無人機傾斜攝影技術制作建筑立面圖方法研究

靳望

（天水三和數碼測繪院有限公司，甘肅 天水741000）

近年來，美麗鄉(xiāng)村建設和城市老舊小區(qū)改造發(fā)展迅速，然而由于各種原因，絕大部分老舊小區(qū)當時的設計圖紙都已丟失，對老舊小區(qū)立面進行重新測量迫在眉睫[1-2]。傳統(tǒng)的立面圖制作是依靠全站儀進行采集，這種作業(yè)方式效率低、風險高、成本高，難以解決工期緊的問題。對于三維激光進行立面圖采集，可有效解決效率低的問題，但是三維激光價格昂貴，獲取的點云數據噪點多，需要進行濾波等相關操作，對作業(yè)人員技術水平要求高，也有一定的局限性[3-4]。隨著無人機技術的迅速發(fā)展以及相機分辨率的不斷提高，加上攝影測量軟件算法的不斷優(yōu)化，傾斜攝影建模技術得到了迅速發(fā)展[5-6]。傾斜攝影通過多角度全方位的對地面進行拍攝，可以從多個角度獲取建筑物側面結構紋理信息，這讓利用模型生產立面圖成了可能[7-8]。本文主要介紹了傾斜攝影的原理，并以某城區(qū)道路兩側立面改造為例，通過外業(yè)數據獲取、內業(yè)三維模型生產和立面圖制作，對制作的立面圖成果精度進行統(tǒng)計分析，得出基于無人機傾斜攝影技術制作的建筑立面圖，能夠滿足建筑立面測繪精度的需求。

1 無人機傾斜攝影技術介紹

1.1 無人機傾斜攝影原理

無人機傾斜攝影測量是指在無人機飛行平臺上掛載多個多角度非量測數碼相機，從空中對地面進行拍攝獲取地面影像數據[9]。目前主流的搭配為五鏡頭，即前視、后視、左視、右視和下視，四個側視鏡頭主要獲取建構筑物側面紋理信息，這位立面測量提供了保障。下視鏡頭獲取建筑物的頂部信息，避免航飛過低時建筑物頂部因重疊度不夠而出現空洞[10]。五鏡頭側視鏡頭夾角一般呈45 度，由等邊直角三角形可知，要完整獲得測區(qū)邊緣，則航線至少要外擴一個航高。

1.2 無人機傾斜攝影建模流程

主要包括航攝之前的測區(qū)勘察、空域申請、航線規(guī)劃、控制測量、航攝數據獲取、空中三角測量、三維模型生產，具體詳細流程見圖1。

圖1 無人機傾斜攝影建模流程

測區(qū)勘察，主要是收集測區(qū)范圍內已有的成果資料，比如高精度控制點，已有地形圖，原有建筑物設計圖紙等；空域申請是向有關部門申請空域，在得到批準后才可以作業(yè)，以免違規(guī)作業(yè)帶來意外；航線規(guī)劃是指按照要求在對面站軟件里設置相關參數，如地面分辨率，重疊度等。

2 項目實例

2.1 測區(qū)概況

測區(qū)位于城區(qū)主干道兩側，主要完成道路兩側立面圖的制作，包括墻體面積、窗戶面積等，便于后期對工作量進行精準計算，對改造方案進行更加合理的設計。道路兩側樹木較少，建筑物可見度高，最高建筑物約100 米。

2.2 外業(yè)數據獲取

結合建筑物高度，對測區(qū)進行多架次劃分，并進行變高飛行，確保在安全飛行的前提下能夠獲得更高分辨率的影像。在航飛之前，首先對測區(qū)范圍進行空域申請，在得到批準手續(xù)后，結合測區(qū)范圍線，按照100 米的距離均勻噴涂像控點點位并用GPS-RTK 完成像控點坐標的采集。在地面站上設置航向、旁向重疊度均為85%，地面采樣分辨率為0.015 米，航攝時盡量保證在中午前后2 小時內，確保了航攝成果的質量。

2.3 內業(yè)三維模型生產

對獲取的影像成果和POS 數據進行整理，刪除無效影像，利用勻光勻色軟件，對全部像片進行調色，利用拖把更名器，對所有影像進行重命名。整理原始像控點數據，解算像控點成果。利用Context Capture 軟件自檢校功能，對少量影像進行空三解算，獲得更加精確的相機參數?？罩腥菧y量主要包括自由網平差和帶著控制點的平差，自由網平差理論上是指沒有任何約束的平差，也可以說是帶著POS 數據的平差。初次平差，主要依據POS 數據，解算過程主要包括影像金字塔的創(chuàng)建、特征檢測、特征提取、特征匹配、圖像相似度計算、帶著POS 數據的平差調整。二次平差，是指帶著像控點的平差，平差的結果是將POS 下的虛擬坐標系轉換到像控點坐標系下，使生產的實景三維模型具有準確的坐標。

本次建模使用的是Context Capture 軟件，該軟件空三精度高、可集群作業(yè)、效率高、模型質量好。由于是多架次，后期需要對模型進行接邊，因此需要設置兩處原點坐標。一處是在重建下的空間框架里，這里的原點主要是確定瓦片命名起算位置的；另一處在空間參考系統(tǒng)下，這里的原點是確定模型坐標的，即模型發(fā)布的原點坐標。由于模型里面是小坐標，只有和原點的坐標求和，才可以得到真正的絕對坐標。為了后期模型接邊，這里兩處原點在所有的工程中都必須設置一樣。

2.4 EPS 軟件立面圖制作

本次立面圖制作使用的是北京清華三維的EPS5.0 軟件，該軟件模塊多，功能齊全，可以較好地生產并導出立面圖成果。首先確定要生產立面圖的對象，然后利用軟件的“模型文件切割”功能，將需要制作立面圖的建筑物從原有模型中分離出來，這樣在采集立面的時候無遮擋，可使采集的立面圖精度更高。通過調整透視投影，可以改變查看模型的角度，更有利于立面圖的繪制，如圖2，左側四個圖分別是右側建筑物的四個視角下的立面圖。

圖2 某一建筑四個角度的立面圖成果

3 精度檢測與評定

利用南方數碼公司的全站儀（測量精度為2+2ppm），對立面圖中的線條隨機抽取15 條進行精度檢測，檢測結果見表1。

表1 立面圖精度檢測統(tǒng)計表 cm

對隨機抽取的15 條邊長進行檢測，檢測結果中最大殘差值為4.1cm，最小殘差值為1.6cm，均滿足建筑立面測繪產品的需求。實驗結果表明，利用傾斜攝影技術來生產立面圖，精度有保障，可以提高立面圖生產速度，節(jié)約成本，是很實用的一種作業(yè)方式。

本次精度可以滿足建筑立面測繪需求，分析其原因主要是因為:(1) 樹木幾乎對建筑物未遮擋，生產的模型幾乎無拉花現象，結構完整；(2)采用的變高飛行作業(yè)方式獲取數據，確保采集的影像分辨率夠高；(3)利用軟件自檢校功能，對影像進行相機參數解算，得到精確的相機參數；(4)使用的建模軟件算法完善，空三精度高，生產的模型質量好；(5)像控點夠密，按照100 米的距離布設像控點，使空三精度足夠高。對于建筑物四周遮擋嚴重的區(qū)域，基于傾斜攝影模型生產立面圖的作業(yè)方式是不可取的，可采用手持激光掃描儀，在地面上近距離對建筑物進行掃描，然后利用專業(yè)軟件進行建筑物立面圖的制作。

結束語

本文簡單敘述了無人機傾斜攝影技術原理和實景三維模型的生產流程，并以實際項目為例，對本文提到的作業(yè)方式生產的立面圖成果進行精度檢測，結果表明本文提到的作業(yè)方式生產的立面圖可以滿足建筑立面對測繪產品的精度需求，為同行作業(yè)人員提提供了一種新的生產立面圖的方法，可為從事立面圖生產的人員提供一定的借鑒意義。