盛 輝,池海旭,段政明,曾 喆,馮建偉
(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東),山東 青島 266580)
在建筑附屬設(shè)施的施工測(cè)量中,傳統(tǒng)方法是通過全站儀等設(shè)備來完成。何屹雄[1]等利用全站儀完成了建筑立面的測(cè)繪,降低了立面測(cè)量的成本并提高了作業(yè)效率;但憑借全站儀完成建筑物附屬設(shè)施的施工測(cè)量通常需要多人協(xié)同工作,對(duì)于某些不規(guī)則且特征點(diǎn)多的建筑物附屬設(shè)施,施測(cè)難度大,外業(yè)采集的數(shù)據(jù)量過大,內(nèi)外業(yè)工作量依然繁重。傾斜攝影測(cè)量技術(shù)通過平臺(tái)上搭載的傳感器從低空垂直、傾斜等不同角度攝影測(cè)量目標(biāo)物體,進(jìn)而獲得高分辨率的影像。目前該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于城市管理、變形監(jiān)測(cè)、應(yīng)急指揮等領(lǐng)域,如鄭史芳[2]等將攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)中,建立的三維模型為地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)的預(yù)警提供了強(qiáng)有力的依據(jù);但在建筑附屬設(shè)施測(cè)量中的應(yīng)用尚少。本文利用基于多旋翼消費(fèi)級(jí)無人機(jī)的傾斜攝影測(cè)量技術(shù)構(gòu)建了某圖書館雨棚的三維模型,進(jìn)而分析該技術(shù)在獲取雨棚框架尺寸方面可達(dá)到的精度。
基于無人機(jī)的建筑附屬設(shè)施施工測(cè)量作業(yè)分為外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理兩個(gè)部分(圖1)。無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)主要包括飛行控制平臺(tái)、傾斜攝影相機(jī)和飛行數(shù)據(jù)處理軟件3 個(gè)部分。無人機(jī)按照作業(yè)用途可分為消費(fèi)級(jí)無人機(jī)和專業(yè)級(jí)無人機(jī),按照機(jī)翼形式可分為多旋翼和固定翼,其中多旋翼消費(fèi)級(jí)無人機(jī)憑借其價(jià)格低廉、體量小、機(jī)動(dòng)性和靈活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用。利用多旋翼消費(fèi)級(jí)無人機(jī)可進(jìn)入一些作業(yè)條件困難的區(qū)域,采集常規(guī)方法不能獲取的影像數(shù)據(jù)信息,進(jìn)而快速建立直觀、可靠的三維實(shí)景模型,為工程建設(shè)或其他城市管理的相關(guān)工作提供地理信息數(shù)據(jù)。
圖1 基于無人機(jī)的建筑附屬設(shè)施測(cè)量流程圖
針對(duì)不同的建筑附屬設(shè)施采用不同型號(hào)類別的無人機(jī)設(shè)備,本次實(shí)驗(yàn)采用大疆消費(fèi)級(jí)四旋翼無人機(jī)Phantom 4 Pro。該無人機(jī)穩(wěn)定、安全、靈活,且具有視距提示系統(tǒng)、GPS 定位系統(tǒng)和IMU 慣導(dǎo)系統(tǒng),拍攝的照片中具有POS 數(shù)據(jù)。無人機(jī)搭載相機(jī)視場(chǎng)角為84°、有效像素為2 000 萬、等效35 mm 相機(jī)標(biāo)準(zhǔn)焦距、f/2.8~f/11 帶自動(dòng)對(duì)焦的云臺(tái)相機(jī)。由于建筑附屬設(shè)施周邊環(huán)境復(fù)雜,為了使數(shù)據(jù)充分且保證設(shè)備安全,以垂向飛行航線搭配70%~80%的航向和旁向重疊度的方式來保證影像數(shù)據(jù)質(zhì)量,抵近附屬設(shè)施3 m左右的距離進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。影像數(shù)據(jù)采集前,在龍骨框架上設(shè)置若干個(gè)檢查點(diǎn),以便評(píng)價(jià)三維模型精度。
對(duì)獲取的多角度、mm 級(jí)、高重疊率的照片數(shù)據(jù)進(jìn)行整理檢查,然后利用三維建模軟件進(jìn)行目標(biāo)物模型的精細(xì)構(gòu)建。數(shù)據(jù)處理主要包括照片預(yù)處理、空中三角測(cè)量、多視影像密集匹配和三維產(chǎn)品模型構(gòu)建等步驟。
1)空中三角測(cè)量和模型尺度信息添加??罩腥菧y(cè)量又稱空三加密,是在攝影測(cè)量中,以嚴(yán)密的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ),通過照片上量測(cè)的像點(diǎn)來求算其他所需加密點(diǎn)坐標(biāo)的過程[3],是無人機(jī)影像內(nèi)業(yè)處理的關(guān)鍵部分。傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)以原始POS 數(shù)據(jù)為初始參數(shù),結(jié)合相機(jī)文件和影像信息,通過由粗到精的多層影像金字塔式的自動(dòng)匹配方式,在每層金字塔影像上提取一一對(duì)應(yīng)的特征點(diǎn),并在每層影像上利用同名連接點(diǎn)進(jìn)行整體區(qū)域網(wǎng)光束法平差,得到同名點(diǎn)的匹配結(jié)果;同時(shí)為了確保平差精度,建立了連接點(diǎn)、控制點(diǎn)和IMU 輔助數(shù)據(jù)的多視角影像聯(lián)合解算[4-5]。內(nèi)部處理流程如圖2 所示。
圖2 空三加密過程
Smart-3D 軟件采用最嚴(yán)密且精度最高的光束法區(qū)域網(wǎng)平差方法,以中心投影的共線方程為平差基礎(chǔ)方程[6],以攝影光束為基本單元來實(shí)現(xiàn)模型之間光束的最佳交會(huì),從而反算得到加密點(diǎn)的地面坐標(biāo)和外方位元素。將影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入Smart-3D 軟件中,自動(dòng)進(jìn)行空三加密并得到每張影像的位置和姿態(tài)角信息。
根據(jù)外業(yè)數(shù)據(jù)采集設(shè)置的檢查點(diǎn),按照各檢查點(diǎn)的空間分布情況,在照片上選取恰當(dāng)?shù)臋z查點(diǎn)作為尺度標(biāo)識(shí)點(diǎn)(A、B、C)進(jìn)行刺點(diǎn)作為尺度約束點(diǎn),依次為a、b、c,并根據(jù)外業(yè)量測(cè)的實(shí)際距離設(shè)置約束點(diǎn)之間的距離。其他檢查點(diǎn)可作為檢查模型精度的點(diǎn)。
2)多視影像密集匹配。無人機(jī)外業(yè)獲取的數(shù)據(jù)包含多視角下的航攝影像數(shù)據(jù),多視影像密集匹配技術(shù)是研究這些數(shù)據(jù)的關(guān)鍵技術(shù)[7]。影像匹配的原理是根據(jù)多張影像之間的相似性,利用相關(guān)函數(shù)來確定影像之間的同名點(diǎn)。其主要流程為獲得影像的外方位元素,并對(duì)具有精確外方位元素的影像進(jìn)行分類;再對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行匹配,獲得高密度點(diǎn)云;最后經(jīng)過濾波處理獲得精度較高的三維點(diǎn)云。多視影像密集匹配技術(shù)可以更好地利用冗余影像信息,結(jié)合每幅影像的POS 數(shù)據(jù)等信息,合理運(yùn)用多視匹配所需的多視點(diǎn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確獲取多視影像點(diǎn)的同名坐標(biāo),進(jìn)而得到建筑物的最終三維數(shù)據(jù)信息[8-9]。
3)三維產(chǎn)品模型構(gòu)建。將基于多視影像密集匹配技術(shù)生成的密集點(diǎn)云用于構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)表面和白體模型;再選用無雜物遮擋、姿態(tài)均勻一致、無錯(cuò)位的照片貼合在白體模型上得到該附屬設(shè)施的三維模型;最后以EPS 地理信息工作站為矢量繪圖平臺(tái),無需佩戴立體眼鏡,通過內(nèi)置的繪圖模塊,根據(jù)影像和自動(dòng)空中三角測(cè)量生成的三維模型勾繪出雨棚的輪廓或框架模型[10]。根據(jù)工程實(shí)際需要,選取雨棚上的標(biāo)志點(diǎn)或特殊點(diǎn),并參照實(shí)際結(jié)構(gòu)依次連接成線,再將EPS數(shù)據(jù)結(jié)果導(dǎo)入AutoCAD 軟件,生成附屬設(shè)施的產(chǎn)品模型供施工方使用。
本文選取的實(shí)驗(yàn)區(qū)位于青島市某大學(xué)校園內(nèi),區(qū)域內(nèi)新建圖書館雨棚的支撐框架已搭建完畢,需準(zhǔn)確獲取其龍骨框架的拐點(diǎn)、龍骨棱角點(diǎn)等特征點(diǎn)的相對(duì)位置,從而獲得龍骨架間的距離和弧度來制作雨棚。若利用全站儀來測(cè)量龍骨框架,則大約需要測(cè)量100 個(gè)框架特征點(diǎn);且受框架結(jié)構(gòu)影響,某些特征點(diǎn)并不能準(zhǔn)確測(cè)量,外業(yè)工作量大,因此實(shí)驗(yàn)采用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)完成對(duì)龍骨框架的測(cè)量。首先利用消費(fèi)級(jí)無人機(jī)獲取龍骨架的影像數(shù)據(jù),然后利用Smart-3D 軟件構(gòu)建實(shí)景模型,最后利用EPS 軟件和AutoCAD 軟件制作雨棚框架模型供施工方使用。
針對(duì)該雨棚龍骨框架特點(diǎn)和建模精度要求,在龍骨框架上設(shè)置41 個(gè)檢查點(diǎn),采用大疆Phantom 4 Pro四旋翼無人機(jī)獲取影像數(shù)據(jù)信息。為了保證0.002 m 的影像分辨率,航向和旁向重疊度均設(shè)置為75%,抵近龍骨框架3 m 左右的距離進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。
對(duì)獲取的多角度、mm 級(jí)、高重疊率的照片數(shù)據(jù)進(jìn)行整理檢查后,即可采用三維建模軟件進(jìn)行雨棚的精細(xì)構(gòu)建。完成影像數(shù)據(jù)的預(yù)處理后,在Smart-3D 軟件上對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行空中三角測(cè)量,自動(dòng)提取連接點(diǎn);再通過連接點(diǎn)反算確定照片位置;然后根據(jù)外業(yè)數(shù)據(jù)設(shè)置的檢查點(diǎn)空間分布情況,選取8 個(gè)檢查點(diǎn)作為尺度標(biāo)識(shí)點(diǎn)進(jìn)行尺度約束;最后對(duì)數(shù)據(jù)再次進(jìn)行空中三角測(cè)量、多視影像密集匹配等處理,即可得到雨棚的三維模型(圖3)。
圖3 雨棚三維模型
利用EPS 地理信息工作站,根據(jù)影像和自動(dòng)空中三角測(cè)量生成的三維模型勾畫龍骨框架(圖4),并選取各龍骨框架的中心端點(diǎn);再根據(jù)雨棚實(shí)際框架結(jié)構(gòu)依次連接成線;最后將EPS 數(shù)據(jù)結(jié)果導(dǎo)入AutoCAD軟件生成雨棚產(chǎn)品模型(圖5),供施工方使用。
圖4 EPS 繪制龍骨框架
圖5 雨棚龍骨框架模型
雨棚等建筑附屬設(shè)施通常是由幾何結(jié)構(gòu)構(gòu)成的,對(duì)于構(gòu)建完畢的三維實(shí)景模型,可通過在其表面量測(cè)感興趣點(diǎn)之間的距離和方位等信息進(jìn)行精度評(píng)價(jià)。根據(jù)工程需要,本次模型構(gòu)建對(duì)絕對(duì)定位精度不做要求,但對(duì)相對(duì)定位精度有嚴(yán)格的要求。在量測(cè)模型上和外業(yè)數(shù)據(jù)采集時(shí)均勻設(shè)置檢查點(diǎn)之間的距離[11],并通過數(shù)學(xué)方法確定模型構(gòu)建的相對(duì)定位精度。
相對(duì)位置精度用均方根誤差來表示,第i組檢查點(diǎn)實(shí)際測(cè)量值與模型量測(cè)值之間的誤差為di,則多個(gè)檢查點(diǎn)的均方根誤差為:
各檢查點(diǎn)的精度統(tǒng)計(jì)和誤差曲線如表1 和圖6所示。
實(shí)驗(yàn)選取實(shí)景模型和實(shí)際龍骨框架上的30 個(gè)檢查點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),可以看出,第二組數(shù)據(jù)誤差為8.5 mm,明顯高于其他組數(shù)據(jù)誤差,對(duì)此進(jìn)行分析認(rèn)為是人工采集操作產(chǎn)生的誤差,在三維模型上采集一個(gè)像素產(chǎn)生的誤差,實(shí)際將導(dǎo)致1~2 cm 的誤差,因此將其作為粗差進(jìn)行剔除;其余29 個(gè)檢查點(diǎn)在模型上量測(cè)的距離與在龍骨框架上量測(cè)的距離非常接近,其中最大誤差為4.3 mm,最小誤差為0,平均相對(duì)誤差為0.24%。由式(1)計(jì)算得到所有檢查點(diǎn)的均方根誤差為1.89 mm,說明本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合GB 50026-2007《工程測(cè)量規(guī)范》中有關(guān)附屬構(gòu)筑物安裝測(cè)量允許偏差±5 mm的規(guī)定,可有效獲取雨棚龍骨框架的尺寸信息,滿足了實(shí)際應(yīng)用要求。
表1 三維實(shí)景模型精度統(tǒng)計(jì)
圖6 各檢查點(diǎn)的誤差曲線
消費(fèi)級(jí)無人機(jī)憑借其體量小、機(jī)動(dòng)性和靈活性強(qiáng)的特點(diǎn),能在短時(shí)間內(nèi)采集影像數(shù)據(jù)信息,并建立三維模型,且建立的三維模型精度完全符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和工作要求。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明,將無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)和其他相關(guān)軟件應(yīng)用于建筑附屬設(shè)施的施工測(cè)量中,獲取的結(jié)果不僅滿足了相關(guān)規(guī)范規(guī)定的精度要求,而且大大提高了工作效率,減少了外業(yè)工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度,為附屬設(shè)施的建造施工提供了很好的視覺參考,可為其他相關(guān)工程與數(shù)字城市建設(shè)提供借鑒和服務(wù)。