基于多基線近景攝影測量方法的城市建筑物立面圖構建

崔 穎 黃 鶴 李 毅 李若鵬

(1. 北京建筑大學 測繪與城市空間信息學院, 北京 102616; 2. 北京市測繪設計研究院, 北京 100038)

0 引言

隨著我國城市化建設的加快,以及中心城區(qū)可供建設用地的逐漸萎縮,城市建設的重點逐步從開發(fā)建設轉化為建筑物的維護和精細化管理上。這些中心城區(qū)既有建筑物,通常通過立面的重新設計和裝飾,提高其現代功能及藝術效果,有助于推動城市化建設的可持續(xù)發(fā)展[1]。建筑物立面圖是城市設計管理部門開展宜居城市建設,尤其是建筑物立面維護和更新工作的關鍵數據資料。而矗立在城市中心的各類既有建筑物,經過常年的風雨侵蝕以及人為改造,建筑物外部整體環(huán)境以及建筑物外立面已經發(fā)生了顯著的變化。因此在沒有原始設計數據的情況下,快速獲取建筑物完整而詳細的立面數據能有效提高對其規(guī)劃設計及翻新改造,是各種建筑物立面維護和改造的關鍵。

建筑物立面測量中,可采用的方法有全站儀測量、無人機傾斜攝影[2-3]、三維激光掃描三種,在本文實驗中,考慮到在獲取建筑物立面數據中各種測量方法的特性如表1所示,攝影測量方法比傳統特征點2D繪圖工期更短且面式3D攝影測量建模能獲得更多色彩紋理信息,比三維激光掃描建模程序經濟,且建模所需時間與繪制對象線劃圖所需時間大致相同,易于實現。因此,考慮到攝影測量方法所具有的優(yōu)勢以及傾斜攝影測量在本實驗中的局限性,我們選擇基于近景攝影測量原理的方法。

但是,由于被攝對象遠/近的制約,傳統近景攝影測量的測量精度通常會隨著攝影基線、交會角布設方案的變化而變化,且本文采用的普通非量測相機內方位元素未知,相片構像畸變較大,應用近景攝影測量進行匹配計算時,難以解決影像匹配、交會角θ和點位解算精度三者之間存在的矛盾,即θ越小、影像匹配精度越高速度越快,但點位交會精度尤其是深度方向越低的問題[4],導致解算結果往往達不到理想的精度,需要依靠布設較多的物方控制點來彌補,這樣就會使測量工序變得煩瑣耗時。因此本文采用基于張祖勛科研團隊提出的“多基線數字近景攝影測量”的方法進行建筑物立面正射影像的提取。

表1 多種測量方法的對比

1 多基線數字近景攝影測量

傳統近景攝影測量中影像匹配精度容易受到交會角的制約,特別是進行地面攝影測量時,前景與后景變化大、交會角大、影像變形大、匹配難。而多基線數字近景攝影測量技術為解決影像自動匹配、交會角和點位解算精度之間的矛盾提供了一種新的途徑[5]。其中多基線即“多目立體”,是指采用計算機視覺代替人眼單目立體判讀從而利用多個計算機視覺短基線使得近景攝影測量得以覆蓋重疊大范圍區(qū)域,進一步提高測量效率。使用多基線數字近景攝影測量方法進行測量時,其解算需經歷影像特征匹配[7-8]、自動空中三角測量和區(qū)域網平差三個步驟,最終實現測量建模的目的。因此這種數字近景攝影測量方法如圖1所示為實現自動定位測量程序、自動生成3D矢量數據、數字正射圖像和數字表面模型提供了一種新的可能性[6],使得實驗在獲取相片以后,能夠簡便高效的實現內業(yè)數據處理,獲得相對傳統方法更為精細的測繪成果。

2 數據采集與處理

2.1 實驗流程

實驗流程如圖2所示,即采用Agisoft photoscan軟件對非量測相機佳能EOS 1 300D拍攝的152張5 184像素×3 456像素大小的相片進行處理,先進行對齊相片即同名點匹配計算以生成相應的密集點云并建立網格,再對網格模型貼附紋理信息生成正射影像,最后導出tif格式的正射影像圖到CAD軟件中,手工描繪線劃圖并測量其中部分線段長度,與精確設計圖進行比對從而核檢其精度。

2.2 數據采集方式

本文以某建筑物的西側立面為實驗區(qū),使用平行多基線傾斜攝影方式拍攝,其中每條平行帶到建筑物的距離采用“高遠低近”原則,本文實驗首先設立由下到上的第一條拍攝平行帶距立面約10 m, 實際拍攝焦距為48 mm, 然后隨著立面層數的增加結合其周圍環(huán)境條件因素依次增加后續(xù)各拍攝平行帶距立面距離約1～3 m,且在拍攝每條平行帶內相片時,需保證左右相鄰相片之間重疊率達80%以上;在拍攝不同距離的多條拍攝平行帶時,需保證上下相鄰相片之間重疊度達60%以上,拍攝方式如圖3所示。

2.3 數據處理

本實驗以Agisoft photoscan軟件為數據處理平臺,在獲取建筑物立面相片以后進行以下三步操作處理相片。

(1)導入所有相片,對相片執(zhí)行“對齊相片”操作,即先利用影像匹配算法獲得立體相對的同名特征點,根據相對定向原理恢復立體相對相片間的相對位置和姿態(tài),再利用模型連接算法連接各個立體像對模型形成自由網、獲得自由網中各相片的位置和狀態(tài)以及同名特征點的三維坐標,從而計算出拍攝相片時的相機所處位置[10],如圖4所示。

(2)生成密集點云構建網格、貼紋理。即由各相片間相對位置關系確定外方位元素,再以共面方程為約束條件,使用特征匹配算法進行匹配,通過多片前方交會獲取物體的精細三維點云如圖5所示,再根據點云生成網格。

(3)根據點云網格生成正射影像,完成后在Agisoft photoscan軟件中導出tif格式正射影像圖,再導入CAD軟件中,根據正射影像圖手動描繪該建筑物立面數字線劃圖如圖6所示,最終與精確設計圖比對檢驗精度。

3 精度驗證及分析

通常建筑物在街道立面圖上的表達是其長、高或寬、高在平面上的投影,基本特征是“高相等、長對齊”。本實驗選取數字線劃圖(Digital Line Graphic, DLG)中所有窗高(左)、寬(下)的線段長度來做精度驗證,但因實驗未布置物方控制點,因此在做精度驗證前需要將實測DLG圖按比例縮放到與精確圖一個量級上,即:

4 結束語

本次實驗采用多基線-數字近景攝影測量方法,以多基線前方交會的方式代替?zhèn)鹘y近景攝影測量中的單基線前方交會,使用Agisoft photoscan軟件成功提取建筑物立面正射影像并依據正射影像繪制DLG圖,最終通過精度驗證,測量中誤差均優(yōu)于0.041 m。實驗證明該方法不僅有效減弱了非量測相機拍攝相片畸變較大對內業(yè)成圖的影響,還避免了傳統攝影測量中物方控制點的布設,實現了建筑物立面圖獲取作業(yè)模式的進一步簡化與改進,為構建城市建筑物立面圖提供了一種非常有效的解決方案。