攝影測(cè)量在建筑尺寸識(shí)別及模型構(gòu)建中的應(yīng)用★

況中華 李鑫奎 周向陽(yáng)

(上海建工集團(tuán)工程研究總院,上海 201114)

0 引言

現(xiàn)代數(shù)碼技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)科技的飛速發(fā)展激發(fā)了建筑業(yè)的自動(dòng)化和工業(yè)化轉(zhuǎn)型。伴隨著數(shù)碼、計(jì)算機(jī)等自動(dòng)化高效技術(shù)的引入，建筑業(yè)也日益趨向于智能化。與此同時(shí)，應(yīng)用于建筑工程上的測(cè)量手段和方法由傳統(tǒng)的人工測(cè)量逐漸向機(jī)器自動(dòng)化測(cè)量轉(zhuǎn)變，從人工向自動(dòng)化的革新正在進(jìn)行。目前，建筑工程中主流的自動(dòng)化測(cè)量技術(shù)當(dāng)屬攝影測(cè)量，攝影測(cè)量技術(shù)推動(dòng)著建筑工程向數(shù)字城市建設(shè)轉(zhuǎn)變，通過(guò)對(duì)建筑物的三維尺寸識(shí)別，重構(gòu)建筑實(shí)景模型，讓工程建設(shè)人員更便捷、更直觀獲取建筑物的尺寸信息。本文對(duì)攝影測(cè)量技術(shù)在建筑工程中的應(yīng)用展開(kāi)了研究，旨在為其攝影測(cè)量技術(shù)及建筑構(gòu)建尺寸自動(dòng)化識(shí)別技術(shù)的發(fā)展提供可靠的理論依據(jù)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 應(yīng)用背景

攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域較為廣泛，比如地勘、工業(yè)、建筑、考古等行業(yè)。攝影測(cè)量技術(shù)可用于勘察地形尺寸，建立地形數(shù)據(jù)庫(kù)；測(cè)量骨骼、肌肉線形尺寸，構(gòu)建生物體模型；測(cè)量建筑物的幾何尺寸，形成建筑物的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)而構(gòu)建三維實(shí)景模型等等。

隨著建筑業(yè)逐步向智能化和工業(yè)化轉(zhuǎn)變，攝影測(cè)量技術(shù)在建筑業(yè)中得到快速發(fā)展，通過(guò)攝影測(cè)量數(shù)據(jù)構(gòu)建建筑物的三維實(shí)景模型成為智慧建造的一項(xiàng)重要技術(shù)。

2 數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量

2.1 數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量過(guò)程

攝影測(cè)量是通過(guò)對(duì)被測(cè)物體的影像進(jìn)行解析處理，獲取被測(cè)物體的幾何物理信息。其實(shí)現(xiàn)的過(guò)程為先獲取被測(cè)物體的多張像片影像，再利用不同的解析技術(shù)從圖影中獲取被測(cè)物體的幾何與物理信息。按技術(shù)處理手段的不同，攝影測(cè)量可分為模擬攝影測(cè)量、解析攝影測(cè)量、數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量三類。

本文研究的建筑構(gòu)件幾何信息識(shí)別采用的是數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)。數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量是通過(guò)影像匹配針對(duì)多張不同位置(角度)的像片進(jìn)行影像相關(guān)，獲取每?jī)蓮埾衿械耐顸c(diǎn)，進(jìn)而將多張不同位置(角度)的像片進(jìn)行兩兩相關(guān)，拼接成連續(xù)完整的物體像片，從而獲取完整的物體幾何物理信息。

2.2 影像相關(guān)技術(shù)

數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量在進(jìn)行被測(cè)物體的多張像片匹配時(shí)采用的是數(shù)字相關(guān)技術(shù)：通過(guò)將被測(cè)物體的原始像片中的灰度信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再將每張像片的數(shù)字信號(hào)以函數(shù)形式表示，從而被測(cè)物體的每張像片被轉(zhuǎn)換成為多個(gè)函數(shù)。針對(duì)上述的多個(gè)函數(shù)，建立兩兩相關(guān)的相關(guān)函數(shù)，通過(guò)相關(guān)函數(shù)的數(shù)值大小來(lái)評(píng)價(jià)對(duì)應(yīng)兩張像片的影像相似性，并確定兩張像片的影像同名點(diǎn)。

兩張像片的影像同名點(diǎn)的確定是先在一張像片中取出以某個(gè)待定點(diǎn)為中心的小區(qū)域中的影像信號(hào)(數(shù)字化信號(hào))；同樣，在另一張像片的對(duì)應(yīng)區(qū)域取出影像信號(hào)，計(jì)算上述兩張像片中相同區(qū)域影像信號(hào)的相關(guān)函數(shù)，獲取相關(guān)函數(shù)的峰值，把相關(guān)函數(shù)峰值對(duì)應(yīng)的區(qū)域中心作為上述兩張像片的影像同名點(diǎn)。即把兩張像片的影像信號(hào)分布最相似的區(qū)域作為同名區(qū)域，同名區(qū)域的中心點(diǎn)即為同名點(diǎn)。

獲取了兩張像片的影像同名點(diǎn)，就可以將兩張像片在同名點(diǎn)位置進(jìn)行重疊匹配，以此類推，將被測(cè)物體的多張像片進(jìn)行兩兩重疊匹配，使得多張零散的像片連續(xù)的排列，形成一個(gè)完整的物體像片，最終便可得到完整的物體幾何物理信息。

2.3 數(shù)字相關(guān)算法

數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量中采用的數(shù)字相關(guān)的主要任務(wù)是計(jì)算像片的影像數(shù)字信號(hào)的相關(guān)函數(shù)，并根據(jù)一定的準(zhǔn)則(可以自定義準(zhǔn)則)，來(lái)比較兩張像片的影像相似度。以事先自定義的相似度限值為標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)影像相似度(相關(guān)函數(shù)數(shù)值大小)大于標(biāo)準(zhǔn)即可認(rèn)定上述兩張像片為同名影像塊(相似度較大的影像組合)，進(jìn)而再確定上述兩張像片的同名點(diǎn)；當(dāng)影像相似度小于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，則認(rèn)定上述兩張像片為非同名影像塊，然后替換上述兩張像片中的一張?jiān)龠M(jìn)行相關(guān)對(duì)比。

數(shù)字相關(guān)的方法分為二維相關(guān)和一維相關(guān)，本文采用二維相關(guān)進(jìn)行多張像片的影像相關(guān)。數(shù)字相關(guān)的計(jì)算方法如下：

麗水市本級(jí)儲(chǔ)備土地和房屋遍及城區(qū)5個(gè)街道40多平方公里區(qū)域270多個(gè)地塊，點(diǎn)多面廣、政策處理不徹底、地表情況復(fù)雜，再加上原先市儲(chǔ)備中心人手不足，儲(chǔ)備地塊和房屋無(wú)法得到有效、規(guī)范的管理，閑置土地出租價(jià)格參差不齊，地塊巡查不到位，出現(xiàn)部分儲(chǔ)備地塊被侵占、亂倒渣土和垃圾等現(xiàn)象，部分儲(chǔ)備土地、房屋（店面）長(zhǎng)期閑置，沒(méi)有發(fā)揮應(yīng)有的價(jià)值。

1)以兩張像片作為計(jì)算對(duì)象，選定一張像片作為目標(biāo)像片，下文稱為左影像，另一張像片作為搜索像片，下文稱為右影像。在左影像上先選定一個(gè)像素點(diǎn)作為待定點(diǎn)，稱為目標(biāo)點(diǎn)，以該待定點(diǎn)為中心選取m×n(可取m=n)個(gè)像素點(diǎn)的灰度陣列作為目標(biāo)區(qū)。

2)在右影像中選取一個(gè)比左影像的目標(biāo)區(qū)更大的區(qū)域作為搜索區(qū)，搜索區(qū)的灰度陣列為k×h(k>m，h>n)個(gè)像素。

3)在搜索區(qū)中按一定順序，逐步取出與目標(biāo)區(qū)相同大小的區(qū)域作為搜索窗口，搜索窗口的灰度陣列為m×n個(gè)像素灰度陣列，并計(jì)算相關(guān)區(qū)與目標(biāo)區(qū)的相關(guān)函數(shù)，以相關(guān)函數(shù)的數(shù)值大小作為評(píng)判兩者相似性的相似性測(cè)度：

其中，i0，j0均為搜索區(qū)中心像素，如圖1所示。當(dāng)ρ取最大值時(shí)，該搜索窗口的中心像素被認(rèn)為是同名點(diǎn)。

3 實(shí)景應(yīng)用

3.1 案例概況

選取一建筑的L型圈梁進(jìn)行實(shí)地應(yīng)用。在圈梁頂部的長(zhǎng)邊上布置了兩個(gè)反光片，反光片中心間距1 m，作為基準(zhǔn)標(biāo)距用于尺寸解析。

圈梁及標(biāo)距反光片位置如圖2所示，其中虛線圈標(biāo)記處為反光片位置；選取了圈梁構(gòu)件5處尺寸進(jìn)行測(cè)量分析，如圖2實(shí)線標(biāo)記的A～E。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)攝影

沿L型圈梁外圈至內(nèi)圈連續(xù)拍照40次，拍照順序從外圈短邊起點(diǎn)延伸至外圈長(zhǎng)邊終點(diǎn)。拍照順序如圖3所示。

3.3 影像匹配

將現(xiàn)場(chǎng)拍攝的40張像片按順序編號(hào)排列，并且每?jī)蓮埾噜徬衿ＷC照片前、后端有10%的圖像重疊，這樣可將現(xiàn)場(chǎng)拍攝的40張像片進(jìn)行連續(xù)匹配。

通過(guò)將上述每張像片中的影像灰度按灰度等級(jí)進(jìn)行數(shù)字化表示，并轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，使得每張像片轉(zhuǎn)化成為數(shù)字化函數(shù)。同時(shí)，標(biāo)記出L型圈梁的起點(diǎn)、拐點(diǎn)及終點(diǎn)，以便在后處理時(shí)解析出圈梁實(shí)際形狀輪廓。標(biāo)記出現(xiàn)場(chǎng)布置的反光片，以反光片間距1 m作為構(gòu)件尺寸識(shí)別后處理的基準(zhǔn)。

3.4 模型構(gòu)建

將聯(lián)系匹配的像片導(dǎo)入圖片解析后處理軟件中，通過(guò)連續(xù)照片的拍攝角度及光照陰暗程度解析出每張照片的相對(duì)位置，從而獲取出攝影鏡頭路徑，如圖4所示。

從修正模型中量取A～E各邊的尺寸，與實(shí)際尺寸進(jìn)行對(duì)比，判斷攝影測(cè)量的準(zhǔn)確性。從表1可得，攝影測(cè)量的誤差基本在1 cm左右，可滿足工程測(cè)量的需求。

表1 構(gòu)件模型誤差表 mm

4 結(jié)語(yǔ)

攝影測(cè)量不僅測(cè)量精度能滿足建筑工程要求；同時(shí)像片的采集不受設(shè)備限制，可以是任意具備攝影功能的設(shè)備，測(cè)量操作過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單、快捷，為建筑工程提供了一種新型的測(cè)量方法。

與此同時(shí)，攝影測(cè)量可通過(guò)攝影像片快速獲取構(gòu)件的幾何物理信息，自動(dòng)進(jìn)行建筑物的三維實(shí)景模型重建，提高了建筑業(yè)的信息化和自動(dòng)化。