張春明 榮 幸

（吉林市測繪院,吉林 吉林 132011）

0.引言

目前采用三維建模的方式對歷史建筑的現(xiàn)狀進(jìn)行記錄、存檔大致經(jīng)歷了三個階段：第一階段是以人工建模為主的三維模型構(gòu)建方式，這種建模方式工序繁瑣，效率低，模型表達(dá)效果一般；第二階段是利用三維激光掃描技術(shù)來構(gòu)建模型，這種方式無需接觸觀測對象,精度高，并且能夠快速連續(xù)進(jìn)行掃描，使得三維激光掃描成為一種主要的三維模型構(gòu)建方式。同時三維激光掃描技術(shù)也面臨一定的問題：其外業(yè)自動化程度高，但內(nèi)業(yè)處理繁瑣；生產(chǎn)周期長，效率低，生產(chǎn)成本高；建筑物頂部存在掃描肓區(qū)，軟件處理效率偏低，適用于小體量的精細(xì)模型構(gòu)建。第三階段是利用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)來構(gòu)建三維實景模型。

采用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)建立三維實景模型，不僅大大降低了三維建模的生產(chǎn)成本，而且提高了生產(chǎn)效率，使得快速建立高精度三維模型的想法得以實現(xiàn)。本文主要探討了利用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)來快速構(gòu)建城市歷史建筑三維實景模型的方法，對方案選擇、空地融合方式處理、內(nèi)業(yè)建模修模、立面圖制作的全技術(shù)流程進(jìn)行了介紹，形成了完整詳細(xì)的技術(shù)方案，并對核心技術(shù)要點進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

1.傾斜攝影測量關(guān)鍵技術(shù)

1.1 像片重疊度保證

按照《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》要求，“航向重疊度一般應(yīng)為60%～80%，最小不小于53%；旁向重疊度一般應(yīng)為15%～60%，最小不小于8%”。在無人機(jī)傾斜攝影建模時，上述重疊度是明顯不夠的。多層建筑和高差變化小的區(qū)域作業(yè)時，航向、旁向重疊度最低應(yīng)不小于70%。建筑密集區(qū)域影像重疊度最大可設(shè)計為80%～90%，必要時還可以采用交叉飛行方案增加觀測數(shù)據(jù)，有效解決建筑物相互遮擋問題。影像重疊度的增加同時會帶來數(shù)據(jù)量的增大和處理效率的降低，在方案設(shè)計時要二者兼顧。

1.2 攝區(qū)邊界覆蓋保證

按照《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》要求，“航向覆蓋超出攝區(qū)邊界線應(yīng)不少于兩條基線。旁向覆蓋超出攝區(qū)邊界線一般不少于像幅的50%，這在無人機(jī)傾斜攝影時是明顯不夠的。理論上要求邊緣地物與測區(qū)中心的特征點一樣，可以在像片的任意位置顯示?？紤]到測區(qū)的高差等情況計算航線外擴(kuò)的寬度。如式（1）所示：

1.3 航高設(shè)計要求

航高根據(jù)航攝區(qū)域樓高、地面分辨率、現(xiàn)場周邊情況綜合考慮計算。如式（2）所示：

1.4 精度指標(biāo)確定

目前針對三維模型方面的相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)主要有《城市三維建模技術(shù)規(guī)范》（CJJ/T 157-2010）、《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》（GB/T 7930-2008）、《傾斜數(shù)字航空攝影技術(shù)規(guī)程》（CH/T 3021-2018）、《三維地理信息模型生產(chǎn)規(guī)范》（CH/T 9016-2012）。結(jié)合歷史建筑建模的特點及要求，可以按照《城市三維建模技術(shù)規(guī)范》3.1.3 中規(guī)定（如表1 所示）的精細(xì)模型平面尺寸和高度精度不宜低于0.2m 的要求進(jìn)行模型生產(chǎn)。

表1 《城市三維建模技術(shù)規(guī)范》中模型分類精度表

2.工程實例分析

2.1 傾斜攝影建模

2.1.1 工程概況

某歷史建筑位于市中心，為磚瓦結(jié)構(gòu)，外掛水泥面的多層建筑，坐北朝南，通長約80m，寬約20m。周圍樓房林立，緊鄰西側(cè)有百米高層建筑，飛行環(huán)境復(fù)雜。

2.1.2 軟硬件設(shè)備準(zhǔn)備

硬件：大疆創(chuàng)新DJ“IPhantom 4Pro”無人機(jī)；計算機(jī)服務(wù)器集群。

軟件：Context Capture 建模軟件；DP-Modeler 修模軟件；3DMax、PhotoShop、Autocad 繪圖軟件。

2.1.3 建模流程

外業(yè)正式作業(yè)前需要收集、整理歷史建筑的相關(guān)資料，對建筑的周邊情況進(jìn)行實地踏查確認(rèn)，研究選擇適合的飛行方案進(jìn)行航線設(shè)計、行高計算及重疊度的確定等工作。同時研究確定地面數(shù)據(jù)采集方法，將地面數(shù)據(jù)與空中影像進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理建模。模型建立后利用修模軟件對模型局部缺陷進(jìn)行修飾，配合CAD、3DMAX 等軟件制作立面圖，結(jié)合現(xiàn)場建筑內(nèi)部實測數(shù)據(jù)制作建筑剖面圖。建模技術(shù)流程（如圖1 所示）：

2.1.4 航高設(shè)計

根據(jù)測區(qū)及周邊建筑情況，選用DJ“IPhantom 4Pro”無人機(jī)進(jìn)行外業(yè)傾斜拍攝，地面分辨率優(yōu)于0.05m，根據(jù)公式（2）計算相對行高為：

h=f×GSD/a=35mm×0.05m/4.52um=387m

即在相機(jī)正射地面時，相對航高最大不超過387m。由于拍攝時相機(jī)傾角設(shè)定為45°傾斜，為滿足地面分辨率優(yōu)于5cm，故飛機(jī)飛行高度不得大于273m。本次相對行高設(shè)定為250m。

2.1.5 航攝影像獲取

無人機(jī)進(jìn)行外業(yè)傾斜拍攝時，設(shè)定空中傾斜攝影測量航向重疊80%，旁向重疊為70%，飛行時按DJI“Phantom 4Pro”自帶飛控軟件選擇傾斜攝影模式進(jìn)行飛行。飛行結(jié)束后對相片的質(zhì)量進(jìn)行檢查，相片反差、色彩、色調(diào)是否符合要求，是否能辨別與地面分辨率相適應(yīng)的細(xì)小地物影像，有漏飛的地方及時補(bǔ)飛。

2.1.6 地面補(bǔ)充拍攝

為避免由于角度、遮擋、反光等問題使建筑部分側(cè)面紋理信息丟失，模型出現(xiàn)空洞、扭曲、變形等問題，考慮周邊環(huán)境、復(fù)雜程度及效率因素，決定采用地面補(bǔ)充拍攝照片的方式來實現(xiàn)空地聯(lián)合建模。地面補(bǔ)充拍攝分兩個階段進(jìn)行：第一階段是地面2 層以上建筑立面采用大疆“Phantom 4Pro”無人機(jī)手控環(huán)繞飛行進(jìn)行拍照，按照建筑物立面范圍布設(shè)航線，每個拍攝點獲取3張照片，視角分別為上傾45°、垂直立面正射、下傾45°，保證航向重疊不低于80%，旁向重疊不低于70%，距建筑物立面10m-30m，分辨率優(yōu)于2cm。第二階段是采用人工站立手持“Phantom 4Pro”無人機(jī)對首層建筑進(jìn)行拍照。拍照時要將無人機(jī)的螺旋槳卸掉，確保安全。地面拍攝時要保證重疊度不低于80%，對同一位置從不同角度拍攝3 次，連續(xù)照片的拍攝角度不超過15°。每個拍攝點獲取2 張照片，視角分別為上傾45°、垂直立面正射，保證不遺漏細(xì)節(jié)。

2.1.7 空地聯(lián)合建模

聯(lián)合建模最核心的問題就是如果相機(jī)地面拍攝的照片沒有坐標(biāo)信息，拍攝角度、分辨率與傾斜相片差異較大，影像共同匹配就會很困難，需要通過人工為照片增加聯(lián)接點的方式來實現(xiàn)空三聯(lián)合平差。本次采用手持大疆無人機(jī)拍攝地面照片的方式來進(jìn)行聯(lián)合建模，有效解決了這一問題。大疆無人機(jī)自帶POS 系統(tǒng)，在空三解算時能夠更好地和傾斜攝影數(shù)據(jù)融合到一起解算，減少了相機(jī)拍攝時手工選擇聯(lián)接點的步驟，人為干預(yù)更少、效率更高、精度更好。建好的實景三維模型和局部細(xì)節(jié)展示（如圖2 所示）：

圖2 實景三維模型

2.2 模型修飾

建好的模型局部細(xì)節(jié)仍會存在瑕疵，影響模型質(zhì)量和立面圖繪制精度，需要導(dǎo)入DP-Modeler 軟件對模型進(jìn)行修飾。修模具體步驟如下：

2.2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

將空三文件（.xml 格式）、原始影像（.jpeg 格式）、三維模型（.osgb 格式和.obj 格式）準(zhǔn)備好。

2.2.2 新建項目

導(dǎo)入準(zhǔn)備數(shù)據(jù)（空三與影像對應(yīng)上，分別導(dǎo)入.osgb、.obj 格式三維模型）。

2.2.3 修模

紋理修改：選擇建筑→選擇需要修改的模型的瓦片→需要修改的面→自動紋理映射→選擇需要修改的紋理→相機(jī)視圖→圖片編輯軟件（PS）修改并保存→重新加載。

補(bǔ)洞：選擇建筑→選擇需要補(bǔ)的面→自動補(bǔ)洞→修改并保存→重新加載。

2.2.4 導(dǎo)出成果：解決方案資源管理器→DP-Modeler 文件→右鍵→批量導(dǎo)出。

模型修復(fù)前后對比效果（如圖3、圖4 所示）：

圖3 模型一修模前

圖4 模型一修模后

通過模型修復(fù)前后效果對比可以看出，玻璃、墻面等出現(xiàn)局部破損、拉花、扭曲現(xiàn)象的部位，通過DP-Modeler 軟件處理后模型效果得到很大改善，為后續(xù)立面圖繪制提供了更好的模型基礎(chǔ)。

2.3 立面圖繪制

利用3ds Max、Autocad 軟件繪制立面圖和剖面圖。具體作業(yè)流程如下：

（1）打開3ds Max 軟件→導(dǎo)入模型數(shù)據(jù)→選擇前視視圖圖框→調(diào)節(jié)為正交模式一致的色彩（去掉建筑陰影）→調(diào)整好需要截取的立面影像位置。

（2）打開3ds Max 軟件中的渲染器—設(shè)置渲染視圖→設(shè)置為調(diào)整好的截取范圍→設(shè)置渲染輸出（一般為 1920×1080、RGB Alpha、tif 格式）→保存視圖→選擇保存路徑。

（3）打開Autocad 軟件→插入光柵圖像→按比例縮放→圖像矢量化→添加建筑標(biāo)識→制作圖框圖名→立面矢量圖。立面圖成果（如圖5 所示）：

圖5 立面圖

（4）剖面圖采用測距儀內(nèi)部量測結(jié)構(gòu)尺寸用

Autocad 繪制（如圖6 所示）：

圖6 剖面圖

2.4 精度分析

傾斜模型上的任意位置都包含三維位置信息，可以進(jìn)行量測計算?，F(xiàn)場實測邊長與三維模型量測邊長對比（如表2 所示），高度對比（如表 3 所示）：

表2 邊長精度統(tǒng)計表

表2 邊長精度統(tǒng)計表

從以上數(shù)據(jù)可以看出，邊長較差最大0.09m，最小0.04m；高度較差最大0.11m，最小0.05m，滿足規(guī)范要求。

3.難點分析

（1）歷史建筑大多分布在建成區(qū)，很多目前仍作為辦公、生產(chǎn)、生活場所，周圍建筑物密集，人流車流大，飛行安全是首要問題，飛行前應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場踏勘，充分了解周邊環(huán)境，選擇有經(jīng)驗的飛手并做好應(yīng)急預(yù)案。

（2）傳統(tǒng)地面數(shù)據(jù)采集方式多采用數(shù)碼相機(jī)來拍攝照片，這類照片沒有POS 信息，在與無人機(jī)數(shù)據(jù)融合匹配時需要人為干預(yù)且容易出現(xiàn)問題。采用人工站立手持無人機(jī)方式對建筑進(jìn)行拍照與地面相機(jī)拍攝照片相比，在空三解算時能夠更好地和傾斜攝影數(shù)據(jù)融合到一起進(jìn)行聯(lián)合解算，人為干預(yù)更少，效率更高，精度更好。

（3）傾斜攝影測量數(shù)據(jù)量大，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理對計算機(jī)性能要求高，有條件的話可以建立服務(wù)器集群進(jìn)行并行處理。

4.結(jié)束語

通過具體案例從外業(yè)飛行、空地融合處理、內(nèi)業(yè)建模修模、立面圖制作的全技術(shù)流程進(jìn)行了詳細(xì)論述，為后續(xù)實際項目應(yīng)用提供了完整詳細(xì)的技術(shù)方案。經(jīng)數(shù)據(jù)驗證，模型精度達(dá)到了《城市三維建模技術(shù)規(guī)范》對精細(xì)模型的精度要求，可以在歷史建筑測繪生產(chǎn)中進(jìn)行推廣應(yīng)用。今后，如果能將傾斜攝影測量技術(shù)和BIM相結(jié)合，建立內(nèi)外一體，高精度、全要素的歷史建筑三維模型，將為歷史建筑的保護(hù)利用提供更完整、豐富的數(shù)據(jù)信息。