基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的建筑物立面圖制作流程

一、引言

百城建設(shè)提質(zhì)工程是河南省新型城鎮(zhèn)化發(fā)展的重要部署，街道立面改造作為其主要工作內(nèi)容之一可以有效改善街道整體視覺效果，提升城市形象。因此，如何準(zhǔn)確、高效地制作建筑物立面圖成為研究的重點(diǎn)。另一方面，傾斜攝影測(cè)量是國(guó)際測(cè)繪領(lǐng)域近年來興起的一項(xiàng)高新技術(shù)，它以大范圍、多角度、高清晰的方式感知真實(shí)場(chǎng)景，改變了傳統(tǒng)攝影測(cè)量只能從垂直視角拍攝的局限性，具有更豐富的影像信息、更高級(jí)的用戶體驗(yàn)[1-3]。本項(xiàng)目以河南省鶴壁市浚縣的三條主干道為例，對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行傾斜攝影測(cè)量，通過ContextCapture和DPModeler兩款軟件實(shí)現(xiàn)三維建模與立面測(cè)圖。本文詳細(xì)闡述了基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的建筑物立面圖制作流程，并將立面圖制作成果與傳統(tǒng)全站儀測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，最后對(duì)本文方法的優(yōu)勢(shì)和創(chuàng)新性進(jìn)行了總結(jié)與展望。

二、測(cè)區(qū)概況

本項(xiàng)目位于千年古城浚縣，浚縣地處河南省北部，太行山與華北平原過渡地帶，地形以平原為主，平均海拔63米，屬暖溫帶半濕潤(rùn)性季風(fēng)氣候，年均氣溫13.7℃。測(cè)區(qū)為黎陽路、新華路、黃河路三條主干道，一橫兩縱穿過主城區(qū)。黎陽路全長(zhǎng)約4000米，改造涉及建筑物125棟，臨街商鋪462間；新華路全長(zhǎng)約2500米，改造涉及建筑物101棟，臨街商鋪306間；黃河路全長(zhǎng)約5000米，改造涉及174棟建筑物，臨街商鋪591間，致力于打造具有傳統(tǒng)韻味感知的現(xiàn)代商業(yè)空間。據(jù)了解，這三條路為?？h的歷史文化資源與特色商業(yè)集中區(qū)域，街道立面改造將有利于城市風(fēng)貌的展現(xiàn)[4]。

三、技術(shù)路線

本項(xiàng)目的實(shí)施包括外業(yè)和內(nèi)業(yè)兩個(gè)部分。首先進(jìn)行測(cè)區(qū)踏勘與資料收集，在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上利用飛馬“無人機(jī)管家”軟件進(jìn)行航線規(guī)劃設(shè)計(jì)，進(jìn)而通過飛馬D200四旋翼無人機(jī)搭載五鏡頭相機(jī)獲取測(cè)區(qū)真彩色影像，傾斜航空攝影完成后進(jìn)行外業(yè)像控布設(shè)。其次，通過ContextCapture軟件進(jìn)行實(shí)景三維建模，基于三維模型通過DPModeler軟件進(jìn)行立面測(cè)圖，將立面測(cè)圖成果與傳統(tǒng)全站儀測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。最后將測(cè)圖成果導(dǎo)入南方CASS軟件進(jìn)行編輯輸出，完成立面圖制作。具體技術(shù)路線如圖1所示。

圖1技術(shù)路線圖

Fig.1 Technology flow chart

四、作業(yè)流程

4.1 傾斜航空攝影

傾斜航空攝影的航線設(shè)計(jì)采用深圳飛馬機(jī)器人科技有限公司的“無人機(jī)管家”軟件進(jìn)行，該軟件集無人機(jī)數(shù)據(jù)獲取、處理、顯示、管理及無人機(jī)維護(hù)于一體，支持多種飛行器的航線設(shè)計(jì)、監(jiān)控、數(shù)據(jù)快速質(zhì)檢、4D產(chǎn)品生產(chǎn)等。通過“無人機(jī)管家”設(shè)計(jì)的航線，其相對(duì)航高、地面分辨率及物理像元尺寸滿足三角比例關(guān)系，航線設(shè)計(jì)通常采取航向重疊度60%以上，旁向重疊度30%左右，鑒于三維模型精細(xì)化表達(dá)需要，航向和旁向重疊度要求更高，具體的航線設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示，航線規(guī)劃如圖2所示。本項(xiàng)目通過飛馬機(jī)器人智能航測(cè)系統(tǒng)D200搭載五鏡頭相機(jī)D-OP300（如圖3所示），該系統(tǒng)具有作業(yè)效率高（單架次/48分鐘/2cmGSD/0.45km2）、焦距長(zhǎng)（35mm鏡頭）、影像質(zhì)量高（總像素1.2億）等優(yōu)點(diǎn)，通過傾斜航空攝影方式共作業(yè)4個(gè)架次，飛行帶狀區(qū)域近12公里，獲取真彩色影像15500張，然后對(duì)獲取的影像進(jìn)行質(zhì)量檢查，對(duì)不合格的區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)飛或重飛，直到獲取的影像質(zhì)量滿足要求。

表1航線規(guī)劃設(shè)計(jì)參數(shù)表

圖2 航線規(guī)劃圖（以黎陽路為例）

Fig.2 Airline planning chart (takingLiyang road for example)

圖3 飛馬智能航測(cè)系統(tǒng)D200

Fig.3 Intelligent aerial photogrammetricsystem of FEIMA ROBOTICS D200

4.2 像控布設(shè)

本項(xiàng)目采用非全野外布點(diǎn)方案，外業(yè)只測(cè)定少量的控制點(diǎn)作為內(nèi)業(yè)加密的基礎(chǔ)，可有效減少外業(yè)工作量。通常根據(jù)測(cè)區(qū)形狀、地勢(shì)、面積的差異采取不同的布點(diǎn)方案，就本測(cè)區(qū)的狹長(zhǎng)特性而言，宜采用沿道路兩側(cè)交叉布點(diǎn)方式。由于道路較長(zhǎng)約4000米（以黎陽路為例），布點(diǎn)間隔選擇300米左右交叉布設(shè)一個(gè)控制點(diǎn)，能夠使測(cè)區(qū)控制網(wǎng)更加穩(wěn)固，滿足項(xiàng)目精度要求，像控點(diǎn)分布如圖4所示。根據(jù)上述布點(diǎn)方案，按照“先整體后局部，先控制后碎步”的原則，在首級(jí)控制點(diǎn)的基礎(chǔ)上通過GPSRTK采集像控點(diǎn)坐標(biāo)，像控點(diǎn)坐標(biāo)如

Fig.4 Image control pointsdistribution chart (taking Liyang road for example)

表2所示。

圖4 像控點(diǎn)分布圖（以黎陽路為例）

Fig.4Image control points distribution chart (taking Liyang road for example)

表2像控點(diǎn)坐標(biāo)（以黎陽路為例）

4.3 數(shù)據(jù)處理

通過ContextCapture軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括原始影像數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)、控制點(diǎn)數(shù)據(jù)及相機(jī)參數(shù)。首先進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，通過飛馬“無人機(jī)管家”智檢圖和智理圖模塊，完成原始影像的勻光勻色、畸變糾正、POS數(shù)據(jù)解算等工作。其次，將預(yù)處理完成后的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)導(dǎo)入ContextCapture軟件平臺(tái)，進(jìn)行新建工程、參數(shù)設(shè)置、提交空三、提交重建等系列環(huán)節(jié)，無需人工干預(yù)，最終輸出OSGB格式的具有真實(shí)紋理的高分辨率實(shí)景三維模型。該模型能夠準(zhǔn)確、精細(xì)地還原出建模主體的真實(shí)色澤、幾何形態(tài)及細(xì)節(jié)構(gòu)成，空三加密精度如表3所示，三維模型成果如圖所示。

表3 空三加密精度統(tǒng)計(jì)表

Tab.3 Precision of aerotriangulation

圖5 三維模型成果（局部圖）

Fig.53D model (partial perspective)

三維建模完成后，首先利用武漢天際航公司的格式轉(zhuǎn)換工具將OSGB格式模型轉(zhuǎn)為DPModeler軟件可識(shí)別的OSG格式，通過設(shè)置坐標(biāo)偏移值解決由模型相對(duì)坐標(biāo)與絕對(duì)坐標(biāo)差異引起的偏移問題。其次，基于OSG格式模型、xml格式空三及無畸變影像建立解決方案，通過DPModeler軟件實(shí)現(xiàn)建筑物立面測(cè)圖（圖6）。最后，將立面測(cè)圖成果導(dǎo)入南方CASS軟件進(jìn)行編輯整理，完成立面圖的制作。立面圖制作成果如圖7所示。

圖6 建筑物立面測(cè)圖

Fig.6 Facade mapping of buildings

圖7 建筑物立面圖成果（局部圖）

Fig.7 Elevation of buildings (partialperspective)

五、精度校驗(yàn)與效率對(duì)比

為了檢驗(yàn)傾斜攝影立面測(cè)圖成果的精度，本項(xiàng)目通過傳統(tǒng)外業(yè)測(cè)量方法[5-7]，利用南方NTS-332R4全站儀，采取特征邊測(cè)量的方式對(duì)建筑物立面進(jìn)行抽樣采集。為體現(xiàn)抽樣數(shù)據(jù)的代表性，均勻選取特征明顯的建模立面進(jìn)行測(cè)量。這里共采集158個(gè)特征邊與立面測(cè)量成果進(jìn)行對(duì)比分析，統(tǒng)計(jì)兩種方法采集的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，計(jì)算得到誤差，如表所示。

表4 精度檢驗(yàn)表（單位：m）

根據(jù)表中的誤差分布，通過中誤差計(jì)算公式可得特征邊中誤差為0.05m；另外，特征點(diǎn)坐標(biāo)中誤差均達(dá)到厘米級(jí)。由此可知，立面測(cè)圖成果滿足1：500大比例尺測(cè)圖要求。

就效率而言，2011年我單位于浙江省杭州市承擔(dān)過類似項(xiàng)目，通過傳統(tǒng)全站儀測(cè)量方法完成立面圖制作。這里以3公里立面測(cè)圖長(zhǎng)度為工作總量，以組日（三人一組，工作一日）為工作單元進(jìn)行效率對(duì)比，具體結(jié)果如表5所示。由此可知，基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的立面測(cè)圖方法效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)全站儀測(cè)量方法。

表5作業(yè)效率對(duì)比表

六、結(jié)論

本項(xiàng)目將傾斜攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于建筑物立面圖制作，針對(duì)該方法在立面測(cè)圖過程中遇到的若干技術(shù)問題進(jìn)行了研究與測(cè)試，并與傳統(tǒng)全站儀測(cè)量方法進(jìn)行了精度和效率的對(duì)比分析，結(jié)果表明：基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的立面測(cè)圖方法能夠滿足1：500大比例尺測(cè)圖要求，測(cè)圖效率相較于傳統(tǒng)方法有大幅提高。該項(xiàng)目的完成是高新技術(shù)在測(cè)繪領(lǐng)域中的有益嘗試，對(duì)于提高作業(yè)效率、改進(jìn)作業(yè)模式具有重要意義，為以后類似項(xiàng)目的實(shí)施提供了參考。