利用近景攝影測量方法進(jìn)行建筑立面測繪的研究

徐瑩，何濤，王濤

(天津市測繪院，天津 300381)

利用近景攝影測量方法進(jìn)行建筑立面測繪的研究

徐瑩?，何濤，王濤

(天津市測繪院，天津 300381)

城市規(guī)劃管理對建筑物的日照分析有嚴(yán)格的要求，傳統(tǒng)的日照分析用圖的制作是通過常規(guī)地面測量實(shí)現(xiàn)的，外業(yè)工作量大且效率低。本文探討利用近景攝影測量方法進(jìn)行建筑立面測繪，研究采用二維直接線性變換對建筑側(cè)面照片進(jìn)行幾何糾正得到立面圖底圖，并通過試驗(yàn)證明此方法可行，拍攝建筑所用的相機(jī)為普通數(shù)碼相機(jī)。

近景攝影測量；建筑立面測繪；二維直接線性變換；普通數(shù)碼相機(jī)

1 引 言

隨著我國城市規(guī)劃建設(shè)的發(fā)展，對審批建筑物與已有建筑物進(jìn)行日照分析是城市規(guī)劃部門的日常工作，而要保證建筑物日照分析結(jié)果的科學(xué)、準(zhǔn)確，須對已有建筑物進(jìn)行實(shí)地立面測量。建筑物立面測繪的成果為符合精度要求的建筑物的平面位置、樓頂高度、窗戶長度等測量數(shù)據(jù)且以CAD圖表示。

建筑立面測繪較為常規(guī)的方法是地面常規(guī)測量方法，地面常規(guī)測量方法所得結(jié)果的幾何精度較高，但外業(yè)采集工作量大，相應(yīng)的制作周期也長。采用近景攝影測量方法進(jìn)行建筑物立面測繪也是一種可選的方法，其具有時(shí)間短、工作效率高的優(yōu)點(diǎn)，且當(dāng)采用量測相機(jī)可獲得高精度結(jié)果。

當(dāng)受設(shè)備限制而無量測相機(jī)可用，且對建筑物立面圖幾何精度要求不是特別高時(shí)，宜采用直接線性變換方法，相應(yīng)的設(shè)備為普通數(shù)碼相機(jī)。直接線性變換(Direct Linear Transformation，DLT)解法，因無需相機(jī)的內(nèi)方位元素和攝影時(shí)外方位元素的初始近似值，適用于非量測相機(jī)(包括普通數(shù)碼相機(jī))所攝影像的攝影測量處理。直接線性變換模型包括三維形式的和二維直接線性變換模型，三維模型用于建筑立面測繪已有學(xué)者研究并加以應(yīng)用，二維直接線性變換模型相對于三維模型來說具有控制點(diǎn)數(shù)量少、算法簡便的特點(diǎn)，本文研究的是利用二維直接線性變換進(jìn)行建筑立面測繪，并通過試驗(yàn)加以論證。

2 二維直接線性變換

直接線性變換解法的關(guān)系式為:

其中，(x，y)是像點(diǎn)坐標(biāo)，(X，Y，Z)是相應(yīng)物點(diǎn)在物方空間的三維坐標(biāo)，(l1，l2，l3，l4，l5，l6，l7，l8，l9，l10，l11)是11個(gè)待定系數(shù)。

直接線性變換解法建立了像平面坐標(biāo)與物方空間坐標(biāo)間直接的、線性的關(guān)系，其本質(zhì)是由共線條件方程演算而來。

當(dāng)觀測物體為二維目標(biāo)，即坐標(biāo)Z視作常數(shù)時(shí)，上式可變換為如下二維形式:

其中，(x，y)是像點(diǎn)坐標(biāo)，(X，Y)是相應(yīng)物點(diǎn)在物方空間的二維平面坐標(biāo)，(l1，l2，l3，l4，l5，l6，l7，l8)是8個(gè)待定系數(shù)。二維直接線性變換解法建立了像平面坐標(biāo)與物方平面坐標(biāo)間的線性關(guān)系。二維直接線性變換模型共有8個(gè)待定系數(shù)，因而至少需要4個(gè)二維控制點(diǎn)方可解算出其模型。

建筑物立面可視作二維對象，故建筑立面圖測繪可采用二維直接線性變換解法，其計(jì)算過程為:

(1)依據(jù)最小二乘法，利用4個(gè)以上控制點(diǎn)建立誤差方程，求解8個(gè)系數(shù)。

(2)將未知點(diǎn)的像點(diǎn)坐標(biāo)代入二維直接線性變換關(guān)系式，計(jì)算其二維平面坐標(biāo)。

(3)根據(jù)計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行影像重采樣得到幾何糾正的影像底圖，作為立面圖繪制的底圖。

將像點(diǎn)坐標(biāo)(x，y)視作觀測值，觀測值改正數(shù)為(vx，vy)，則觀測值方程式為:

相應(yīng)的誤差方程式為:

3.故障原因按系統(tǒng)排列可使文章清晰，例如：進(jìn)氣系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、機(jī)械部分。我將作者總結(jié)的7條重新排列：

該解算處理的原理為最小二乘法，并采用循環(huán)迭代的方法進(jìn)行。解算時(shí)，8個(gè)li系數(shù)的初始值可設(shè)置為一較小的常數(shù)，本試驗(yàn)中采用初始值均為1.0，其收斂條件為相鄰兩次運(yùn)算的差值小于0.1。

3 試 驗(yàn)

試驗(yàn)所用數(shù)碼相機(jī)為尼康COOLPIX L22，分辨率為4 000×3 000。試驗(yàn)拍攝了一座6層的普通建筑的側(cè)面，拍攝距離為34 m，其立面相片上的特征點(diǎn)主要是窗口角點(diǎn)，相片尺寸為2 560像素×1 920像素，如圖1所示。試驗(yàn)共選取了8個(gè)控制點(diǎn)和9個(gè)檢查點(diǎn)，絕大多數(shù)控制點(diǎn)和檢查點(diǎn)均位于窗口角點(diǎn)上。控制點(diǎn)和檢查點(diǎn)整體分布較均勻，其點(diǎn)位分布圖如圖2所示，其中，紅色、名稱帶“GCP”的是控制點(diǎn)，藍(lán)色、名稱帶“CP”的是檢查點(diǎn)。利用無反射棱鏡的全站儀采集這些點(diǎn)的二維平面坐標(biāo)，所用全站儀為徠卡TCR1102，其不用棱鏡模式下測程達(dá)250 m，標(biāo)稱精度為±(3 mm+2 ppm)。利用PCIGeomatics軟件量測相應(yīng)的像點(diǎn)坐標(biāo)。

無反射棱鏡全站儀發(fā)射的激光束可精確地打到目標(biāo)上，保證高精度的測量出目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)。本試驗(yàn)中應(yīng)用無棱鏡測量技術(shù)直接測得建筑側(cè)面各特征點(diǎn)的坐標(biāo)，有效地提高觀測效率并降低了作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

圖2 點(diǎn)位分布圖

解算得到8個(gè)未知系數(shù)后，建立了二維直接線性變換模型，據(jù)此對相片做幾何糾正生成立面圖底圖，糾正的底圖如圖3所示。通過檢查點(diǎn)對結(jié)果進(jìn)行精度評定，精度評定方法是計(jì)算檢查點(diǎn)的中誤差，其結(jié)果如表1所示。

檢查點(diǎn)中誤差 表1

圖1 建筑立面照片

圖3 糾正的底圖

表1的結(jié)果表明檢查點(diǎn)的精度為6.1 cm，由此可判定二維直接線性變換方法生成的建筑立面底圖精度約6 cm，其相對精度為6.1 cm/34 m≈1/500，表明其相對精度也較高。

將得到的糾正影像作為底圖導(dǎo)入繪圖軟件Auto-CAD中，在CAD中進(jìn)一步處理，就可得到所需的建筑立面圖、窗位圖等成果。

4 結(jié) 語

隨著我國城市的快速發(fā)展，城市居民對房屋居住條件、居住環(huán)境的要求也日益重視，這其中房屋的日照采光已成為關(guān)注的熱點(diǎn)。另一方面，開發(fā)商為了節(jié)約用地成本因而盡可能提高樓房高度并縮小樓房間距。因此產(chǎn)生了兩者間的矛盾并引發(fā)一些爭議。為此，城市規(guī)劃部門逐步將建筑日照分析納入到城市規(guī)劃管理的日常工作中來，這也產(chǎn)生了城市建筑物立面測繪這塊新的市場。

利用近景攝影測量方法進(jìn)行建筑立面測繪，相比于常規(guī)地面測量顯著減少了外業(yè)觀測工作量，提高了效率，且其成果能滿足日照分析用圖的精度要求。本方法采用的儀器是普通數(shù)碼相機(jī)，對設(shè)備要求很低從而節(jié)省了成本，且處理過程較為簡潔，對多數(shù)生產(chǎn)單位來說具有實(shí)用意義。根據(jù)建筑物立面具有二維形式的特點(diǎn)，本文提出了利用更為精簡的二維直接線性變換模型而不是三維形式的，既減少了外業(yè)控制點(diǎn)的數(shù)量，也降低了解算的復(fù)雜度，具有簡便、實(shí)用的特點(diǎn)。

[1] 馮文灝.近景攝影測量[M].武漢:武漢大學(xué)出版社，2002.

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[3] 范文兵.建筑物日照分析測量內(nèi)容及方法探討[J].城市勘測，2006(2).

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[7] 張慧鑫，李非栗，雷巨光.基于普通數(shù)碼相機(jī)的近景攝影測量方法與精度的試驗(yàn)研究[J].北京測繪，2008(4).

數(shù)字哈爾濱地理空間框架建設(shè)項(xiàng)目通過國家驗(yàn)收

(本刊訊)2013年5月31日，由哈爾濱市城鄉(xiāng)規(guī)劃局組織實(shí)施、哈爾濱市勘察測繪研究院承擔(dān)的數(shù)字哈爾濱地理空間框架建設(shè)項(xiàng)目通過了國家測繪地理信息局專家組的評審驗(yàn)收。國家測繪地理信息局副局長李維森、黑龍江測繪地理信息局黨組書記鮑英華、市政府黨組成員魏偉出席項(xiàng)目驗(yàn)收會(huì)并講話。市政府副秘書長許洪江、市城鄉(xiāng)規(guī)劃局局長王宏新出席會(huì)議。

哈爾濱“數(shù)字城市”建設(shè)可實(shí)現(xiàn)哈爾濱市主城區(qū)所有地理空間信息在線共享。該項(xiàng)目包括“一庫、兩平臺、五個(gè)應(yīng)用”。一庫是基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫。兩平臺是數(shù)字地理信息政務(wù)服務(wù)平臺和公眾服務(wù)平臺。五個(gè)應(yīng)用分別為:群力新區(qū)東區(qū)地理信息系統(tǒng)、數(shù)字城管地理信息數(shù)據(jù)共享服務(wù)系統(tǒng)、數(shù)字城市規(guī)劃監(jiān)察系統(tǒng)、城市規(guī)劃管理信息系統(tǒng)、城市設(shè)計(jì)三維審批決策系統(tǒng)。

專家組強(qiáng)調(diào)，為做好智慧城市建設(shè)的準(zhǔn)備工作，一是要進(jìn)一步完善地理空間框架的各項(xiàng)功能，盡早開通天地圖·哈爾濱；二是要進(jìn)一步加大平臺的推廣應(yīng)用力度；三是要加強(qiáng)平臺的管理、維護(hù)和更新工作。確保以高質(zhì)量、高水平的地理信息服務(wù)，向社會(huì)公眾和政府部門提供權(quán)威、統(tǒng)一、優(yōu)質(zhì)的在線地理信息服務(wù)。

(哈爾濱市勘察測繪研究院張忠穎供稿)

Research on Architecture Profile Surveying Based on Close-range Photogrammetry

Xu Ying，He Tao，Wang Tao
(Tianjin Institute of Surveying and Mapping，Tianjin 300381，China)

City planningmanagement has strict request to sunlight analyis of architecture.The traditional production of sunlightanalyismap is based on ground surveying，which has heavy outdoor work and is inefficient.This paper discussess the process of architecture profile surveying using close-range photogrammetry technology.This paper adopts 2D direct linear transformtion to rectify the photo of building and obtain basemap.Thismethod is validated by experimentation. Ordinary digital camera is used during this experimentation.

close-range photogrammetry；architecture profile surveying；2D direct linear transformtion；digital camera

1672-8262(2013)04-127-03

P234.1

B

2012—09—11

徐瑩(1983—)，女，工程師，研究方向?yàn)檫b感影像處理及測繪技術(shù)開發(fā)。