羅運(yùn)海，王國輝，陳運(yùn)貴，陳嘉成

(1.廣東工業(yè)大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，廣東廣州 510006;2.佛山市廣聯(lián)檢測技術(shù)有限公司，廣東佛山 528300)

古建筑往往由于時(shí)間久遠(yuǎn)而建造時(shí)的施工圖紙大都完全遺失或是殘缺不全，一旦受到意外破壞(如火災(zāi)、地震倒塌)，要想重建會(huì)遇到很大困難。因此，建筑圖測繪是古建筑保護(hù)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。為了保護(hù)和維修具有文物價(jià)值的建筑，需要繪出建筑圖。建筑立面圖是建筑圖重要組成，建筑立面圖描述建筑物外觀形態(tài)信息及各門、窗與墻面布局的位置關(guān)系。

測繪建筑物建筑立面圖的傳統(tǒng)方法有常規(guī)測量方法、近景攝影測量方法、激光三維掃描方法等。常規(guī)測量方法比較簡單，但是每一次量測所采集建筑物立面的信息較少，且耗用大量時(shí)間。尤其是對特殊形式的古建筑物或歐式建筑，其立面上的復(fù)雜腳線、浮雕、裝飾曲線等就很難完整地測繪出來。激光三維掃描方法可以獲取豐富的建筑物立面信息，但是數(shù)據(jù)處理需要專用軟件，也需要耗用大量的內(nèi)業(yè)時(shí)間，且設(shè)備費(fèi)用昂貴。近景攝影測量方法可快速獲取建筑物立面的空間信息，但采用傳統(tǒng)的近景攝影測量方法需要專用的相機(jī)，且測量條件要求比較苛刻，要求有固定設(shè)站構(gòu)成固定基線，還需要用常規(guī)測量方法進(jìn)行控制測量，對城市中心樓群密集，場地狹小的情況不易實(shí)施［1］。為解決這些問題，本文介紹一種手持普通數(shù)碼相機(jī)采集建筑物立面信息，使用數(shù)字化近景攝影測量系統(tǒng)軟件繪制立面圖的方法。該方法既不受場地條件限制，又不需要專用儀器設(shè)備，能方便、快捷地采集信息，翔實(shí)和精確地測繪出建筑立面。

1 基本理論

用普通數(shù)碼相機(jī)采集建筑物立面信息及繪制立面圖，主要采用數(shù)字化近景攝影測量和計(jì)算機(jī)輔助制圖原理。數(shù)字化近景攝影測量基本原理就是根據(jù)圖1中目標(biāo)點(diǎn)A及其像點(diǎn)a和攝影中心M共線，按P-H算法［2］可以得到像點(diǎn)a的像空間坐標(biāo)與其相應(yīng)目標(biāo)點(diǎn)A和攝影中心M的物方空間坐標(biāo)的關(guān)系為

式中，x，y為目標(biāo)點(diǎn)的像坐標(biāo);f為相機(jī)主距;X，Y，Z為目標(biāo)點(diǎn)的物方空間坐標(biāo);XS，YS，ZS為攝影中心的物方空間坐標(biāo)，S為比例因子，R為旋轉(zhuǎn)矩陣，其表達(dá)式為

式中，

圖1 像空間坐標(biāo)與物方空間坐標(biāo)的關(guān)系

數(shù)字化近景攝影測量系統(tǒng)自動(dòng)將測量得到的建筑物特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)輸入到AutoCAD軟件系統(tǒng)，再根據(jù)繪圖需要選擇投影平面，將相關(guān)特征點(diǎn)連接成直線或曲線，輸入比例尺，繪出立面圖。

2 實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用實(shí)例

用普通數(shù)碼相機(jī)采集建筑物立面信息及立面圖繪制所需的硬件設(shè)備是計(jì)算機(jī)和數(shù)碼相機(jī)，軟件系統(tǒng)是數(shù)字化近景攝影測量系統(tǒng)。本次試驗(yàn)采用的數(shù)碼相機(jī)為佳能ixus 230 hs，有效像素為1 210萬，鏡頭標(biāo)稱焦距為28 mm，28 mm廣角。

2.1 相機(jī)焦距和鏡頭畸變的檢測

為了提高近景攝影測量的精度，對相機(jī)的焦距進(jìn)行了檢測，以確定標(biāo)稱焦距與實(shí)際焦距的差別，以便確定其對近景攝影測量的影響程度［3］。首先選擇一平整墻面，測量其上兩標(biāo)志點(diǎn)間的距離D，并測量攝影中心到墻面的垂直距離L，當(dāng)量測出相應(yīng)于該兩標(biāo)志點(diǎn)的相面距離d后，實(shí)際焦距f公式為

若數(shù)碼相機(jī)是自動(dòng)變焦時(shí)，可利用數(shù)字化近景攝影測量系統(tǒng)擬合出相機(jī)的最佳焦距。

為了減少數(shù)碼相機(jī)鏡頭畸變對攝影測量精度的影響，提高像片量測精度，需要對鏡頭畸變進(jìn)行檢測，計(jì)算出鏡頭畸變改正系數(shù)，進(jìn)而施加鏡頭畸變改正。本次試驗(yàn)選用的鏡頭畸變改正的數(shù)學(xué)模型［4］為

式中，x改，y改為施加鏡頭畸變改正后的像點(diǎn)像坐標(biāo);x，y為量測的像點(diǎn)平面坐標(biāo);r為像點(diǎn)到像片中心的像徑，即 r2=x2+y2，k1，k2，k3為鏡頭畸變改正系數(shù)。

在相機(jī)鏡頭畸變檢測實(shí)驗(yàn)室，根據(jù)已知坐標(biāo)和已知參數(shù)計(jì)算出各點(diǎn)的像空間坐標(biāo)的理論值，進(jìn)而按式(3)計(jì)算出鏡頭畸變改正系數(shù) k1，k2，k3。將未施加鏡頭畸變改正計(jì)算得到的未知點(diǎn)物方空間坐標(biāo)和施加鏡頭畸變改正后測算坐標(biāo)，分別與它們的理論坐標(biāo)進(jìn)行比較，限于篇幅，僅以部分點(diǎn)的結(jié)果列于表1和表2。

表1 未知點(diǎn)未施加鏡頭畸變測算坐標(biāo)與理論坐標(biāo)對比

表2 未知點(diǎn)施加鏡頭畸變改正后的測算坐標(biāo)與理論坐標(biāo)對比

將測算坐標(biāo)與已知坐標(biāo)的差值看做真誤差，未施加鏡頭畸變改正測算得到的物方空間坐標(biāo)的中誤差分別為σx=2.91 mm，σy=11.16 mm，σz=3.40mm，施加了鏡頭畸變改正后測算得到的物方空間坐標(biāo)中誤差分別為 σx=1.61 mm，σy=6.95mm，σz=1.18 mm。從表1和表2的結(jié)果對比可以看出，經(jīng)過施加改正數(shù)后，x，z軸方向測算坐標(biāo)中誤差提高了約2 mm。另外，物方空間坐標(biāo)Y軸方向與建筑物的正立面垂直，其誤差對立面圖影響可以不考慮。

2.2 試驗(yàn)的流程

量取基準(zhǔn)長度和已知邊長→拍照→照片數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)→量測像點(diǎn)坐標(biāo)→輸入計(jì)算參數(shù)→計(jì)算、輸出各點(diǎn)物方空間坐標(biāo)→繪制立面圖。

2.3 特征點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與立面圖的繪制

用數(shù)字化近景攝影測量系統(tǒng)計(jì)算出建筑物特征點(diǎn)(房角、門和窗戶角點(diǎn)等)的物方空間坐標(biāo)(dat.cor文件)，輸入AutoCAD，根據(jù)各特征點(diǎn)之間的位置關(guān)系直接繪制立面圖。

建筑立面圖的內(nèi)容主要包括圖名、比例及建筑物朝向，建筑物立面的外輪廓線形狀、大小，外墻上建筑構(gòu)配件(如門窗、陽臺(tái)、雨水管)，外墻面的裝飾，立面高程等。因此，應(yīng)選取能表達(dá)建筑立面圖內(nèi)容的關(guān)鍵點(diǎn)作為特征點(diǎn)來量取。

2.4 應(yīng)用實(shí)例

以某工商銀行建筑物為例，驗(yàn)證使用普通數(shù)碼相機(jī)采集建筑物立面信息及繪制正立面圖。

在建筑物立面信息采集中，手持?jǐn)?shù)碼相機(jī)從多個(gè)角度對工商銀行的正立面進(jìn)行整體和局部的拍攝，每個(gè)拍攝點(diǎn)拍攝若干張像片，本次試驗(yàn)共拍照12張。整個(gè)拍攝過程不設(shè)站，不布控制點(diǎn)，要求每兩張像片之間有60%以上的重疊度，某工商銀行拍攝的圖片如圖2所示。

圖2 某工商銀行圖片

使用數(shù)字化近景攝影測量系統(tǒng)測算出建筑物特征點(diǎn)的像坐標(biāo)如表3所示。

為了檢驗(yàn)測量精度，在實(shí)際應(yīng)用中用鋼尺量取該工商銀行建筑物的總寬度和門的高度，分別和坐標(biāo)反算的結(jié)果對比，檢驗(yàn)出其誤差范圍在±1 cm以內(nèi)。

表3 部分特征點(diǎn)的物方空間坐標(biāo) m

將建筑物正立面各特征點(diǎn)的相關(guān)坐標(biāo)輸入到AutoCAD軟件中，按1∶100的比例繪制立面圖，其步驟如下:連結(jié)同一立面中位于同一直線上的特征點(diǎn)，繪制外墻輪廓線、門窗洞口和地坪線→對不同材質(zhì)的部件進(jìn)行圖案填充，初步還原建筑物外貌特征→添加尺寸標(biāo)注、立面高程和相應(yīng)文字說明→添加圖框、標(biāo)題欄，并填寫標(biāo)題，最終繪制出某工商銀行建筑立面圖，如圖3所示。

圖3 某工商銀行正立面(單位:m)

3 結(jié)語

用普通數(shù)碼相機(jī)結(jié)合數(shù)字化近景攝影測量系統(tǒng)來繪制建筑立面圖得出的長、高尺寸精度能達(dá)到±1 cm以內(nèi)，能夠滿足立面圖繪制的精度要求。該方法成本低、便攜，避免了復(fù)雜的外業(yè)，不易受溫度變化、振動(dòng)等外界因素的干擾。特別是對于古建筑的保護(hù)，利用普通數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行近景攝影測量，具有很好的發(fā)展前景。

［1］馮文灝.非地形攝影測量［M］.北京:測繪出版社，1985.

［2］譚燕，鄒崢嶸.近景攝影測量中不測定初始值的旋轉(zhuǎn)矩陣構(gòu)成方法研究［J］.測繪科學(xué)，2009(9):28-31.

［3］石栓虎.近景攝影測量精度影響因素分析［J］.交通科技，2009(3):63-64.

［4］馬莉，王國輝，李錦城，等.數(shù)碼相機(jī)鏡頭畸變對變形監(jiān)測精度的影響及其改正方法［J］.鐵道建筑，2006(11):106-108.