譚金石，陳穎彪，祖為國

(1.廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510510；2.廣州大學(xué) 地理科學(xué)與遙感學(xué)院，廣州 510006)

0 引言

隨著城市的建設(shè)和發(fā)展變遷，臨街建筑外立面存在老舊、廣告牌無序設(shè)置、雨棚、空調(diào)、管線、防盜網(wǎng)隨意增設(shè)、缺乏整體規(guī)劃設(shè)計(jì)等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響城市街道空間印象[1]。為了美化街道空間環(huán)境、改善居住環(huán)境，需要對(duì)臨街建筑進(jìn)行重新整體規(guī)劃，通過對(duì)臨街建筑的商業(yè)廣告、墻面、門面等外立面進(jìn)行整合與處理，實(shí)現(xiàn)外立面的整體化和統(tǒng)一化。該項(xiàng)工作的一項(xiàng)難點(diǎn)就是現(xiàn)狀數(shù)據(jù)的獲取，用于整體規(guī)劃設(shè)計(jì)和工作量統(tǒng)計(jì)。因此，在改造前期對(duì)臨街建筑進(jìn)行立面測(cè)繪。

臨街建筑立面圖傳統(tǒng)測(cè)繪方法主要有全站儀測(cè)量法、三維激光掃描法及無人機(jī)傾斜攝影等[2]。其中，全站儀測(cè)量法原理簡單、工作量大、效率低、人工成本高[3]。三維激光掃描法受到設(shè)備昂貴、狹窄的街道掃描有效范圍小等限制，而且雜亂點(diǎn)較多、測(cè)站配準(zhǔn)繁雜、數(shù)據(jù)冗余嚴(yán)重[4-5]。無人機(jī)傾斜攝影方法具有機(jī)動(dòng)靈活、設(shè)備成本低、信息豐富等特點(diǎn)，但由于空中拍攝視角，導(dǎo)致建筑物立面模型存在拉花、遮擋等問題[6-8]。2019年，張祖勛院士[9]提出了貼近攝影測(cè)量的概念，并提出這是一種新型的攝影測(cè)量方式。

基于此，本文提出了一種利用無人機(jī)貼近攝影的臨街建筑立面快速測(cè)繪的方法。結(jié)合實(shí)際工程案例，闡述了技術(shù)路線，研究了利用多旋翼無人機(jī)對(duì)臨街建筑立面外業(yè)攝影航線規(guī)劃算法及數(shù)據(jù)采集、影像數(shù)據(jù)處理等過程，快速構(gòu)建建筑物精細(xì)模型，實(shí)現(xiàn)臨街建筑立面圖繪制，并對(duì)測(cè)繪成果進(jìn)行精度評(píng)估與效率分析。結(jié)果表明，該方法具有快速高效、高精度等特點(diǎn)，為后續(xù)建筑立面測(cè)繪提供了一種新方法，具有良好的應(yīng)用推廣價(jià)值。

1 測(cè)區(qū)概況與技術(shù)路線

1.1 測(cè)區(qū)概況

測(cè)區(qū)位于廣州市增城區(qū)永寧街道新新大道民兵路至永順大道路段，是廣州市具有代表性的工程項(xiàng)目(新白廣城際軌道項(xiàng)目)的子項(xiàng)目，即新白廣項(xiàng)目沿線兩側(cè)紅線外受損房屋立面整治和修復(fù)工程項(xiàng)目。項(xiàng)目總建設(shè)內(nèi)容包括園建工程、給排水工程、照明工程、景觀工程以及其他附屬工程。應(yīng)業(yè)主要求，需對(duì)臨街建筑物進(jìn)行精細(xì)化建模及測(cè)設(shè)建筑立面圖。測(cè)區(qū)街道長度約800 m，建設(shè)用地面積約16 639 m2，沿街建筑 89棟。中間正在建筑高架橋，房屋距離高架橋的水平距離約20～30 m。

1.2 技術(shù)路線

考慮到臨街建筑物空間狹窄，傳統(tǒng)測(cè)量方法存在獲取信息不直觀、工作量大等問題。為了構(gòu)建臨街建筑物精細(xì)化立面場景，測(cè)量高精度立面圖，利用無人機(jī)搭載相機(jī)對(duì)建筑立面進(jìn)行貼近攝影實(shí)現(xiàn)立面精細(xì)化建模及立面測(cè)繪。貼近攝影測(cè)量方法具有可高度還原地表和物體精細(xì)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于城市精細(xì)重建、古建筑重建等領(lǐng)域[10]。它與傳統(tǒng)的傾斜攝影方法不同，以建筑立面作為重點(diǎn)拍攝對(duì)象，相機(jī)盡可能拍攝到立面的各個(gè)細(xì)節(jié)，從而獲得最優(yōu)的建模效果。

本文利用無人機(jī)貼近攝影方法進(jìn)行建筑立面測(cè)繪，主要包括外業(yè)和內(nèi)業(yè)兩部分。首先需要對(duì)臨街建筑立面貼近攝影和建筑底層的近地面貼近攝影。利用拍攝的原始影像和像控點(diǎn)成果，進(jìn)行多角度傾斜影像的聯(lián)合空中三角測(cè)量(簡稱“空三”)。基于空三成果，進(jìn)行密集影像匹配，生成高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再經(jīng)過TIN構(gòu)建、紋理映射等過程，生成實(shí)景三維模型[11]，將三維模型導(dǎo)入立面測(cè)圖軟件進(jìn)行建筑立面的繪制工作，具體的技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 總體技術(shù)路線圖

2 建筑立面外業(yè)數(shù)據(jù)獲取

外業(yè)影像數(shù)據(jù)獲取是實(shí)景三維建模的關(guān)鍵[12]。傳統(tǒng)垂直攝影方法獲取的主要是建筑頂部信息，難以拍攝側(cè)面信息。傳統(tǒng)傾斜攝影在拍攝頂部信息的同時(shí)，大大提升了側(cè)面信息拍攝。但是臨街建筑更新改造工程對(duì)建筑立面測(cè)繪精度要求高，需要詳細(xì)表現(xiàn)建筑物的外形外貌特征，如門、窗、陽臺(tái)及廣告牌等存在遮擋，上述兩種方法很難拍攝到。針對(duì)以上方法立面拍攝中存在的問題，本文采用貼近攝影測(cè)量進(jìn)行建筑立面拍攝的新方法。

2.1 貼近攝影航線規(guī)劃

參考攝影測(cè)量航線規(guī)劃方法[13]，以建筑物立面為剖面，執(zhí)行“S”型航線，水平方向?yàn)楹骄€方向，垂直方向?yàn)榕韵蚍较颉Ｏ噜徍较蚺c旁向照片之間保持一定的重疊度，設(shè)定軌跡內(nèi)航向重疊范圍為Ox，軌跡內(nèi)旁向重疊范圍為Oy，如圖2所示。

圖2 建筑立面貼近攝影示意圖

航線規(guī)劃中，最主要的是計(jì)算無人機(jī)飛行過程中，航向和旁向的重疊度。根據(jù)成像原理，相機(jī)拍攝中心與剖面的距離Hq，與相機(jī)的焦距f、剖面的影像分辨率GSD、像元大小p等參數(shù)之間存在一定的關(guān)系，表達(dá)如式(1)所示。

(1)

假設(shè)相機(jī)的視場角為fovx、fovy；照片覆蓋建筑立面的范圍為Gi，當(dāng)i取x，y時(shí)，分別代表水平方向和垂直方向的覆蓋范圍Gx、Gy，表達(dá)如式(2)所示。

(2)

水平方向相鄰兩個(gè)曝光點(diǎn)間隔為Δs；垂直方向相鄰航線之間高差為Δh，計(jì)算如式(3)至式(4)所示。

(3)

(4)

式中：航向重疊范圍為Ox；旁向重疊范圍為Oy；航向重疊度為ox；旁向重疊度為oy。

對(duì)于重疊度要求，一般設(shè)定航向重疊度60%～80%、旁向重疊度15%～60%。在實(shí)際作業(yè)過程中，航向、旁向需要考慮立面凹凸的深度，如果凹凸較深，重疊度需要增加。一般情況下重疊度設(shè)為60%～80%為宜，再根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整，確保能充分拍攝到建筑立面。

2.2 外業(yè)數(shù)據(jù)獲取

航線規(guī)劃參數(shù)計(jì)算后，利用無人機(jī)飛控軟件進(jìn)行具體的航線設(shè)定。設(shè)定一條與臨街建筑面平行的一條多段線，設(shè)定水平方向的拍攝間隔，和每條垂直方向的航線高度，逐條航線完成設(shè)定，導(dǎo)入飛行控制軟件，利用無人機(jī)自動(dòng)完成外業(yè)采集工作。

本文采用大疆精靈4RTK無人機(jī)，搭載相機(jī)為FC3610，焦距為8.8 mm，像元大小為2.401 2 μm，最大續(xù)航為30 min，有效像素為2 000萬，像幅為4 864×3 648，相機(jī)通過云臺(tái)可調(diào)整為-90°～30°。以街道中心線外擴(kuò)100 m作為下視影像拍攝范圍，正射拍攝主要是將各建筑關(guān)聯(lián)起來，便于統(tǒng)一坐標(biāo)。同時(shí)，在測(cè)區(qū)內(nèi)布測(cè)了七個(gè)像控點(diǎn)。飛行軟件采用DJI Pilot進(jìn)行航線規(guī)劃，常規(guī)“S”型航線敷設(shè)，航向和旁向重疊度均設(shè)定為80%。房屋普遍為3～6層，飛行高度為70 m，地面分辨率約2 cm。對(duì)于兩側(cè)的建筑物立面，根據(jù)街道具體情況分段貼近拍攝。對(duì)于每一段立面，相機(jī)朝向建筑立面進(jìn)行近地面貼近攝影。再將無人機(jī)起飛到一定高度，調(diào)整相機(jī)鏡頭，朝向建筑，并沿建筑大約15 m處飛行。對(duì)于有凹陷或者構(gòu)筑物遮擋的部位，調(diào)整相機(jī)角度對(duì)遮擋區(qū)域重點(diǎn)拍攝。

3 影像數(shù)據(jù)處理及測(cè)繪

3.1 影像聯(lián)合空中三角測(cè)量

空中三角測(cè)量是攝影測(cè)量處理的關(guān)鍵步驟[14]。對(duì)于建筑立面貼近攝影測(cè)量，拍攝的影像空間位置和姿態(tài)比較復(fù)雜，為了提高貼近攝影測(cè)量空三成功率，采取以下策略。

1)拍攝的照片數(shù)較大，計(jì)算效率和成功率均會(huì)降低，將數(shù)據(jù)按拍攝方式分組空三，分別進(jìn)行影像匹配、區(qū)域網(wǎng)平差，建立高精度的組塊區(qū)域網(wǎng)，恢復(fù)各組照片內(nèi)部的位置和姿態(tài)。

2)將所有組塊區(qū)域網(wǎng)進(jìn)行合并，再次進(jìn)行整體平差，構(gòu)建多種貼近攝影影像的區(qū)域網(wǎng)，區(qū)域網(wǎng)覆蓋所有影像，精度分布均勻，中誤差優(yōu)于0.5個(gè)像素的區(qū)域網(wǎng)。

3)為了將區(qū)域網(wǎng)空間位置和其他數(shù)據(jù)坐標(biāo)統(tǒng)一，加入地面像控點(diǎn)進(jìn)行約束，進(jìn)一步進(jìn)行基于已知點(diǎn)的區(qū)域網(wǎng)平差，并檢查平差精度報(bào)告，確保精度要求。

借助傾斜三維建模軟件Context Capture Center 4.4.16，將外業(yè)拍攝的影像數(shù)據(jù)和像控點(diǎn)導(dǎo)入軟件進(jìn)行空三處理，空三精度如表1所示。

表1 空三精度報(bào)告

由表1可知，空三精度，二維距離中誤差達(dá)到0.002 36 m，三維距離中誤差達(dá)到0.003 88 m，滿足數(shù)字航空攝影測(cè)量1∶500空三精度要求。

3.2 實(shí)景三維建模

基于上述貼近影像聯(lián)合空中三角測(cè)量，可以解算每張照片高精度外方位元素以及每個(gè)傳感器的內(nèi)方位元素。要實(shí)現(xiàn)實(shí)景三維模型還需要進(jìn)行傾斜影像密集匹配生成點(diǎn)云、點(diǎn)云構(gòu)網(wǎng)、紋理映射及三維模型構(gòu)建等過程。軟件實(shí)景三維建模過程具有高度自動(dòng)化、高效率等特征，但是計(jì)算量大、效率低，需要利用計(jì)算機(jī)的CPU和GPU資源，采用共享式聯(lián)機(jī)運(yùn)算，可極大地提高建模效率。臨街建筑建模的效果如圖3、圖4所示。

圖3 實(shí)景三維建模效果圖

圖4 臨街建筑立面效果圖

根據(jù)實(shí)景模型可知，建筑立面模型紋理清晰、輪廓明顯，對(duì)于建筑立面的特征物，如窗戶、空調(diào)、低層廣告牌等均可清楚分辨與測(cè)量，實(shí)景三維模型可使設(shè)計(jì)人員如親臨現(xiàn)場般的瀏覽、測(cè)量檢查及設(shè)計(jì)等，為后續(xù)建筑立面測(cè)繪奠定了基礎(chǔ)。

3.3 建筑立面圖繪制

街道三維模型構(gòu)建完成后，利用團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的實(shí)景三維測(cè)圖軟件ES3D進(jìn)行立面圖繪制。首先，將osgb數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為可識(shí)別的3d Tiles格式，在軟件中將要繪制立面的模型旋轉(zhuǎn)平移至合適的視角，并設(shè)定臨時(shí)坐標(biāo)軸，在模型上將實(shí)現(xiàn)建筑物立面測(cè)圖。最后，將立面測(cè)圖成果導(dǎo)入南方CASS軟件進(jìn)行編輯整理，完成立面圖的制作，效果圖如5所示。利用立面圖，改造設(shè)計(jì)單位即可了解沿街建筑外立面具體狀況，能準(zhǔn)確預(yù)估出工程量和進(jìn)行工程預(yù)算。

圖5 臨街建筑立面圖

4 精度評(píng)估及效率分析

4.1 精度評(píng)估

為了驗(yàn)證本文方法的可靠性，將基于模型采集的立面圖(門窗尺寸、建筑長度等)與外業(yè)實(shí)測(cè)邊長進(jìn)行比較，以此進(jìn)行外業(yè)精度評(píng)估與驗(yàn)證。外業(yè)檢查采用全站儀和手持激光測(cè)距儀進(jìn)行測(cè)距。將外業(yè)測(cè)量建筑邊長和門窗邊長作為檢測(cè)對(duì)象，外業(yè)檢測(cè)了沿街兩側(cè)37棟建筑物及建筑物的30個(gè)門窗，同時(shí)，立面圖上量取外業(yè)檢測(cè)對(duì)應(yīng)的邊長長度，對(duì)比二者的邊長差，精度統(tǒng)計(jì)表如表2所示。

表2 外業(yè)檢測(cè)精度統(tǒng)計(jì)表 m

依據(jù)外業(yè)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行邊長誤差計(jì)算，以中誤差來評(píng)估檢測(cè)利用貼近攝影測(cè)量方法進(jìn)行立面測(cè)繪的精度，中誤差的計(jì)算如式(5)所示。

(5)

式中：σ為距離中誤差；n為檢測(cè)對(duì)象的個(gè)數(shù)；Δi為檢測(cè)測(cè)量與成果二者較差。

根據(jù)表2的外業(yè)檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析可知，最大差值為0.052 m，最小差值為-0.041 m，平均值為0.018 m，中誤差為±0.032 m，將檢測(cè)差值的相對(duì)誤差和絕對(duì)誤差進(jìn)行對(duì)比分析，誤差分布如圖6所示。

圖6 測(cè)量誤差分布圖

通過分析表2和圖6可知，相對(duì)誤差范圍分布在-0.04～0.053 m，絕對(duì)誤差范圍分布在0.015～0.053 m。絕對(duì)誤差主要分布在0.015～0.039 m，占總數(shù)的86.57%，而其他分布在0.039～0.053 m的占總數(shù)13.43%，這充分體現(xiàn)了誤差具有集中性特征，符合偶然誤差的分布規(guī)律。綜上可知，本文方法可達(dá)到的測(cè)量精度很高。該成果精度達(dá)到1∶500地籍測(cè)圖精度，能滿足建筑立面測(cè)圖的精度要求。

4.2 效率分析

從效率方面對(duì)本文方法、傳統(tǒng)全站儀測(cè)量方法，及三維激光掃描方法進(jìn)行比較分析。根據(jù)各種方法工序所需要的時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如表3所示。

在滿足立面測(cè)繪精度要求的前提下，設(shè)備成本上，全站儀和多旋翼無人機(jī)價(jià)格在1～5萬元，三維激光掃描儀價(jià)格在80～100萬元。耗時(shí)上，本文貼近攝影測(cè)量方法耗時(shí)約28.8 h，相對(duì)全站儀測(cè)量方法效率提升42.6%，相對(duì)三維激光掃描方法效率提升30.9%。此外，全站儀測(cè)量方法容易存在遺漏，返回現(xiàn)場補(bǔ)測(cè)麻煩。三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)量大，立面繪圖對(duì)硬件設(shè)備要求高，會(huì)存在遮擋的現(xiàn)象。貼近攝影測(cè)量方法構(gòu)建高精細(xì)模型，不容易遺漏，并可以任意角度瀏覽與測(cè)繪。

表3 三種測(cè)量方法效率統(tǒng)計(jì)表 h

綜合分析表明，本文提出的利用貼近攝影測(cè)量方法是一種對(duì)硬件設(shè)備要求低、快速高效、精度高的建筑立面測(cè)繪方法。

5 結(jié)束語

本文從舊城改造中臨街建筑更新改造的立面測(cè)繪需求出發(fā)，分析了傳統(tǒng)立面測(cè)繪方法在臨街建筑測(cè)量中存在的問題，提出了一種利用無人機(jī)貼近攝影的臨街建筑立面快速測(cè)繪方法。該方法利用消費(fèi)級(jí)多旋翼無人機(jī)，對(duì)建筑立面進(jìn)行貼近攝影，通過傾斜攝影測(cè)量三維建模，得到建筑精細(xì)化立面模型，以此采集立面圖，為后續(xù)建筑立面測(cè)繪提供了一種新方法、新思路。本文得出以下結(jié)論。

1)本文方法流程簡單、快速高效，外業(yè)工作量小，內(nèi)業(yè)制圖方便、快捷，可避免遺漏返回現(xiàn)場檢查補(bǔ)測(cè)等情況。

2)本文方法在傳統(tǒng)攝影測(cè)量基礎(chǔ)上，增加了建筑立面的貼近攝影，使得重點(diǎn)關(guān)注的建筑立面模型高度還原真實(shí)建筑，克服了傳統(tǒng)無人機(jī)傾斜攝影存在的模型拉花、漏洞等效果差的問題。

3)相對(duì)于百萬級(jí)別的三維激光掃描高端設(shè)備，本文方法設(shè)備成本低，精度較高，可以滿足立面測(cè)繪的要求。

4)相對(duì)傳統(tǒng)立面測(cè)繪方法，在滿足精度的前題下，本文方法效率提升30%以上，在一定程度上可借鑒可推廣。

但與此同時(shí)，利用貼近攝影測(cè)量進(jìn)行立面測(cè)繪時(shí)也存在一定的局限性，比如：建筑旁邊有植被遮擋時(shí)，不能拍攝完全，會(huì)影響模型效果，需要補(bǔ)測(cè)；當(dāng)建筑立面紋理較弱、比較單一時(shí)，給空三匹配增加了難度，可能需要人工增加連接點(diǎn)；當(dāng)遇到老街區(qū)臨街空間過窄時(shí)，無人機(jī)貼近攝影的難度可能加大，或者需要考慮另外的方法。因此，在后續(xù)工作中，將對(duì)如何讓無人機(jī)自動(dòng)進(jìn)行貼近攝影航線規(guī)劃和拍攝、狹窄街道立面如何實(shí)測(cè)等問題進(jìn)一步研究。