貼近攝影測(cè)量技術(shù)在建筑立面圖測(cè)繪中的應(yīng)用

肖 海

(中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心湖南總隊(duì),湖南 株洲 412000)

0 引言

建筑物立面圖測(cè)繪是建筑設(shè)計(jì)、工程施工和維護(hù)管理等領(lǐng)域中的重要環(huán)節(jié),可以獲取建筑物的幾何尺寸、面積和體積等信息,幫助勘測(cè)人員準(zhǔn)確了解建筑物的外觀、結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié),為建筑設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)提供重要的參考依據(jù)。傳統(tǒng)的全站儀、經(jīng)緯儀立面測(cè)繪方法需要人工登高,不僅危險(xiǎn),而且費(fèi)時(shí)費(fèi)力,三維激光掃描測(cè)量作業(yè)成本高、價(jià)格昂貴[1-3]。無(wú)人機(jī)貼近攝影測(cè)量技術(shù)是利用無(wú)人機(jī)搭載的高清影像采集設(shè)備,以航拍建筑物立面為目標(biāo)并通過(guò)圖像處理和分析得到立面圖數(shù)據(jù)的一種技術(shù)手段,該技術(shù)可以通過(guò)無(wú)人機(jī)飛行航線規(guī)劃和自動(dòng)懸停等功能,基于精確的航跡規(guī)劃和先進(jìn)的圖像處理算法,可以獲得高分辨率的建筑物立面圖像,借助計(jì)算機(jī)視覺(jué)和圖像匹配技術(shù),可以對(duì)圖像進(jìn)行特征點(diǎn)提取、立面線提取等處理,進(jìn)而重建建筑物立面的三維模型。這種基于圖像的無(wú)人機(jī)立面測(cè)繪方法相較于傳統(tǒng)的測(cè)量方法,具有高效、精準(zhǔn)、經(jīng)濟(jì)、無(wú)需人工登高等諸多優(yōu)勢(shì),大大減少了人力成本和時(shí)間成本,具有巨大的潛力和優(yōu)勢(shì),在建筑行業(yè)中扮演更加重要的角色,為建筑物測(cè)繪和建設(shè)提供更精確、高效的解決方案[4]。

1 相關(guān)理論基礎(chǔ)

1.1 建筑物立面圖測(cè)繪

與建筑立面平行的鉛直投影面上所做的正投影圖稱為建筑立面圖,簡(jiǎn)稱立面圖。立面圖主要反映房屋各部位的高度、外貌和裝修要求,是建筑外裝修的主要依據(jù),一般以建筑物的某個(gè)立面面向哪個(gè)方向,就稱為哪個(gè)方向的立面圖。

當(dāng)前建筑物立面圖的測(cè)繪主要以全站儀為主,坐標(biāo)測(cè)量示意圖如圖1所示,首先確定測(cè)量方向,如選擇建筑物正立面、背立面兩個(gè)側(cè)面作為測(cè)量方向并確定測(cè)量控制點(diǎn);然后應(yīng)用免棱鏡法測(cè)量和記錄特征點(diǎn)坐標(biāo);再將測(cè)量得到的數(shù)據(jù)輸入繪圖軟件,繪制建筑物立面圖,標(biāo)注出各部分的尺寸和特征,并按照處理障礙物和特殊要求,以確保測(cè)繪結(jié)果的準(zhǔn)確性和完整性。

1.2 貼近攝影立面測(cè)量原理

貼近攝影測(cè)量以面為對(duì)象原理是該技術(shù)的核心之一,即以少量三維控制點(diǎn)為基礎(chǔ),利用高分辨率的地面照片和計(jì)算機(jī)算法,對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行精細(xì)化測(cè)繪。相對(duì)于傾斜攝影測(cè)量,貼近攝影則是在適當(dāng)?shù)慕嵌认陆嚯x拍攝建筑影像數(shù)據(jù),立面紋理細(xì)節(jié)更豐富,獲取信息更加完整,大大提高了立面測(cè)繪精度。貼近攝影原理如圖2所示[5]。

2 工程實(shí)例

2.1 測(cè)區(qū)概況及技術(shù)路線設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)測(cè)區(qū)為某老舊居民樓,現(xiàn)需要進(jìn)行舊城改造工作,需核算工作量,建筑物高約50 m,共15層。由于樓層較高,傳統(tǒng)測(cè)繪手段測(cè)量難度較大,因此本文基于無(wú)人機(jī)貼近攝影測(cè)量技術(shù)獲取建筑物立面影像數(shù)據(jù),建立目標(biāo)物高質(zhì)量實(shí)景三維模型,基于三維模型進(jìn)行立面圖繪制。本項(xiàng)目應(yīng)用無(wú)人機(jī)貼近攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行立面圖測(cè)繪,整體技術(shù)路線如圖3所示,包括需求分析、航線規(guī)劃、數(shù)據(jù)采集、實(shí)景三維建模、立面圖繪制和精度分析等六大部分。

首先根據(jù)需求確定掃描區(qū)域和精度要求,進(jìn)而選擇合適的無(wú)人機(jī)和影像采集設(shè)備,確保具備高分辨率和良好的圖像質(zhì)量;考慮到建筑物的高度和結(jié)構(gòu),保證無(wú)人機(jī)可以貼近建筑物進(jìn)行拍攝,在地面控制端進(jìn)行航線規(guī)劃,并根據(jù)實(shí)際要求定義關(guān)鍵參數(shù);再實(shí)地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí),根據(jù)航線規(guī)劃進(jìn)行自主飛行或遙控操控,采集目標(biāo)建筑立面數(shù)據(jù);緊接著應(yīng)用實(shí)景建模軟件對(duì)獲取的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行影像數(shù)據(jù)處理,建立測(cè)區(qū)實(shí)景三維模型;最后在三維模型基礎(chǔ)上進(jìn)行立面圖繪制和成果精度分析。本文主要選擇的是大疆經(jīng)緯M300 RTK無(wú)人機(jī)搭載的是P1相機(jī),主要參數(shù)如表1所示,通過(guò)搭載不同傳感器進(jìn)行影像數(shù)據(jù)采集。

表1 大疆經(jīng)緯M300 RTK無(wú)人機(jī)參數(shù)

2.2 立面影像數(shù)據(jù)采集

應(yīng)用無(wú)人機(jī)設(shè)備和相機(jī)進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集時(shí),首先需要設(shè)置一些控制點(diǎn)和標(biāo)志物,以便后續(xù)進(jìn)行幾何糾正和定位,本項(xiàng)目主要布設(shè)一些黑白平面靶標(biāo)黏貼在墻壁立面上;然后通過(guò)預(yù)先設(shè)置的飛行計(jì)劃,無(wú)人機(jī)起飛并自動(dòng)執(zhí)行航線飛行,本項(xiàng)目飛行高度設(shè)為2 m～50 m之間,航向和旁向重疊率均設(shè)置為75%,以建筑物為中心,執(zhí)行四邊形影像采集任務(wù)。在飛行過(guò)程中,無(wú)人機(jī)與建筑物間的距離設(shè)為10 m左右,鏡頭垂直于建筑立面從四個(gè)立面拍攝多個(gè)角度和視角的照片,以確保全面捕捉建筑物立面的細(xì)節(jié)。環(huán)繞拍攝時(shí),相鄰影像間重疊度需達(dá)到80%;轉(zhuǎn)角區(qū)域需注意避免因視角變化過(guò)大造成漏攝。拍攝完成后檢查作業(yè),對(duì)于有遮擋、復(fù)雜區(qū)域還需進(jìn)行補(bǔ)拍(見圖4)。

2.3 實(shí)景三維模型重建

本項(xiàng)目應(yīng)用Context Capture Center軟件建立實(shí)景三維模型,首先將POS數(shù)據(jù)、慣性導(dǎo)航姿態(tài)信息、原始影像和相機(jī)文件導(dǎo)入該軟件中,利用軟件進(jìn)行圖像處理和特征提取,自動(dòng)識(shí)別和匹配照片中的地面點(diǎn)和建筑物特征,進(jìn)行空三解算;然后通過(guò)密集匹配算法,將各個(gè)照片的特征點(diǎn)進(jìn)行匹配,并進(jìn)一步生成高密度的點(diǎn)云模型;最后,基于高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)和三角網(wǎng)擬合算法將點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合三角網(wǎng)模型,并將照片的紋理信息映射到三角網(wǎng)模型上,生成實(shí)景三維模型[6]。

3 立面圖測(cè)繪及驗(yàn)證分析

3.1 立面圖繪制

基于實(shí)景三維模型進(jìn)行立面圖繪制應(yīng)用的是EPS三維測(cè)圖軟件,首先將osgb數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為可識(shí)別的3d Tiles格式,導(dǎo)入實(shí)景三維模型到繪圖軟件平臺(tái)中,并進(jìn)行必要的設(shè)置和調(diào)整,比如設(shè)置坐標(biāo)系、縮放比例等;再根據(jù)實(shí)際需求,在模型中提取出需要繪制的建筑物的立面信息。可以使用工具或手動(dòng)繪制來(lái)提取墻壁、門窗、梁柱等元素,使用繪圖工具進(jìn)行直線、曲線、填充等操作,繪制建筑物的輪廓和細(xì)節(jié);然后導(dǎo)出線畫圖成果,到CAD軟件中繪制,根據(jù)需要,在繪制好的平面圖上添加文字標(biāo)注、尺寸標(biāo)記、符號(hào)等,以提供更詳細(xì)的信息和解釋;最后進(jìn)行校驗(yàn)和調(diào)整,確保繪制的平面圖符合實(shí)際建筑物的形狀、尺寸和比例,并輸出和編輯。本項(xiàng)目繪制好的立面成果圖如圖5所示[7-8]。

3.2 精度驗(yàn)證分析

為驗(yàn)證立面數(shù)據(jù)精度是否滿足要求,利用全站儀采集的角點(diǎn)距離為真實(shí)值,最后與本文方法建立的立面成果圖進(jìn)行求差比較,并利用式(1),式(2)求解中誤差和最大相對(duì)誤差,式中σ為中誤差,δ為相對(duì)誤差,ΔL為差值,n為點(diǎn)個(gè)數(shù),本項(xiàng)目共進(jìn)行了30組驗(yàn)證對(duì)比計(jì)算。結(jié)果如表2所示。

表2 實(shí)測(cè)距離與模型量測(cè)距離偏差

根據(jù)表2實(shí)測(cè)邊長(zhǎng)與模型量測(cè)偏差,得到邊長(zhǎng)中誤差為0.055 m,最大相對(duì)偏差為2.11%,整體來(lái)看精度較高。

(1)

(2)

通過(guò)對(duì)30個(gè)檢查點(diǎn)進(jìn)行精度評(píng)定,可以看出,構(gòu)建的三維模型立面測(cè)量結(jié)果與實(shí)際建筑高度最大誤差5.5 cm,平均誤差3.7 cm,中誤差為3.9 cm,所有量測(cè)結(jié)果均在6 cm以內(nèi),符合相關(guān)規(guī)范要求。

4 結(jié)語(yǔ)

無(wú)人機(jī)貼近攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用使建筑物立面的測(cè)繪工作更加高效和精確,能有效減少人力和時(shí)間成本,可以在建筑設(shè)計(jì)、工程施工、城市規(guī)劃等領(lǐng)域,為決策和設(shè)計(jì)提供重要的數(shù)據(jù)支持。但是由于該技術(shù)在外業(yè)數(shù)據(jù)采集時(shí),無(wú)人機(jī)需要貼近目標(biāo)物進(jìn)行影像數(shù)據(jù)采集,因此在進(jìn)行外業(yè)操作時(shí)需要謹(jǐn)慎規(guī)劃航線,防止出現(xiàn)“炸機(jī)”事故造成人員和財(cái)產(chǎn)損失。