基于傾斜攝影測量技術的建筑物立面圖制作流程

一、引言

百城建設提質(zhì)工程是河南省新型城鎮(zhèn)化發(fā)展的重要部署，街道立面改造作為其主要工作內(nèi)容之一可以有效改善街道整體視覺效果，提升城市形象。因此，如何準確、高效地制作建筑物立面圖成為研究的重點。另一方面，傾斜攝影測量是國際測繪領域近年來興起的一項高新技術，它以大范圍、多角度、高清晰的方式感知真實場景，改變了傳統(tǒng)攝影測量只能從垂直視角拍攝的局限性，具有更豐富的影像信息、更高級的用戶體驗[1-3]。本項目以河南省鶴壁市浚縣的三條主干道為例，對測區(qū)進行傾斜攝影測量，通過ContextCapture和DPModeler兩款軟件實現(xiàn)三維建模與立面測圖。本文詳細闡述了基于傾斜攝影測量技術的建筑物立面圖制作流程，并將立面圖制作成果與傳統(tǒng)全站儀測量結(jié)果進行對比分析，最后對本文方法的優(yōu)勢和創(chuàng)新性進行了總結(jié)與展望。

二、測區(qū)概況

本項目位于千年古城?？h，?？h地處河南省北部，太行山與華北平原過渡地帶，地形以平原為主，平均海拔63米，屬暖溫帶半濕潤性季風氣候，年均氣溫13.7℃。測區(qū)為黎陽路、新華路、黃河路三條主干道，一橫兩縱穿過主城區(qū)。黎陽路全長約4000米，改造涉及建筑物125棟，臨街商鋪462間；新華路全長約2500米，改造涉及建筑物101棟，臨街商鋪306間；黃河路全長約5000米，改造涉及174棟建筑物，臨街商鋪591間，致力于打造具有傳統(tǒng)韻味感知的現(xiàn)代商業(yè)空間。據(jù)了解，這三條路為?？h的歷史文化資源與特色商業(yè)集中區(qū)域，街道立面改造將有利于城市風貌的展現(xiàn)[4]。

三、技術路線

本項目的實施包括外業(yè)和內(nèi)業(yè)兩個部分。首先進行測區(qū)踏勘與資料收集，在充分調(diào)研的基礎上利用飛馬“無人機管家”軟件進行航線規(guī)劃設計，進而通過飛馬D200四旋翼無人機搭載五鏡頭相機獲取測區(qū)真彩色影像，傾斜航空攝影完成后進行外業(yè)像控布設。其次，通過ContextCapture軟件進行實景三維建模，基于三維模型通過DPModeler軟件進行立面測圖，將立面測圖成果與傳統(tǒng)全站儀測量結(jié)果進行對比分析。最后將測圖成果導入南方CASS軟件進行編輯輸出，完成立面圖制作。具體技術路線如圖1所示。

圖1技術路線圖

Fig.1 Technology flow chart

四、作業(yè)流程

4.1 傾斜航空攝影

傾斜航空攝影的航線設計采用深圳飛馬機器人科技有限公司的“無人機管家”軟件進行，該軟件集無人機數(shù)據(jù)獲取、處理、顯示、管理及無人機維護于一體，支持多種飛行器的航線設計、監(jiān)控、數(shù)據(jù)快速質(zhì)檢、4D產(chǎn)品生產(chǎn)等。通過“無人機管家”設計的航線，其相對航高、地面分辨率及物理像元尺寸滿足三角比例關系，航線設計通常采取航向重疊度60%以上，旁向重疊度30%左右，鑒于三維模型精細化表達需要，航向和旁向重疊度要求更高，具體的航線設計參數(shù)如表1所示，航線規(guī)劃如圖2所示。本項目通過飛馬機器人智能航測系統(tǒng)D200搭載五鏡頭相機D-OP300（如圖3所示），該系統(tǒng)具有作業(yè)效率高（單架次/48分鐘/2cmGSD/0.45km2）、焦距長（35mm鏡頭）、影像質(zhì)量高（總像素1.2億）等優(yōu)點，通過傾斜航空攝影方式共作業(yè)4個架次，飛行帶狀區(qū)域近12公里，獲取真彩色影像15500張，然后對獲取的影像進行質(zhì)量檢查，對不合格的區(qū)域進行補飛或重飛，直到獲取的影像質(zhì)量滿足要求。

表1航線規(guī)劃設計參數(shù)表

圖2 航線規(guī)劃圖（以黎陽路為例）

Fig.2 Airline planning chart (takingLiyang road for example)

圖3 飛馬智能航測系統(tǒng)D200

Fig.3 Intelligent aerial photogrammetricsystem of FEIMA ROBOTICS D200

4.2 像控布設

本項目采用非全野外布點方案，外業(yè)只測定少量的控制點作為內(nèi)業(yè)加密的基礎，可有效減少外業(yè)工作量。通常根據(jù)測區(qū)形狀、地勢、面積的差異采取不同的布點方案，就本測區(qū)的狹長特性而言，宜采用沿道路兩側(cè)交叉布點方式。由于道路較長約4000米（以黎陽路為例），布點間隔選擇300米左右交叉布設一個控制點，能夠使測區(qū)控制網(wǎng)更加穩(wěn)固，滿足項目精度要求，像控點分布如圖4所示。根據(jù)上述布點方案，按照“先整體后局部，先控制后碎步”的原則，在首級控制點的基礎上通過GPSRTK采集像控點坐標，像控點坐標如

Fig.4 Image control pointsdistribution chart (taking Liyang road for example)

表2所示。

圖4 像控點分布圖（以黎陽路為例）

Fig.4Image control points distribution chart (taking Liyang road for example)

表2像控點坐標（以黎陽路為例）

4.3 數(shù)據(jù)處理

通過ContextCapture軟件進行數(shù)據(jù)處理，基礎數(shù)據(jù)包括原始影像數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)、控制點數(shù)據(jù)及相機參數(shù)。首先進行數(shù)據(jù)預處理，通過飛馬“無人機管家”智檢圖和智理圖模塊，完成原始影像的勻光勻色、畸變糾正、POS數(shù)據(jù)解算等工作。其次，將預處理完成后的基礎數(shù)據(jù)導入ContextCapture軟件平臺，進行新建工程、參數(shù)設置、提交空三、提交重建等系列環(huán)節(jié)，無需人工干預，最終輸出OSGB格式的具有真實紋理的高分辨率實景三維模型。該模型能夠準確、精細地還原出建模主體的真實色澤、幾何形態(tài)及細節(jié)構成，空三加密精度如表3所示，三維模型成果如圖所示。

表3 空三加密精度統(tǒng)計表

Tab.3 Precision of aerotriangulation

圖5 三維模型成果（局部圖）

Fig.53D model (partial perspective)

三維建模完成后，首先利用武漢天際航公司的格式轉(zhuǎn)換工具將OSGB格式模型轉(zhuǎn)為DPModeler軟件可識別的OSG格式，通過設置坐標偏移值解決由模型相對坐標與絕對坐標差異引起的偏移問題。其次，基于OSG格式模型、xml格式空三及無畸變影像建立解決方案，通過DPModeler軟件實現(xiàn)建筑物立面測圖（圖6）。最后，將立面測圖成果導入南方CASS軟件進行編輯整理，完成立面圖的制作。立面圖制作成果如圖7所示。

圖6 建筑物立面測圖

Fig.6 Facade mapping of buildings

圖7 建筑物立面圖成果（局部圖）

Fig.7 Elevation of buildings (partialperspective)

五、精度校驗與效率對比

為了檢驗傾斜攝影立面測圖成果的精度，本項目通過傳統(tǒng)外業(yè)測量方法[5-7]，利用南方NTS-332R4全站儀，采取特征邊測量的方式對建筑物立面進行抽樣采集。為體現(xiàn)抽樣數(shù)據(jù)的代表性，均勻選取特征明顯的建模立面進行測量。這里共采集158個特征邊與立面測量成果進行對比分析，統(tǒng)計兩種方法采集的坐標數(shù)據(jù)，計算得到誤差，如表所示。

表4 精度檢驗表（單位：m）

根據(jù)表中的誤差分布，通過中誤差計算公式可得特征邊中誤差為0.05m；另外，特征點坐標中誤差均達到厘米級。由此可知，立面測圖成果滿足1：500大比例尺測圖要求。

就效率而言，2011年我單位于浙江省杭州市承擔過類似項目，通過傳統(tǒng)全站儀測量方法完成立面圖制作。這里以3公里立面測圖長度為工作總量，以組日（三人一組，工作一日）為工作單元進行效率對比，具體結(jié)果如表5所示。由此可知，基于傾斜攝影測量技術的立面測圖方法效率遠高于傳統(tǒng)全站儀測量方法。

表5作業(yè)效率對比表

六、結(jié)論

本項目將傾斜攝影測量技術應用于建筑物立面圖制作，針對該方法在立面測圖過程中遇到的若干技術問題進行了研究與測試，并與傳統(tǒng)全站儀測量方法進行了精度和效率的對比分析，結(jié)果表明：基于傾斜攝影測量技術的立面測圖方法能夠滿足1：500大比例尺測圖要求，測圖效率相較于傳統(tǒng)方法有大幅提高。該項目的完成是高新技術在測繪領域中的有益嘗試，對于提高作業(yè)效率、改進作業(yè)模式具有重要意義，為以后類似項目的實施提供了參考。