明：本文提到的方案生產(chǎn)的立面圖成果，可以滿足建筑立面圖測繪產(chǎn)品需求，具有一定的實用性。

關(guān)鍵詞：無人機傾斜攝影；實景三維模型；建筑物立面圖；立面圖；精度評定

近年來，美麗鄉(xiāng)村建設(shè)和城市老舊小區(qū)改造發(fā)展迅速，然而由于各種原因，絕大部分老舊小區(qū)當(dāng)時的設(shè)計圖紙都已丟失，對老舊小區(qū)立面進行重新測量迫在眉睫[1-2]。傳統(tǒng)的立面圖制作是依靠全站儀進行采集，這種作業(yè)方式效率低、風(fēng)險高、成本高，難以解決工期緊的問題。對于三維激光進行立面圖采集，可有效解決效率低的問題，但是三維激光價格昂貴，獲取的點云數(shù)據(jù)噪點多，需要進行濾波等相關(guān)操作，對作業(yè)人員技術(shù)水平要求高，也有一定的局限性[3-4]。隨著無人機技術(shù)的迅速發(fā)展以及相機分辨率的不斷提高，加上攝影測量軟件算法的不斷優(yōu)化，傾斜攝影建模技術(shù)得到了迅速發(fā)展[5-6]。傾斜攝影通過多角度全方位的對地面進行拍攝，可以從多個角度獲取建筑物側(cè)面結(jié)構(gòu)紋理信息，這讓利用模型生產(chǎn)立面圖成了可能[7-8]。本文主要介紹了傾斜攝影的原理，并以某城區(qū)道路兩側(cè)立面改造為例，通過外業(yè)數(shù)據(jù)獲取、內(nèi)業(yè)三維模型生產(chǎn)和立面圖制作，對制作的立面圖成果精度進行統(tǒng)計分析，得出基于無人機傾斜攝影技術(shù)制作的建筑立面圖，能夠滿足建筑立面測繪精度的需求。

1無人機傾斜攝影技術(shù)介紹

1.1無人機傾斜攝影原理

無人機傾斜攝影測量是指在無人機飛行平臺上掛載多個多角度非量測數(shù)碼相機，從空中對地面進行拍攝獲取地面影像數(shù)據(jù)[9]。目前主流的搭配為五鏡頭，即前視、后視、左視、右視和下視，四個側(cè)視鏡頭主要獲取建構(gòu)筑物側(cè)面紋理信息，這位立面測量提供了保障。下視鏡頭獲取建筑物的頂部信息，避免航飛過低時建筑物頂部因重疊度不夠而出現(xiàn)空洞[10]。五鏡頭側(cè)視鏡頭夾角一般呈45度，由等邊直角三角形可知，要完整獲得測區(qū)邊緣，則航線至少要外擴一個航高。

1.2無人機傾斜攝影建模流程

主要包括航攝之前的測區(qū)勘察、空域申請、航線規(guī)劃、控制測量、航攝數(shù)據(jù)獲取、空中三角測量、三維模型生產(chǎn)，具體詳細流程見圖1。測區(qū)勘察，主要是收集測區(qū)范圍內(nèi)已有的成果資料，比如高精度控制點，已有地形圖，原有建筑物設(shè)計圖紙等；空域申請是向有關(guān)部門申請空域，在得到批準后才可以作業(yè)，以免違規(guī)作業(yè)帶來意外；航線規(guī)劃是指按照要求在對面站軟件里設(shè)置相關(guān)參數(shù)，如地面分辨率，重疊度等。

2項目實例

2.1測區(qū)概況

測區(qū)位于城區(qū)主干道兩側(cè)，主要完成道路兩側(cè)立面圖的制作，包括墻體面積、窗戶面積等，便于后期對工作量進行精準計算，對改造方案進行更加合理的設(shè)計。道路兩側(cè)樹木較少，建筑物可見度高，最高建筑物約100米。

2.2外業(yè)數(shù)據(jù)獲取

結(jié)合建筑物高度，對測區(qū)進行多架次劃分，并進行變高飛行，確保在安全飛行的前提下能夠獲得更高分辨率的影像。在航飛之前，首先對測區(qū)范圍進行空域申請，在得到批準手續(xù)后，結(jié)合測區(qū)范圍線，按照100米的距離均勻噴涂像控點點位并用GPS-RTK完成像控點坐標(biāo)的采集。在地面站上設(shè)置航向、旁向重疊度均為85%，地面采樣分辨率為0.015米，航攝時盡量保證在中午前后2小時內(nèi)，確保了航攝成果的質(zhì)量。

2.3內(nèi)業(yè)三維模型生產(chǎn)

對獲取的影像成果和POS數(shù)據(jù)進行整理，刪除無效影像，利用勻光勻色軟件，對全部像片進行調(diào)色，利用拖把更名器，對所有影像進行重命名。整理原始像控點數(shù)據(jù)，解算像控點成果。利用ContextCapture軟件自檢校功能，對少量影像進行空三解算，獲得更加精確的相機參數(shù)?？罩腥菧y量主要包括自由網(wǎng)平差和帶著控制點的平差，自由網(wǎng)平差理論上是指沒有任何約束的平差，也可以說是帶著POS數(shù)據(jù)的平差。初次平差，主要依據(jù)POS數(shù)據(jù)，解算過程主要包括影像金字塔的創(chuàng)建、特征檢測、特征提取、特征匹配、圖像相似度計算、帶著POS數(shù)據(jù)的平差調(diào)整。二次平差，是指帶著像控點的平差，平差的結(jié)果是將POS下的虛擬坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到像控點坐標(biāo)系下，使生產(chǎn)的實景三維模型具有準確的坐標(biāo)。本次建模使用的是ContextCapture軟件，該軟件空三精度高、可集群作業(yè)、效率高、模型質(zhì)量好。由于是多架次，后期需要對模型進行接邊，因此需要設(shè)置兩處原點坐標(biāo)。一處是在重建下的空間框架里，這里的原點主要是確定瓦片命名起算位置的；另一處在空間參考系統(tǒng)下，這里的原點是確定模型坐標(biāo)的，即模型的原點坐標(biāo)。由于模型里面是小坐標(biāo)，只有和原點的坐標(biāo)求和，才可以得到真正的絕對坐標(biāo)。為了后期模型接邊，這里兩處原點在所有的工程中都必須設(shè)置一樣。

2.4EPS軟件立面圖制作

本次立面圖制作使用的是北京清華三維的EPS5.0軟件，該軟件模塊多，功能齊全，可以較好地生產(chǎn)并導(dǎo)出立面圖成果。首先確定要生產(chǎn)立面圖的對象，然后利用軟件的“模型文件切割”功能，將需要制作立面圖的建筑物從原有模型中分離出來，這樣在采集立面的時候無遮擋，可使采集的立面圖精度更高。通過調(diào)整透視投影，可以改變查看模型的角度，更有利于立面圖的繪制，如圖2，左側(cè)四個圖分別是右側(cè)建筑物的四個視角下的立面圖。

3精度檢測與評定

利用南方數(shù)碼公司的全站儀（測量精度為2+2ppm），對立面圖中的線條隨機抽取15條進行精度檢測，檢測結(jié)果見表1。對隨機抽取的15條邊長進行檢測，檢測結(jié)果中最大殘差值為4.1cm，最小殘差值為1.6cm，均滿足建筑立面測繪產(chǎn)品的需求。實驗結(jié)果表明，利用傾斜攝影技術(shù)來生產(chǎn)立面圖，精度有保障，可以提高立面圖生產(chǎn)速度，節(jié)約成本，是很實用的一種作業(yè)方式。本次精度可以滿足建筑立面測繪需求，分析其原因主要是因為:(1)樹木幾乎對建筑物未遮擋，生產(chǎn)的模型幾乎無拉花現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)完整；(2)采用的變高飛行作業(yè)方式獲取數(shù)據(jù)，確保采集的影像分辨率夠高；(3)利用軟件自檢校功能，對影像進行相機參數(shù)解算，得到精確的相機參數(shù)；(4)使用的建模軟件算法完善，空三精度高，生產(chǎn)的模型質(zhì)量好；(5)像控點夠密，按照100米的距離布設(shè)像控點，使空三精度足夠高。對于建筑物四周遮擋嚴重的區(qū)域，基于傾斜攝影模型生產(chǎn)立面圖的作業(yè)方式是不可取的，可采用手持激光掃描儀，在地面上近距離對建筑物進行掃描，然后利用專業(yè)軟件進行建筑物立面圖的制作。結(jié)束語本文簡單敘述了無人機傾斜攝影技術(shù)原理和實景三維模型的生產(chǎn)流程，并以實際項目為例，對本文提到的作業(yè)方式生產(chǎn)的立面圖成果進行精度檢測，結(jié)果表明本文提到的作業(yè)方式生產(chǎn)的立面圖可以滿足建筑立面對測繪產(chǎn)品的精度需求，為同行作業(yè)人員提提供了一種新的生產(chǎn)立面圖的方法，可為從事立面圖生產(chǎn)的人員提供一定的借鑒意義。

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作者：靳望 單位：天水三和數(shù)碼測繪院有限公司