消費(fèi)型傾斜無人機(jī)技術(shù)在舊城區(qū)改造的應(yīng)用

劉 靜 何永鐘

(廣東聯(lián)合金地不動(dòng)產(chǎn)評(píng)估勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司, 廣東 韶關(guān) 512026)

0 引言

隨著城市快速發(fā)展,老城區(qū)內(nèi)的舊建筑物急需改造翻新,依據(jù)城市發(fā)展理念改造翻新的建筑物需同時(shí)考慮建筑物外形設(shè)計(jì)的合理性以及與周邊建筑物的協(xié)調(diào)性。利用構(gòu)建的實(shí)景三維數(shù)字模型,在建筑物方案設(shè)計(jì)時(shí)能夠幫助設(shè)計(jì)師全面考慮整個(gè)區(qū)域的整體建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、設(shè)計(jì)與之協(xié)調(diào)的建筑物[1]。通過近年發(fā)展成熟的消費(fèi)型傾斜無人機(jī)技術(shù),快速獲取多視序列影像數(shù)據(jù),結(jié)合數(shù)據(jù)處理平臺(tái)能夠準(zhǔn)確地構(gòu)建實(shí)景三維模型,真實(shí)展現(xiàn)建筑物整體外觀結(jié)構(gòu)、相對(duì)位置關(guān)系,提高三維模型構(gòu)建效率、縮短項(xiàng)目周期、節(jié)約人力成本[2]。

舊城區(qū)的平房密度較大、使用年限久、交通不便利,而且存在違建和“釘子戶”情況,這給舊城區(qū)建設(shè)情況的調(diào)查、城鎮(zhèn)實(shí)景三維模型構(gòu)建帶來了挑戰(zhàn)[3]。常規(guī)城市調(diào)繪以實(shí)地外業(yè)勘察為主,手段相對(duì)比較單一,外業(yè)勞動(dòng)量大、成本高且易出錯(cuò)。勘察采用的測(cè)量成果數(shù)據(jù)現(xiàn)實(shí)性較差,通常為衛(wèi)星影像或航拍數(shù)據(jù)分辨率不高,容易受天氣影響[4]。航空航天遙感數(shù)據(jù)，難以采集建筑物的側(cè)面紋理信息,成果難以用于外業(yè)調(diào)查使用。消費(fèi)型傾斜無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)作為新興的測(cè)圖方法,在不動(dòng)產(chǎn)登記工程[5]、交通勘察規(guī)劃[6]、城鎮(zhèn)建設(shè)規(guī)劃[7]等方面得到廣泛的應(yīng)用。

本文首先詳細(xì)介紹消費(fèi)型傾斜無人機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)與傾斜攝影測(cè)量涉及的關(guān)鍵技術(shù),然后探討消費(fèi)型無人機(jī)在舊城改造三維重建工程上的應(yīng)用,最后對(duì)構(gòu)建的三維模型進(jìn)行精度驗(yàn)證。

1 傾斜無人機(jī)助力舊城改造技術(shù)路線

1.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)由高精度位置與姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)(Position and Orientation System, POS)、時(shí)間同步裝置與多鏡頭設(shè)備組成。通過對(duì)測(cè)區(qū)范圍內(nèi)的舊城地物、地貌進(jìn)行拍攝獲取多視序列影像,利用成熟的傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)構(gòu)建實(shí)景三維模型,提取所感興趣的信息并實(shí)時(shí)分析。無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)具有機(jī)動(dòng)性高、成本低、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),通過獲取的多視序列高分辨率傾斜航測(cè)數(shù)據(jù),能夠快速生成數(shù)字表面模型、數(shù)字地面模型以及實(shí)景三維模型等。

1.2 傾斜攝影測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)

利用傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)獲取多視影像數(shù)據(jù),包括垂直數(shù)據(jù)、多方向的傾斜數(shù)據(jù)。傾斜攝影測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)主要為多視影像區(qū)域網(wǎng)平差、多視密集匹配、實(shí)景模型處理技術(shù)。

1.2.1多視影像區(qū)域網(wǎng)平差

傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)能夠同時(shí)獲取多個(gè)方向影像數(shù)據(jù),每個(gè)鏡頭存在較大的視角差別以及舊城區(qū)地理環(huán)境復(fù)雜,導(dǎo)致獲取的影像數(shù)據(jù)間存在較大的幾何變形和陰影現(xiàn)象,僅利用專業(yè)的攝影測(cè)量軟件難以有效地進(jìn)行多視角影像處理,需要人機(jī)交互處理多視影像數(shù)據(jù)。通過POS系統(tǒng)可以獲取多視影像數(shù)據(jù)初始定位、定姿數(shù)據(jù),采用由粗到細(xì)的匹配策略對(duì)多視影像進(jìn)行匹配,獲取多視影像的多度重疊同名點(diǎn),利用多種約束策略剔除誤匹配點(diǎn),確保匹配同名點(diǎn)的定位精度。采用全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)輔助光束法平差方法建立多鏡頭影像數(shù)據(jù)區(qū)域網(wǎng)的誤差方程,利用最小二乘算法解算加密點(diǎn)物方坐標(biāo)以及每張影像精確的定位、定姿參數(shù)[8]。針對(duì)傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)獲取多視傾斜數(shù)據(jù)特點(diǎn),采用曝光延遲補(bǔ)償?shù)墓馐▍^(qū)域網(wǎng)平差方法彌補(bǔ)相機(jī)曝光時(shí)刻無人機(jī)飛行速度難以保障勻速的問題[9]。當(dāng)前采用自動(dòng)化的傾斜影像空三解算方案,在平差處理過程中通過解算定位、定姿參數(shù)時(shí)計(jì)算像點(diǎn)誤差,通過人機(jī)交互的方式剔除誤差較大的點(diǎn),迭代計(jì)算影像的定位、定姿參數(shù)。

1.2.2多視密集匹配

經(jīng)過空三處理獲取多視影像精確的定位、定姿數(shù)據(jù),利用多視影像密集匹配方法構(gòu)建實(shí)景三維模型。多視影像密集匹配處理恢復(fù)復(fù)雜場(chǎng)景表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù),能夠真實(shí)表達(dá)場(chǎng)景下的完整信息與局部細(xì)節(jié)信息。雖然激光掃描獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)與多視影像密集匹配獲取點(diǎn)云功能相似,但目前激光掃描設(shè)備存在價(jià)格昂貴、缺乏紋理信息且獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)量較大等問題[10]。常用的多視影像密集匹配方法主要包括半全局匹配、基于面片的密集匹配[11]。半全局密集匹配方法進(jìn)行密集匹配時(shí)采用矩形窗口的低代價(jià)影像聚合,最大優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算數(shù)據(jù)量小、適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)冗余量,算法復(fù)雜度相對(duì)較低;但極易陷入局部最優(yōu)的計(jì)算情況導(dǎo)致陰影、水系以及植被等弱紋理區(qū)域匹配完整度較差情況。另一種基于面片的匹配方法主要是對(duì)多視影像數(shù)據(jù)中影像像素信息進(jìn)行實(shí)時(shí)綜合分析匹配,該方法能有效地避免弱紋理區(qū)域匹配失敗問題,匹配結(jié)果較好、精度高,但匹配效率較低、工作量大。目前在傾斜無人機(jī)多視影像三維重建中應(yīng)用最為廣泛的為三維多視角立體視覺算法,在算法中通過引入并行計(jì)算優(yōu)化計(jì)算效率,依據(jù)場(chǎng)景選擇參數(shù)值和重建測(cè)量,加入空間約束與自適應(yīng)擴(kuò)展方式,提升算法的運(yùn)算效率與應(yīng)用場(chǎng)景[12]。

用無人機(jī)搭載的高精度相機(jī),對(duì)建筑物從垂直、前視、后視、左視、右視五個(gè)角度進(jìn)行拍攝。攝像同時(shí)記錄巡航高度、曝光時(shí)間、經(jīng)緯度坐標(biāo)、大地高、飛行姿態(tài)等信息,為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理提供信息。利用Context Capture軟件對(duì)多視傾斜影像數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)化構(gòu)建舊城區(qū)實(shí)景三維模型的主要技術(shù)流程見圖1。

圖1 實(shí)景三維模型構(gòu)建技術(shù)流程圖

1.3 實(shí)景模型處理

針對(duì)舊城改造翻新過程中需要重新設(shè)計(jì)建筑物或改造部分建筑物的側(cè)面問題,將實(shí)景三維模型中部分建筑物刪除并將設(shè)計(jì)好的建筑物替換上,評(píng)價(jià)整體區(qū)域的協(xié)調(diào)性。常用的剔除替換主要有切割法、矢量法,切割法采用待切割物體對(duì)應(yīng)的矢量面信息,切割傾斜多視序列影像數(shù)據(jù)構(gòu)建的三維模型,通過對(duì)序列三角片網(wǎng)的切割實(shí)現(xiàn)建筑物模型的單體化生成。矢量法將相同場(chǎng)景的實(shí)景三維模型與二維矢量數(shù)據(jù)疊加,渲染三維模型表面的對(duì)象,通過對(duì)矢量面透明度與顏色的設(shè)置,實(shí)現(xiàn)單體模型的突出顯示選中。由于矢量法單體化方法僅能選中突出渲染的對(duì)象,難以滿足單體物體的分離,因此,采用切割方法對(duì)生成的實(shí)景三維模型進(jìn)行單體化切割處理。利用成熟的CityMaker 軟件,將單體模型從實(shí)景三維模型切割出來,對(duì)需要替換的單體化建筑物進(jìn)行剔除處理。依據(jù)待切割實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)量測(cè)出建筑物的角點(diǎn)坐標(biāo),依次串聯(lián)生成對(duì)應(yīng)的矢量數(shù)據(jù)信息,完成特定建筑物單體化模型的刪除。該方法對(duì)實(shí)景三維模型進(jìn)行垂直方向的切割處理,為保證切割出的單體模型的完整性在切割建筑物時(shí)需要確保包括屋檐、陽臺(tái)等建筑物突出部分信息。依據(jù)上述矢量信息,將新建的建筑物設(shè)計(jì)三維模型植入到整體實(shí)景三維模型內(nèi),完成單體建筑物模型的替換更新。

2 傾斜攝影技術(shù)在舊城改造工程應(yīng)用分析

在舊城改造設(shè)計(jì)階段，需獲取整個(gè)舊城區(qū)整體建筑物結(jié)構(gòu)、風(fēng)格等方面信息。采用谷歌影像無法獲取舊城區(qū)建筑物的高度,若采用純野外的測(cè)量或拍攝的方式獲取建筑物的高度,作業(yè)效率低,難以滿足精度與質(zhì)量的保證。故采用消費(fèi)型傾斜無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)獲取多視序列無人機(jī)影像構(gòu)建實(shí)景三維模型,通過在實(shí)景三維模型上量測(cè)建筑物的高度測(cè)量、尺寸以及更新面積的預(yù)測(cè)等相關(guān)工作,避免外業(yè)測(cè)量工作的增加;通過將新設(shè)計(jì)的模型引入到實(shí)景三維模型中,實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與現(xiàn)實(shí)的整體對(duì)比。

2.1 多視傾斜影像數(shù)據(jù)采集

采用大疆公司的Phantom 4 Pro四旋翼無人機(jī)平臺(tái)搭載標(biāo)配相機(jī),通過多次不同航高的飛行獲取多視影像數(shù)據(jù),生成分辨為0.05 m的多視影像數(shù)據(jù),消費(fèi)型傾斜無人機(jī)系統(tǒng)的具體參數(shù)如表1所示。

表1 無人機(jī)相機(jī)參數(shù)

依據(jù)舊城區(qū)不同建筑物的高度,將整個(gè)測(cè)區(qū)的相對(duì)航高控制在100～200 m之間。對(duì)建筑物高差較大的區(qū)域采用1～2層的航高飛行，體育場(chǎng)特殊區(qū)域設(shè)置為3層航高，采集多視序列影像數(shù)據(jù)。為了保證生成實(shí)景三維模型的精細(xì)化程度,從建筑物左、右、前、后、下等五個(gè)方向分別獲取多視序列影像。為保證生成實(shí)景三維模型精度,旁向重疊度與航向重疊率分別控制在70%、80%左右。為了保證整個(gè)測(cè)區(qū)內(nèi)飛行高度穩(wěn)定不變,將整個(gè)大的測(cè)區(qū)劃分為五個(gè)子區(qū)域(圖2),各子區(qū)域參數(shù)如表2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)區(qū)域舊城區(qū)全景圖

表2 航線設(shè)計(jì)

2.2 實(shí)景三維構(gòu)建數(shù)據(jù)處理

多視傾斜影像數(shù)據(jù)處理采用Context Capture 軟件,利用多視影像的POS數(shù)據(jù)將多視影像數(shù)據(jù)進(jìn)行水平糾正處理,消除不同視角間影像的幾何變形,然后利用尺度不變特征變換算法提取多視影像數(shù)據(jù)的初始同名點(diǎn)坐標(biāo),為了保證同名點(diǎn)正確率,采用隨機(jī)抽樣一致算法剔除同名點(diǎn)中存在的明顯錯(cuò)誤點(diǎn)。利用剩余的同名點(diǎn)對(duì)進(jìn)行同名點(diǎn)引導(dǎo)的約束匹配,提高同名點(diǎn)的數(shù)量與正確性,最后采用最小二乘匹配算法提高同名點(diǎn)的定位精度。為了避免無人機(jī)在相機(jī)曝光時(shí)刻飛行速度不均勻問題,引入曝光延遲的GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差方法,通過將各曝光瞬間位置偏移參數(shù)與曝光延遲時(shí)間作為未知參數(shù)統(tǒng)一解答,對(duì)各個(gè)曝光點(diǎn)的曝光延遲誤差進(jìn)行逐點(diǎn)曝光補(bǔ)償,減弱因相機(jī)曝光不一致引入的曝光延遲誤差,提高GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差的整體精度。

舊城區(qū)的實(shí)景三維建模生產(chǎn)過程使用天工軟件空三處理的成果作為主要的輸入數(shù)據(jù)。由于舊城區(qū)內(nèi)建筑物密集、整體區(qū)域較大,三維模型構(gòu)建的計(jì)算量相對(duì)比較大,采用以格網(wǎng)為基本處理單元,進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)與紋理影像的自動(dòng)映射處理，生成舊城區(qū)的實(shí)景三維模型。由于篇幅限制本文以該范圍內(nèi)一棟6層高酒店為例,生成稀疏點(diǎn)云、不規(guī)則三角網(wǎng)、建筑物白模以及實(shí)景三維模型如圖3所示。通過對(duì)酒店及其周邊區(qū)域的全景和細(xì)節(jié)進(jìn)行檢查,區(qū)域內(nèi)不存在較大結(jié)構(gòu)缺失和變形現(xiàn)象,生成的建筑物整體結(jié)構(gòu)模型效果較好。

圖3 實(shí)景三維模型

2.3 模型精度分析

通過外業(yè)均勻采集10個(gè)控制點(diǎn)坐標(biāo)與在實(shí)景三維模型上量測(cè)的模型點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析,確定本文方法構(gòu)建實(shí)景三維模型的精度。通過比較實(shí)際測(cè)量值和模型上量測(cè)的值計(jì)算獲取平面與高程方向的中誤差。由表3可知，獲取實(shí)景三維的平面中誤差和高程中誤差,最終評(píng)定整個(gè)測(cè)區(qū)的實(shí)景三維模型的整體精度。其中，Δx、Δy、Δz分別表示實(shí)際測(cè)量值和模型上量測(cè)的值計(jì)算差。計(jì)算可知:平面x方向最大誤差0.036 m,最小誤差為0.012 m,平面y方向最大誤差0.031 m,最小誤差為0.014 m,高程方向最大誤差0.028 m,最小誤差為0.011 m,平面中誤差為0.027 7 m,高程中誤差為0.022 2 m。依據(jù)《三維數(shù)字地圖技術(shù)規(guī)范》(DB33T 934-2014)中1∶500大比例成圖規(guī)范要求(平面精度優(yōu)于0.3 m,高程精度優(yōu)于0.24 m)可知，傾斜多視影像數(shù)據(jù)構(gòu)建實(shí)景三維模型的精度滿足1∶500大比例尺平面與高程測(cè)量精度要求。

表3 檢查點(diǎn)誤差統(tǒng)計(jì)表 單位:m

3 結(jié)束語

采用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)獲取多視影像數(shù)據(jù),對(duì)舊城區(qū)進(jìn)行立體測(cè)繪,通過傾斜攝影測(cè)量技術(shù)創(chuàng)建實(shí)景三維模型,利用該模型實(shí)現(xiàn)標(biāo)高量測(cè),建筑尺寸、高度量測(cè),拆遷面積預(yù)測(cè)算等工作;并通過植入改造后的模型實(shí)現(xiàn)現(xiàn)狀與設(shè)計(jì)對(duì)比,為后續(xù)工作提供設(shè)計(jì)依據(jù)。通過構(gòu)建的實(shí)景三維模型與外業(yè)采集的控制點(diǎn)進(jìn)行精度對(duì)比,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，生成三維模型精度完全能夠滿足規(guī)范要求,對(duì)傾斜無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)在舊城區(qū)改造工程方向的廣泛應(yīng)用提供一種思路。