用普通數(shù)碼相機采集建筑物立面信息及立面圖繪制

羅運海，王國輝，陳運貴，陳嘉成

(1.廣東工業(yè)大學土木與交通工程學院，廣東廣州 510006;2.佛山市廣聯(lián)檢測技術有限公司，廣東佛山 528300)

古建筑往往由于時間久遠而建造時的施工圖紙大都完全遺失或是殘缺不全，一旦受到意外破壞(如火災、地震倒塌)，要想重建會遇到很大困難。因此，建筑圖測繪是古建筑保護的一項重要內(nèi)容。為了保護和維修具有文物價值的建筑，需要繪出建筑圖。建筑立面圖是建筑圖重要組成，建筑立面圖描述建筑物外觀形態(tài)信息及各門、窗與墻面布局的位置關系。

測繪建筑物建筑立面圖的傳統(tǒng)方法有常規(guī)測量方法、近景攝影測量方法、激光三維掃描方法等。常規(guī)測量方法比較簡單，但是每一次量測所采集建筑物立面的信息較少，且耗用大量時間。尤其是對特殊形式的古建筑物或歐式建筑，其立面上的復雜腳線、浮雕、裝飾曲線等就很難完整地測繪出來。激光三維掃描方法可以獲取豐富的建筑物立面信息，但是數(shù)據(jù)處理需要專用軟件，也需要耗用大量的內(nèi)業(yè)時間，且設備費用昂貴。近景攝影測量方法可快速獲取建筑物立面的空間信息，但采用傳統(tǒng)的近景攝影測量方法需要專用的相機，且測量條件要求比較苛刻，要求有固定設站構成固定基線，還需要用常規(guī)測量方法進行控制測量，對城市中心樓群密集，場地狹小的情況不易實施［1］。為解決這些問題，本文介紹一種手持普通數(shù)碼相機采集建筑物立面信息，使用數(shù)字化近景攝影測量系統(tǒng)軟件繪制立面圖的方法。該方法既不受場地條件限制，又不需要專用儀器設備，能方便、快捷地采集信息，翔實和精確地測繪出建筑立面。

1 基本理論

用普通數(shù)碼相機采集建筑物立面信息及繪制立面圖，主要采用數(shù)字化近景攝影測量和計算機輔助制圖原理。數(shù)字化近景攝影測量基本原理就是根據(jù)圖1中目標點A及其像點a和攝影中心M共線，按P-H算法［2］可以得到像點a的像空間坐標與其相應目標點A和攝影中心M的物方空間坐標的關系為

式中，x，y為目標點的像坐標;f為相機主距;X，Y，Z為目標點的物方空間坐標;XS，YS，ZS為攝影中心的物方空間坐標，S為比例因子，R為旋轉矩陣，其表達式為

式中，

圖1 像空間坐標與物方空間坐標的關系

數(shù)字化近景攝影測量系統(tǒng)自動將測量得到的建筑物特征點的三維坐標輸入到AutoCAD軟件系統(tǒng)，再根據(jù)繪圖需要選擇投影平面，將相關特征點連接成直線或曲線，輸入比例尺，繪出立面圖。

2 實驗和應用實例

用普通數(shù)碼相機采集建筑物立面信息及立面圖繪制所需的硬件設備是計算機和數(shù)碼相機，軟件系統(tǒng)是數(shù)字化近景攝影測量系統(tǒng)。本次試驗采用的數(shù)碼相機為佳能ixus 230 hs，有效像素為1 210萬，鏡頭標稱焦距為28 mm，28 mm廣角。

2.1 相機焦距和鏡頭畸變的檢測

為了提高近景攝影測量的精度，對相機的焦距進行了檢測，以確定標稱焦距與實際焦距的差別，以便確定其對近景攝影測量的影響程度［3］。首先選擇一平整墻面，測量其上兩標志點間的距離D，并測量攝影中心到墻面的垂直距離L，當量測出相應于該兩標志點的相面距離d后，實際焦距f公式為

若數(shù)碼相機是自動變焦時，可利用數(shù)字化近景攝影測量系統(tǒng)擬合出相機的最佳焦距。

為了減少數(shù)碼相機鏡頭畸變對攝影測量精度的影響，提高像片量測精度，需要對鏡頭畸變進行檢測，計算出鏡頭畸變改正系數(shù)，進而施加鏡頭畸變改正。本次試驗選用的鏡頭畸變改正的數(shù)學模型［4］為

式中，x改，y改為施加鏡頭畸變改正后的像點像坐標;x，y為量測的像點平面坐標;r為像點到像片中心的像徑，即 r2=x2+y2，k1，k2，k3為鏡頭畸變改正系數(shù)。

在相機鏡頭畸變檢測實驗室，根據(jù)已知坐標和已知參數(shù)計算出各點的像空間坐標的理論值，進而按式(3)計算出鏡頭畸變改正系數(shù) k1，k2，k3。將未施加鏡頭畸變改正計算得到的未知點物方空間坐標和施加鏡頭畸變改正后測算坐標，分別與它們的理論坐標進行比較，限于篇幅，僅以部分點的結果列于表1和表2。

表1 未知點未施加鏡頭畸變測算坐標與理論坐標對比

表2 未知點施加鏡頭畸變改正后的測算坐標與理論坐標對比

將測算坐標與已知坐標的差值看做真誤差，未施加鏡頭畸變改正測算得到的物方空間坐標的中誤差分別為σx=2.91 mm，σy=11.16 mm，σz=3.40mm，施加了鏡頭畸變改正后測算得到的物方空間坐標中誤差分別為 σx=1.61 mm，σy=6.95mm，σz=1.18 mm。從表1和表2的結果對比可以看出，經(jīng)過施加改正數(shù)后，x，z軸方向測算坐標中誤差提高了約2 mm。另外，物方空間坐標Y軸方向與建筑物的正立面垂直，其誤差對立面圖影響可以不考慮。

2.2 試驗的流程

量取基準長度和已知邊長→拍照→照片數(shù)據(jù)輸入計算機→量測像點坐標→輸入計算參數(shù)→計算、輸出各點物方空間坐標→繪制立面圖。

2.3 特征點坐標數(shù)據(jù)的存儲與立面圖的繪制

用數(shù)字化近景攝影測量系統(tǒng)計算出建筑物特征點(房角、門和窗戶角點等)的物方空間坐標(dat.cor文件)，輸入AutoCAD，根據(jù)各特征點之間的位置關系直接繪制立面圖。

建筑立面圖的內(nèi)容主要包括圖名、比例及建筑物朝向，建筑物立面的外輪廓線形狀、大小，外墻上建筑構配件(如門窗、陽臺、雨水管)，外墻面的裝飾，立面高程等。因此，應選取能表達建筑立面圖內(nèi)容的關鍵點作為特征點來量取。

2.4 應用實例

以某工商銀行建筑物為例，驗證使用普通數(shù)碼相機采集建筑物立面信息及繪制正立面圖。

在建筑物立面信息采集中，手持數(shù)碼相機從多個角度對工商銀行的正立面進行整體和局部的拍攝，每個拍攝點拍攝若干張像片，本次試驗共拍照12張。整個拍攝過程不設站，不布控制點，要求每兩張像片之間有60%以上的重疊度，某工商銀行拍攝的圖片如圖2所示。

圖2 某工商銀行圖片

使用數(shù)字化近景攝影測量系統(tǒng)測算出建筑物特征點的像坐標如表3所示。

為了檢驗測量精度，在實際應用中用鋼尺量取該工商銀行建筑物的總寬度和門的高度，分別和坐標反算的結果對比，檢驗出其誤差范圍在±1 cm以內(nèi)。

表3 部分特征點的物方空間坐標 m

將建筑物正立面各特征點的相關坐標輸入到AutoCAD軟件中，按1∶100的比例繪制立面圖，其步驟如下:連結同一立面中位于同一直線上的特征點，繪制外墻輪廓線、門窗洞口和地坪線→對不同材質的部件進行圖案填充，初步還原建筑物外貌特征→添加尺寸標注、立面高程和相應文字說明→添加圖框、標題欄，并填寫標題，最終繪制出某工商銀行建筑立面圖，如圖3所示。

圖3 某工商銀行正立面(單位:m)

3 結語

用普通數(shù)碼相機結合數(shù)字化近景攝影測量系統(tǒng)來繪制建筑立面圖得出的長、高尺寸精度能達到±1 cm以內(nèi)，能夠滿足立面圖繪制的精度要求。該方法成本低、便攜，避免了復雜的外業(yè)，不易受溫度變化、振動等外界因素的干擾。特別是對于古建筑的保護，利用普通數(shù)碼相機進行近景攝影測量，具有很好的發(fā)展前景。

［1］馮文灝.非地形攝影測量［M］.北京:測繪出版社，1985.

［2］譚燕，鄒崢嶸.近景攝影測量中不測定初始值的旋轉矩陣構成方法研究［J］.測繪科學，2009(9):28-31.

［3］石栓虎.近景攝影測量精度影響因素分析［J］.交通科技，2009(3):63-64.

［4］馬莉，王國輝，李錦城，等.數(shù)碼相機鏡頭畸變對變形監(jiān)測精度的影響及其改正方法［J］.鐵道建筑，2006(11):106-108.