无人机倾斜摄影测量技术在建筑立面测量中的应用

曾远星

(福建省建筑设计研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

近年来，随着城市建设的不断发展，老旧小区整治和历史建筑的保护逐渐成为当前城市建设的一项重要任务。鉴于一些建构筑物年久失修、设计图纸难以寻获，在建构筑物改造前，用测绘手段逆向获取建构筑物立面图就成为了一项必不可少的工作。此外，立面图也是城市老旧建筑物外观装修和景观改造设计、造价和施工中的重要依据。传统的建筑物立面测量，利用免棱镜全站仪获取建筑物关键位置三维点坐标，通过坐标转换将数据导入到CASS中，依照外业草图并结合高清相机拍摄建筑物外立面照片，绘制建筑物立面图。由于传统测量方法投入人员多、工作量大、作业效率低，工期难以满足要求。

无人机倾斜摄影测量技术是最近几年发展的一种新技术，其主要应用有城市实景三维建模[1-2]，大比例尺测图[3]等方面，其主要优点有：①作业效率高，通过无人机为载体 ，外业数据采集只需1名无人机操控人员即可完成，数据采集过程可全自动化，不需要人工控制飞行姿态和人工拍摄。②真实性强，倾斜摄影测量所获取的测量数据带有纹理信息及空间坐标信息，成果模型能够矢量化真实反映地物的现实情况，本质上有别于3DMAX、Sketchup等人工建模软件制作而成的三维虚拟模型。通过倾斜摄影测量模型浏览软件或相关测图软件，还可直接获取模型中地物的平面坐标、高度、坡度、面积、体积等属性信息，弥补了传统人工建模仿真度低、几何空间数据信息不真实的局限性[4-6]。

基此，本文拟结合某工程实例，探讨无人机倾斜摄影技术在建筑物立面测量工作中的关键技术及工程应用。

1 倾斜摄影技术流程及立面测量基本原理

通过无人机搭载多镜头倾斜摄影，获取多个角度的地面影像数据，加载到ContextCaptureCenter等数字影像建模软件，生产出实景三维地图，根据提取的建筑三维模型，切片出需要立面的建筑外立面；通过坐标转换，获取建筑外立面影像；根据影像点，取建筑外立面特征点(如建筑转角，窗、门的转角点)，导入到天正CAD，绘制立面图。流程图如图1所示。

图1 流程图

倾斜摄影技术，在建筑立面测量中最关键的主要是坐标系的转换。由于倾斜摄影获取模型后的坐标系统O-XYH与所需要的建筑立面独立坐标系统O’-X’H’不一致，因此需要进行坐标转换。

其中，坐标转换的原理是，模型生成的坐标系转换为与建筑外立面一致的平面坐标系。如图2所示：P点在模型中的坐标系O-XYH中的坐标为(Xp,Yp,H)，通过已知指定同一面上的两个定向点D1，D2坐标计算旋转角θ：

(1)

图2 坐标系示意图

坐标旋转基准点可任意设置，坐标假设为(X0,Y0,H0)。为了方便计算，设置为坐标原点(0，0，0)，则建筑物上点P旋转后的坐标为(Xrp,Yrp,Hrp)，公式如下：

(2)

经旋转后的坐标，为平行或垂直建筑立面的坐标，提取转换后的坐标Xrp以及高程Hrp信息，即旋转后的坐标为平面坐标(Xrp，Hrp)，通过CAD展点将所获取的转换后的各建筑特征点导入到CAD，从而实现倾斜摄影模型数据的坐标系统到建筑立面数据平面系统的旋转转换。

立面图绘制：将各转换后特征点连接绘制成各建筑要素，保证各方向立面图建筑长度、高度、宽度一致，相同单元的长度、宽度、高度、图形要素一致，建筑立面的起算标高相同等。

2 工程应用

该工程为福州市某厂房改造项目，项目为区重点项目，工期要求紧，改造的建筑较多，且大部分建筑周边无遮挡。该项目主要采用倾斜摄影测量技术方法获取建筑立面，部分建筑立面采用传统的全站仪测绘技术。

该项目使用的无人机，为中海达的iFly D6六轴旋翼无人机，其最大优点是飞行平稳、抗干扰性强、可搭载5镜头的iCam Q5 mini倾斜相机(5×2400万像素)，从而获取地表地物正面、左侧面、右侧面、前面、后面共5组不同方向的影像数据。

为了提高倾斜摄影模型精度，外业均匀布设11个像片控制点。通过像片控制点将所有的照片拼接建模。采用ContextCaptureCenter三维建模软件建模，最后生成需要的3Dtitle格式文件，导入到PSG软件中，如图3所示。

图3 倾斜模型

(1)选取模型中某建筑西侧立面。首先，基准面选取；其次，通过软件自带的立面测量功能进行坐标转换，将模型坐标转换为与该基准面平行的坐标中；最后，直接在影像上特征点连接绘制成各建筑要素(窗、门等)。图4为该建筑的西侧立面测绘成果。

(2)为检查建筑外立面其精度，直接在生成的立面图中，随机选取若干条窗户、门、完整立面等特征线。在立面图中测量边长，与南方全站仪(测量精度为2+2ppm)实测测量结果进行对比分析，如表1所示。

表1 检查边长对比分析 m

由表1结果可以看出，倾斜摄影获取立面图中选取特征线的边长与全站仪实测的边长差值为-4.7cm～3.0cm，表明该方法生成的建筑立面图中最大边长误差约为4.7cm，满足建筑立面测绘成果需要。

3 结语

(1)针对常规建筑立面测量方法，存在难度大、人员要求多、效率低等问题，无人机倾斜摄影技术减少了野外的工作量，在周围无遮挡的建筑物外立面测量以及屋面平面形状测量中，具有很强的使用性。

(2)在实际工程应用中，立面测量采用的方法应根据项目大小和精度要求选择。全站仪方法效率低但精度高，适合城市房屋改造的项目。当建筑物立面数量较少时且精度要求高时，宜采用全站仪立面测量的方法；当测量的建筑物立面数量较大，周围较空旷且对三维实景有较高要求时，宜采用倾斜摄影测量技术进行测量。本文采取的是两种技术相结合的方法。

(3)无人机倾斜摄影测量成果数据非常丰富，能同时输出DSM(数字地表模型)、DOM(数字正射影像图)、DLG(数字线划地图)及点云数据成果 ,可为后续应用及其他技术融合提供可能。因此，该技术在城市建筑规划设计方面具有广阔的前景。