低空無人機(jī)傾斜攝影在歷史建筑測繪中的應(yīng)用研究

吳正偉

泰州市地理信息測繪院 江蘇 泰州 225300

近幾年，低空無人機(jī)傾斜航攝技術(shù)發(fā)展迅猛，成為測繪與地理信息領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題，傾斜三維模型的應(yīng)用越來越廣泛，在實(shí)景三維中國建設(shè)、河道生態(tài)巡查、消防應(yīng)急救援、電力設(shè)施巡檢、國情普查等方面發(fā)揮著不可替代的作用?；诘涂諢o人機(jī)傾斜航攝系統(tǒng)生成的成果多樣且可多用，能同時構(gòu)建傾斜三維模型，創(chuàng)建數(shù)字高程模型（DEM），繪制高精度地形圖，獲取建筑物的立面信息等，過程簡單易行、高效低危、靈活機(jī)動[1]，在完成復(fù)雜測繪任務(wù)方面優(yōu)勢明顯。

歷史建筑承載了特定時期內(nèi)一座城市的政治、經(jīng)濟(jì)、文化的發(fā)展?fàn)顩r，凝結(jié)了城市傳統(tǒng)文化的精髓，屬于不可再生資源，影響著城市的核心競爭力[2~4]。泰州市屬于江蘇省首批公布的歷史文化名城，城市建設(shè)歷史近2100年，有著較豐富的歷史遺存，其歷史街區(qū)內(nèi)存有明、清、民國時期的建筑，具有很高的藝術(shù)、歷史和學(xué)術(shù)價值的已經(jīng)被公布為文物保護(hù)單位，對于市區(qū)內(nèi)尚未列為文保單位的歷史建筑，能反映出泰州區(qū)域歷史風(fēng)貌和地方特色，彰顯歷史文化名城完整格局和整體風(fēng)貌，具有研究價值，提高對非文保單位的歷史建筑認(rèn)識的深度和廣度很有必要，完成歷史建筑測繪工作為首要任務(wù)，為歷史建筑的保護(hù)、歷史文脈的延續(xù)和城市品質(zhì)的提升建立數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

傳統(tǒng)的測繪方式主要依靠人工現(xiàn)場架設(shè)全站儀等測繪儀器完成數(shù)據(jù)采集，歷史建筑區(qū)域建筑密度大、間隔較小，不利于傳統(tǒng)測繪活動的開展，并且人工接觸式的測繪方法容易對建筑本身造成不可逆轉(zhuǎn)的損壞，而三維激光掃描技術(shù)和無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)采用非接觸式數(shù)據(jù)獲取方式，在古建筑測繪方面具有獨(dú)特優(yōu)勢[5~6]。三維激光掃描儀的使用需要在測區(qū)多次架站完成，效率較低，低空無人機(jī)傾斜航測利用多鏡頭集成相機(jī)完成空中航拍，后期利用建模軟件自動完成模型的構(gòu)建，能生成稀疏點(diǎn)云、實(shí)體模型、正射影像圖，一次航攝多種成果，借助于三維立體測圖軟件可高效完成建筑的平面圖、立面圖、剖面圖的繪制，傾斜模型本身可作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)保存。飛馬D200S無人機(jī)傾斜航測系統(tǒng)采用多旋翼飛行平臺，搭載五鏡頭相機(jī)，免相控完成航攝，使用方便、數(shù)據(jù)采集效率高、精度滿足要求，成果逼真，為古建筑測繪提供精準(zhǔn)可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[7]。

1 無人機(jī)傾斜攝影測量原理及特點(diǎn)

1.1 無人機(jī)傾斜攝影測量原理

攝影測量本質(zhì)上是從二維影像構(gòu)建三維模型，再在三維模型中提取各種信息的技術(shù)[8]。無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)主要依托無人機(jī)平臺，搭載多鏡頭高分辨率數(shù)碼相機(jī)，在集成控制系統(tǒng)下，采集建筑物的垂直和側(cè)面多視角影像，機(jī)載定位設(shè)備自動保存無人機(jī)飛行姿態(tài)和位置信息，影像和位置數(shù)據(jù)經(jīng)過空三計(jì)算、影像密集匹配、三角網(wǎng)創(chuàng)建和紋理映射等處理生成建筑物的三維實(shí)體模型[9]。傳統(tǒng)的航空攝影測量方法只從垂直方向采集影像，傾斜攝影測量彌補(bǔ)了這種不足，同時獲取建筑物頂面和側(cè)立面的影像信息，構(gòu)建出的建筑物三維實(shí)體模型精度高、紋理清晰、真實(shí)性強(qiáng)。

1.2 低空無人機(jī)傾斜航攝的特點(diǎn)

（1）飛行高度低，航攝影像清晰

低空無人機(jī)傾斜航攝作業(yè)的高度一般在100m至1000m的高度范圍內(nèi)，比傳統(tǒng)的大飛機(jī)更加接近航攝對象，其搭載的相機(jī)載荷獲取的影像分辨率較高，紋理清晰，所攝影像分辨率最好可達(dá)0.02m，可用于建立高精度數(shù)字地面模型（DSM）。

（2）傾斜航攝影像重疊度高

由于航高較低，為保證影像特征匹配和三維自動建模的效果，傾斜航攝重疊度的設(shè)置要按需提高，航向重疊度可設(shè)置為80%，旁向重疊度可設(shè)置為70%。

（3）像幅小，多角度航攝相片數(shù)量多

無人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)搭載的任務(wù)載荷為非量測相機(jī)，像幅一般較小，多角度航攝下，相片很多，對后期數(shù)據(jù)處理效率有所影響。

2 飛馬D200S五鏡頭傾斜航測系統(tǒng)構(gòu)成

飛馬D200S五鏡頭傾斜航測系統(tǒng)主要由無人機(jī)飛行平臺、航攝相機(jī)、飛控系統(tǒng)和后期數(shù)據(jù)處理軟件構(gòu)成。

2.1 飛馬D200S傾斜航測系統(tǒng)飛行平臺

飛馬D200S五鏡頭傾斜航測系統(tǒng)的航飛平臺為旋翼4軸4旋飛馬無人機(jī)，其多路冗余傳感器的設(shè)計(jì)可保障高質(zhì)量航飛作業(yè)，主要參數(shù)如表1。

表1 飛馬D200S航飛平臺主要參數(shù)

飛馬D200S無人機(jī)RTK(Real-time kinematic，實(shí)時動態(tài))系統(tǒng)由地面GNSS(Global Navigation Satellite System)基準(zhǔn)站、GNSS接收機(jī)（機(jī)載）、差分?jǐn)?shù)據(jù)處理系統(tǒng)及數(shù)據(jù)發(fā)射器組成。內(nèi)置高精度差分GNSS板卡，為雙頻導(dǎo)航模塊，參數(shù)如表2。PPK（Post-Processing Kinematic，動態(tài)后處理差分）、RTK融合作業(yè)模式，支持POS輔助空三，能實(shí)現(xiàn)無控制點(diǎn)高精度成圖。懸停狀態(tài)下RTK水平精度為1cm+1ppm，垂直精度為2cm+1ppm，融合差分的作業(yè)模式提高了每張航拍相片的位置精度，保證了航測系統(tǒng)免像控模式的有效性。

表2 飛馬D200S無人機(jī)雙頻導(dǎo)航模塊主要參數(shù)

2.2 傾斜攝影相機(jī)

飛馬D200S無人機(jī)搭載的D-OP400五鏡頭傾斜攝影相機(jī)，是基于Sony a7rⅢ相機(jī)研發(fā)的五拼傾斜攝影載荷模塊，采用五相機(jī)（四方向傾斜+垂直視角）設(shè)計(jì)方案，具備高質(zhì)量的側(cè)面紋理采集及高效率的作業(yè)能力，適用于城區(qū)大面積的三維建模工程。五拼傾斜攝影載荷可以同時獲取5個方向的地面紋理特征，采用中間35mm焦距正攝鏡頭，外置四個50mm焦距傾斜鏡頭，其作業(yè)效率高，相機(jī)主要參數(shù)如表3。

表3 D-OP400五鏡頭傾斜攝影相機(jī)主要參數(shù)

2.3 飛控系統(tǒng)

飛控系統(tǒng)作為無人機(jī)航測系統(tǒng)的大腦部件，操控并監(jiān)測無人機(jī)整個飛行過程，執(zhí)行任務(wù)指令，獲取無人機(jī)航向、速度、位置、高度、飛行姿態(tài)等信息，通過數(shù)據(jù)通信和圖像傳輸實(shí)時顯示，供地面人員觀察與決策。飛馬D200S的飛控系統(tǒng)和POS數(shù)據(jù)解算處理在“無人機(jī)管家專業(yè)版”軟件中一站式完成，飛馬無人機(jī)管家實(shí)操簡單易行，精準(zhǔn)規(guī)劃航線、實(shí)時監(jiān)控航飛、快速解算數(shù)據(jù)，支持飛行數(shù)據(jù)共享、信息發(fā)布、工程同步、自動記錄分析飛行數(shù)據(jù)并展示，生成DEM、TDOM、DSM、真三維模型、標(biāo)準(zhǔn)LIDAR點(diǎn)云等，并具有三維瀏覽功能。

2.4 后期數(shù)據(jù)處理軟件

后期數(shù)據(jù)處理軟件主要是對采集到的原始影像數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、配準(zhǔn)、校正、拼接工作，生成高分辨高精度的影像圖、傾斜三維模型等成果[10~12]。ContextCapture是一種常用的三維建模軟件之一，具備集群分布式運(yùn)算功能，實(shí)現(xiàn)多個計(jì)算節(jié)點(diǎn)同時處理相同的任務(wù)，主要包括Master、Engine、Viewer三個模塊。在Master中創(chuàng)建工程和查看任務(wù)進(jìn)度，Engine是引擎端，開啟后，進(jìn)行空三和重建任務(wù)。Viewer主要用于加載并瀏覽三維模型，并可量測模型的坐標(biāo)、距離、面積體積等幾何要素。

3 傾斜航測項(xiàng)目實(shí)施

3.1 泰州市歷史建筑測繪項(xiàng)目概況

為完善泰州歷史文化名城保護(hù)體系，對尚未列為文保單位的歷史建筑進(jìn)行測繪為一項(xiàng)首要任務(wù)。根據(jù)項(xiàng)目委托方泰州市海陵區(qū)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局的要求，對涵東涵西街、漁行、城中歷史建筑群中共計(jì)31處具有保護(hù)和研究價值的建筑進(jìn)行測繪，漁行歷史建筑區(qū)域南北向長度約400m，東西向長度約410m，涵東涵西街歷史建筑區(qū)域南北向長度約300m，東西向長度約450m，城中歷史建筑區(qū)域南北向長度約330m，東西向長度約430m，三個區(qū)域相距較遠(yuǎn)，需要分開進(jìn)行航測，區(qū)域內(nèi)大多為一層房屋，周邊有少量高層建筑。

3.2 航攝作業(yè)流程

三個歷史建筑區(qū)的共同特點(diǎn)就是建筑之間的間隔較小，傳統(tǒng)的測繪方法難以實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用飛馬D200S五鏡頭傾斜航測系統(tǒng)可快速獲得建筑的影像數(shù)據(jù)和位置信息，航攝作業(yè)流程見圖1。

圖1 無人機(jī)傾斜航測作業(yè)與三維建模流程

3.3 無人機(jī)起降點(diǎn)選定與航線敷設(shè)

實(shí)地勘查時，無人機(jī)起降地點(diǎn)的選定需要滿足飛馬D200S機(jī)型的特性要求，作業(yè)地點(diǎn)必須為半徑大于5m的平地，周邊空曠，人流量小，確保50m范圍內(nèi)不存在高壓線、高壓鐵塔、高樓及信號塔等，最大限度減少環(huán)境磁場干擾，保證無人機(jī)安全起降。

涵東涵西街、漁行、城中歷史建筑區(qū)域之間距離較遠(yuǎn)，分三個攝區(qū)進(jìn)行航攝，在飛馬無人機(jī)管家智航線模塊中按照系統(tǒng)自帶影像地圖劃出三個測區(qū)范圍線，其中涵東涵西街歷史建筑區(qū)域航線規(guī)劃如圖2。根據(jù)測區(qū)的建筑物分布情況，保證傾斜三維模型構(gòu)建精度，航高設(shè)定為180m，地面分辨率為3cm，航向重疊度設(shè)置為80%，旁向重疊度設(shè)置為70%。

圖2 涵東涵西街歷史建筑區(qū)域傾斜航線規(guī)劃圖

3.4 傾斜航攝數(shù)據(jù)整理檢查與三維模型生成

航攝作業(yè)完成后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與檢查，保證相片數(shù)據(jù)與POS數(shù)據(jù)相互對應(yīng)，刪除試拍數(shù)據(jù)，五鏡頭傾斜相機(jī)的數(shù)據(jù)分組存儲至不同的文件夾，包含相片數(shù)據(jù)和對應(yīng)的POS數(shù)據(jù)。在飛馬無人機(jī)管家軟件中對傾斜航攝數(shù)據(jù)進(jìn)行差分?jǐn)?shù)據(jù)融合解算，得到精度更高的POS數(shù)據(jù)，在ContextCapture Master中導(dǎo)入POS數(shù)據(jù)和對應(yīng)的相片，設(shè)置運(yùn)行參數(shù)，上傳空三處理任務(wù)，完成后檢查生成的稀疏點(diǎn)云，點(diǎn)云正常排序即可進(jìn)入模型構(gòu)建階段，若存在錯亂的現(xiàn)象需要重新提交空三任務(wù)或重飛[13]。涵東涵西街歷史建筑局部區(qū)域傾斜三維建模成果如圖3所示。

圖3 涵東涵西街歷史建筑局部區(qū)域傾斜三維建模成果

3.5 傾斜模型單體化

傾斜模型單體化是將指定范圍的建筑物從區(qū)塊模型體中分離出來，用于單獨(dú)存儲和研究，先在正射影像圖中繪制單體建筑的范圍線如圖4，導(dǎo)入DP-Modeler軟件進(jìn)行單體化建模，DP-Modeler是一款傾斜攝影三維建模軟件，為武漢天際航自主研發(fā)，主要功能是精細(xì)化單體建模及Mesh網(wǎng)絡(luò)模型修飾[14~16]。徐家橋東巷11、12號潘宅單體化后模型如圖5。

圖4 涵東涵西古建筑位置示意圖

圖5 單體化傾斜模型

3.6 歷史建筑平面圖、立面圖、剖面圖制作

制作歷史建筑平面圖、立面圖、剖面圖等圖件，記錄建筑物的詳細(xì)數(shù)據(jù)，便于歷史建筑物后期的修繕和保護(hù)[17]。將單體化的建筑物模型導(dǎo)入iData3D南方三維立體數(shù)據(jù)采集軟件進(jìn)行平面圖、立面圖、剖面圖的制作，以徐家橋東巷11、12號潘宅為例，如圖6-9所示。

圖6 屋頂平面圖

圖7 平面圖

圖8 剖面圖

圖9 南立面圖

4 傾斜模型成果質(zhì)量評定與精度檢驗(yàn)

傾斜模型成果的質(zhì)量由多方面決定，主要取決于航攝相片質(zhì)量、相片之間的重疊度以及建模軟件的性能。在三維模型瀏覽器中可觀看模型的紋理、結(jié)構(gòu)、色彩等，從涵東涵西街歷史建筑傾斜模型中可看出，建筑以及地面的紋理清晰、結(jié)構(gòu)基本明朗、色彩飽和勻稱，符合傾斜建模要求。

布設(shè)傾斜模型成果精度檢查點(diǎn)在航攝作業(yè)實(shí)施之前完成，遵循測區(qū)范圍內(nèi)均勻分布的原則，在較為空闊的區(qū)域用鮮艷的油漆噴涂像控標(biāo)識，運(yùn)用GNSS-RTK設(shè)備采集像控標(biāo)識的角點(diǎn)坐標(biāo)與高程值作為實(shí)測數(shù)據(jù)，利用南方iData3D三維立體數(shù)據(jù)采集軟件獲取對應(yīng)點(diǎn)的傾斜模型平面和高程數(shù)據(jù)，涵東涵西街歷史建筑群區(qū)域共選取25個檢查點(diǎn)，數(shù)據(jù)比較結(jié)果如表4所示。

表4 檢查點(diǎn)數(shù)據(jù)對比差值統(tǒng)計(jì)表（單位：m）

通過精度檢驗(yàn)計(jì)算，平面位置中誤差為±0.11m，高程中誤差為±0.16m，精度完全符合歷史建筑測繪的要求，基于傾斜模型可完成歷史建筑測繪要求的平面圖、立面圖、剖面圖等其他成果的制作，成果一測多用，省時省力，節(jié)約成本。

5 結(jié)論

低空無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的應(yīng)用，為歷史建筑測繪提供了新型快速測繪方法，生成的傾斜模型既作為歷史數(shù)據(jù)存檔，又能結(jié)合三維立體數(shù)據(jù)采集軟件制作歷史建筑測繪中所需要的其它成果，實(shí)現(xiàn)傾斜模型多用化，提高測繪效率的同時節(jié)約了生產(chǎn)成本?；陲w馬D200S五鏡頭傾斜航測系統(tǒng)研究在泰州歷史建筑測繪中的應(yīng)用，研究表明該系統(tǒng)免像控的功能提高了航測效率，成果符合測繪相關(guān)規(guī)范和要求，在歷史建筑測繪方面具有其獨(dú)特的優(yōu)勢。低空無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)還可與三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行融合，在測繪、規(guī)劃、安防等領(lǐng)域?qū)a(chǎn)生更加深遠(yuǎn)的影響。