无人机倾斜摄影在建筑立面测绘中的应用及工程实例

冯文娟，康宏民

（山东兖矿设计咨询有限公司，山东 邹城 273500）

0 引言

相较于无人机测绘，传统测绘，成图精度高，但测绘工期比较长，人工外业工作量大，勘测成本较高，成图速度慢。它的测绘产品比较单一，测绘数据内业处理对软件要求比较低，一般采取CAD等数字绘图软件即可绘制成各种比例尺的地形图。前期准备工作时间比较多，具体外业测绘时，尤其在比较危险的地理环境，人员安全性低，需要做好各种防护。

无人机是一种由动力驱动、无人驾驶可重复使用的航空器的简称Unmanned aerial vehicle[1]。它具有实时定位、使用方便的优点。成图精度受摄像头分辨率限制，测绘工期短，尤其在大面积大工程量测绘时，该优势体现明显。人工外业工作量很小，仅需要采集少量外业像控点或遮挡严重地区进行补测。成图速度快，但数据内业需要处理大量的信息，比如进行航摄影像纠正、空三加密软件及立体测图软件等，内业工作量相对加大，且对电脑软件配置要求比较高。测绘产品丰富，一次航测可制作成DLG、DOM、DEM等多种产品。前期准备时间少，工程响应时间迅速。安全性高，受环境限制少。

1 无人机测绘作业流程

无人机测绘成图主要分为外业测绘和内业数据处理两大部分。就工作量分配和完成时间来说，内业处理占比相对大些。前者是后者的前提和保障，后者是前者的最终表现。本文以兖矿集团“三供一业”项目为例，详细阐述无人机倾斜摄影在建筑立面测绘工作的具体实现。

1.1 外业测量流程

外业工作以安全高效完成测区拍摄为目的，要注意遮挡物、禁飞区、风速影响、测区大小合理性等问题，严格按照技术要求布置相控点、检查点，以保证测绘质量。外业工作与传统测绘相比看似简单了，但每一步操作都有需要特别注意的事项。现场踏勘过程中，注意避开高大建构筑物，需要在绘制飞行路线时优化布置。像控点布设则要注意分布均匀，明显突出于周围地物。像控点布设的好坏直接影响到内业成图质量。飞行过程中要时刻注意电池剩余电量、摄像头角度、飞行速度等参数，做好应急处理。飞行即将结束时，注意落地点是否避开行人、车辆等遮挡物。具体工作流程如图1：

图1 外业工作流程

在野外环境中，存在大量树木遮挡的情况，会造成山体实际地面、坡坎、山沟等位置的信息采集盲区，解决此问题可使用大疆精灵4无人机对低空树下区域进行手动控制拍摄，将拍摄的照片加入其它照片中联合建模，可有效改善摄影盲区的建模质量。

1.2 内业数据处理

对于建筑立面测图工作，内业处理起来相对复杂一些。传统空三测量对倾斜影像数据处理效果不理想，所以需要结合飞机传感器提供的POS外方位元素数据进行联合平差，同时结合现场布设的控制点进行联合平差，通过误差方程解算出影像的外方位元素，以前方交会的形式求出点位的三维坐标[2]。

在建模处理成3D模型后，需要在三维测图软件中进行数据加工，绘制出图。对于简单建筑，只需绘制4个立面图，提取出每个立面的门、窗、楼檐尺寸和位置等信息绘制到图中。目前的三维测图软件中，提取简单建筑三维信息的功能已经比较完善，但对于复杂建筑、外形特殊建筑，需要更专业的软件才能实现。三维测图具体工作流程总结如下：

图2 三维立体测图流程

2 应用案例

2.1 项目概况

兖矿集团职工家属区“三供一业”分离移交物业维修工程自2018年实施，“三供一业”是指家属区的供水、供电、供暖项目和物业项目，具体包括供水管路更换、供暖管道支架加固、供电系统维修完善、地面修整、外墙粉刷等工程。对屋面防水进行维修，按照轻重缓急的原则，分期分批次进行。

该工程家属区数量众多，楼型不一，且分散于各矿及城区。2018-2020年已累计维修楼栋近七百栋、居民区数量近50个。该项目需要测量的数据要素繁杂，主要包括水电暖管线测量、家属楼立面测量，楼顶防水工程的测量以及各小区地形图的测绘。时间紧任务重，除去设计，施工所需要的时间，留给测绘时间极短。如果采用传统GPS、全站仪等测量方法，该任务在人员少、工期短的情况下是不可能完成的。本项目利用无人机倾斜摄影技术，后期配合三维测图软件绘制出图，最终按时完成此次测量工作。

2.2 采用仪器设备及测图软件

该项目采用的测绘仪器主要有：

GPS：本工程采用南方测绘RTK，支持北斗+GPS等多系统联合定位，进行像控点现场精确定位。

无人机：本工程采用飞马D2000多旋翼测绘无人机，倾斜五镜头相机拍摄，航片拼图较少，精度可满足工程要求。通过手机端奥维浏览器即可制定飞行路线，并可导入到飞马软件中，操作简单方便。

建模软件：可选择CongtextCapture等软件进行建模，检查所有控制点在照片上的位置和坐标数据，完成空三测量[3]。

绘图软件：需选择具有立体测图模块的软件，如CASS-3D、EPS 5.0等。此类测图软件是通过加载倾斜影像、垂直影像获取的实景表面模型、点云数据进行矢量数据采集的测绘地理信息软件系统[4]。

2.3 测绘成果

以兖矿集团位于邹城市的汇梅小区为例，下图为该小区局部实景三维模型图。可首先在正射模式下完成平面图的测绘。然后在立体测图模式中，进行立体测图的绘制。在该模型中可以进行旋转查询、裁剪、透视、量测等操作并绘制立面图。

图3 汇梅北区实景三维模型

图4 立体绘图输出为DWG格式

3 结论

综上来看无人机优势明显，能满足社会发展对该小区内需量测出图的楼共27栋，楼型有15个。对于重复楼型，可在模型中选择遮挡较少、光线清楚的楼栋进行测绘。下图以该小区42号楼为例，分别进行东、西、南、北4个立面及平面图的绘制。这样就可以直接计算出立面粉刷面积及楼顶防水面积，大大减少了外业测绘量。但需要提出的是，本项目中对于管线支架、围墙等要素的测量，由于局部受树木等遮挡严重，还需现场查明、补测。数据更新的要求，在国家经济建设中发挥越来越突出的优势。需要指出的是在精细测绘、变形控制等方面，目前还不能满足很高精度的要求。但随着影像技术和飞行器技术的发展，这些问题都会很快得以解决。目前随着无人机分辨率的增强以及续航能力的提升，该技术被应用在社会生产的多个领域。可具体应用于农村土地确权、石油管道、输电线路巡线、矿山资源开发、地质监测等。它很好的解决了传统测绘面临的问题，无人机航测成为地形图测绘的新趋势。