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无人机倾斜摄影技术制作建筑立面图方法研究

所属栏目:建筑设计论文 发布日期:2021-06-24 10:10 热度:

   近年来,美丽乡村建设和城市老旧小区改造发展迅速,然而由于各种原因,绝大部分老旧小区当时的设计图纸都已丢失,对老旧小区立面进行重新测量迫在眉睫[1-2]。传统的立面图制作是依靠全站仪进行采集,这种作业方式效率低、风险高、成本高,难以解决工期紧的问题。对于三维激光进行立面图采集,可有效解决效率低的问题,但是三维激光价格昂贵,获取的点云数据噪点多,需要进行滤波等相关操作,对作业人员技术水平要求高,也有一定的局限性[3-4]。随着无人机技术的迅速发展以及相机分辨率的不断提高,加上摄影测量软件算法的不断优化,倾斜摄影建模技术得到了迅速发展[5-6]。倾斜摄影通过多角度全方位的对地面进行拍摄,可以从多个角度获取建筑物侧面结构纹理信息,这让利用模型生产立面图成了可能[7-8]。本文主要介绍了倾斜摄影的原理,并以某城区道路两侧立面改造为例,通过外业数据获取、内业三维模型生产和立面图制作,对制作的立面图成果精度进行统计分析,得出基于无人机倾斜摄影技术制作的建筑立面图,能够满足建筑立面测绘精度的需求。

无人机倾斜摄影技术制作建筑立面图方法研究

  1无人机倾斜摄影技术介绍

  1.1无人机倾斜摄影原理

  无人机倾斜摄影测量是指在无人机飞行平台上挂载多个多角度非量测数码相机,从空中对地面进行拍摄获取地面影像数据[9]。目前主流的搭配为五镜头,即前视、后视、左视、右视和下视,四个侧视镜头主要获取建构筑物侧面纹理信息,这位立面测量提供了保障。下视镜头获取建筑物的顶部信息,避免航飞过低时建筑物顶部因重叠度不够而出现空洞[10]。五镜头侧视镜头夹角一般呈45度,由等边直角三角形可知,要完整获得测区边缘,则航线至少要外扩一个航高。

  1.2无人机倾斜摄影建模流程

  主要包括航摄之前的测区勘察、空域申请、航线规划、控制测量、航摄数据获取、空中三角测量、三维模型生产,具体详细流程见图1。测区勘察,主要是收集测区范围内已有的成果资料,比如高精度控制点,已有地形图,原有建筑物设计图纸等;空域申请是向有关部门申请空域,在得到批准后才可以作业,以免违规作业带来意外;航线规划是指按照要求在对面站软件里设置相关参数,如地面分辨率,重叠度等。

  2项目实例

  2.1测区概况

  测区位于城区主干道两侧,主要完成道路两侧立面图的制作,包括墙体面积、窗户面积等,便于后期对工作量进行精准计算,对改造方案进行更加合理的设计。道路两侧树木较少,建筑物可见度高,最高建筑物约100米。

  2.2外业数据获取

  结合建筑物高度,对测区进行多架次划分,并进行变高飞行,确保在安全飞行的前提下能够获得更高分辨率的影像。在航飞之前,首先对测区范围进行空域申请,在得到批准手续后,结合测区范围线,按照100米的距离均匀喷涂像控点点位并用GPS-RTK完成像控点坐标的采集。在地面站上设置航向、旁向重叠度均为85%,地面采样分辨率为0.015米,航摄时尽量保证在中午前后2小时内,确保了航摄成果的质量。

  2.3内业三维模型生产

  对获取的影像成果和POS数据进行整理,删除无效影像,利用匀光匀色软件,对全部像片进行调色,利用拖把更名器,对所有影像进行重命名。整理原始像控点数据,解算像控点成果。利用ContextCapture软件自检校功能,对少量影像进行空三解算,获得更加精确的相机参数。空中三角测量主要包括自由网平差和带着控制点的平差,自由网平差理论上是指没有任何约束的平差,也可以说是带着POS数据的平差。初次平差,主要依据POS数据,解算过程主要包括影像金字塔的创建、特征检测、特征提取、特征匹配、图像相似度计算、带着POS数据的平差调整。二次平差,是指带着像控点的平差,平差的结果是将POS下的虚拟坐标系转换到像控点坐标系下,使生产的实景三维模型具有准确的坐标。本次建模使用的是ContextCapture软件,该软件空三精度高、可集群作业、效率高、模型质量好。由于是多架次,后期需要对模型进行接边,因此需要设置两处原点坐标。一处是在重建下的空间框架里,这里的原点主要是确定瓦片命名起算位置的;另一处在空间参考系统下,这里的原点是确定模型坐标的,即模型发布的原点坐标。由于模型里面是小坐标,只有和原点的坐标求和,才可以得到真正的绝对坐标。为了后期模型接边,这里两处原点在所有的工程中都必须设置一样。

  2.4EPS软件立面图制作

  本次立面图制作使用的是北京清华三维的EPS5.0软件,该软件模块多,功能齐全,可以较好地生产并导出立面图成果。首先确定要生产立面图的对象,然后利用软件的“模型文件切割”功能,将需要制作立面图的建筑物从原有模型中分离出来,这样在采集立面的时候无遮挡,可使采集的立面图精度更高。通过调整透视投影,可以改变查看模型的角度,更有利于立面图的绘制,如图2,左侧四个图分别是右侧建筑物的四个视角下的立面图。

  3精度检测与评定

  利用南方数码公司的全站仪(测量精度为2+2ppm),对立面图中的线条随机抽取15条进行精度检测,检测结果见表1。对随机抽取的15条边长进行检测,检测结果中最大残差值为4.1cm,最小残差值为1.6cm,均满足建筑立面测绘产品的需求。实验结果表明,利用倾斜摄影技术来生产立面图,精度有保障,可以提高立面图生产速度,节约成本,是很实用的一种作业方式。本次精度可以满足建筑立面测绘需求,分析其原因主要是因为:(1)树木几乎对建筑物未遮挡,生产的模型几乎无拉花现象,结构完整;(2)采用的变高飞行作业方式获取数据,确保采集的影像分辨率够高;(3)利用软件自检校功能,对影像进行相机参数解算,得到精确的相机参数;(4)使用的建模软件算法完善,空三精度高,生产的模型质量好;(5)像控点够密,按照100米的距离布设像控点,使空三精度足够高。对于建筑物四周遮挡严重的区域,基于倾斜摄影模型生产立面图的作业方式是不可取的,可采用手持激光扫描仪,在地面上近距离对建筑物进行扫描,然后利用专业软件进行建筑物立面图的制作。结束语本文简单叙述了无人机倾斜摄影技术原理和实景三维模型的生产流程,并以实际项目为例,对本文提到的作业方式生产的立面图成果进行精度检测,结果表明本文提到的作业方式生产的立面图可以满足建筑立面对测绘产品的精度需求,为同行作业人员提提供了一种新的生产立面图的方法,可为从事立面图生产的人员提供一定的借鉴意义。

  参考文献

  [1]魏军,曹琴.基于倾斜摄影采集立面图方法的研究[J].数字技术与应用,2020,38(1):46+48.

  [2]曾远星.无人机倾斜摄影测量技术在建筑立面测量中的应用[J].福建建筑,2020,266(08):154-156.

  [3]李志远,李迪贵,王健等.旧城改造中建筑物立面快速提取方法[J].测绘通报,2021,(02):164-166.

  [4]胡月.无人机倾斜摄影测量技术在立面测量中的应用研究[J].世界有色金属,2019,(07):31-32.

  [5]胡开全,沈高钰.多基线数字近景摄影测量在街道立面测量中的应用探讨[J].城市勘测,2012,(01):48-51.

  作者:靳望

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