0 引 言

歷史建筑測(cè)繪建檔作為歷史文化保護(hù)的重要組成部分，歷史建筑承載著歷史信息和寶貴的文化資源。歷史建筑測(cè)繪歸檔工作的開展，將為后續(xù)歷史建筑的遷移與復(fù)建、修復(fù)與保護(hù)、激活與利用提供詳細(xì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，是歷史建筑保護(hù)的重要保證，是做好歷史文化保護(hù)工作的前提和基礎(chǔ)，對(duì)于加強(qiáng)歷史建筑保護(hù)，延續(xù)城市文脈具有重要意義。根據(jù)廣東省歷史風(fēng)貌建筑測(cè)繪建檔計(jì)劃要求，廣州市已持續(xù)推進(jìn)歷史建筑的測(cè)繪建檔工作。而測(cè)繪歷史風(fēng)貌建筑的本體和周邊環(huán)境的實(shí)景三維影像[1]是實(shí)現(xiàn)對(duì)歷史建筑真實(shí)場(chǎng)景及細(xì)節(jié)信息的數(shù)字化建檔的重要內(nèi)容，可以供動(dòng)態(tài)化、多維度、兼顧細(xì)節(jié)的展示效果[2]，傾斜攝影測(cè)量則是在測(cè)繪實(shí)景三維影像工作中引入的重要技術(shù)。

傾斜攝影技術(shù)是通過在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器，同時(shí)從垂直、傾斜等不同角度采集影像，獲取地面物體更為完整準(zhǔn)確的信息[3]，所獲取的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理可生成為實(shí)景三維影像。實(shí)景三維數(shù)據(jù)全面反映地物的幾何和紋理屬性，場(chǎng)景帶入感強(qiáng)方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)建模數(shù)據(jù)。實(shí)景三維具備3個(gè)特點(diǎn)：高度寫實(shí)，完整展示現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景；可量測(cè)數(shù)據(jù)，能直接獲取地物高度、長度、面積數(shù)據(jù)[4]；建筑物紋理可批量采集，迅速實(shí)現(xiàn)三維建模。

具體實(shí)施過程中本著先易后難的原則，先在條件較好的歷史風(fēng)貌建筑上開展，采用當(dāng)下流行的大型六旋翼無人機(jī)為飛行平臺(tái)，多鏡頭相機(jī)為傳感器的配置采集實(shí)景三維影像數(shù)據(jù)，使用飛行控制系統(tǒng)同步記錄拍攝時(shí)位置、姿態(tài)等信息，通過后期數(shù)據(jù)處理建立實(shí)景三維影像[5]。這種工作模式效率快、質(zhì)量高，獲得了較好的效果。但隨著作業(yè)環(huán)境從較為空曠地帶逐漸轉(zhuǎn)入人口建筑密集區(qū)，出現(xiàn)了一些現(xiàn)實(shí)難題，為消除這些難題，本文提出了以輕型無人機(jī)群為核心的解決方案。

1 問題分析

隨著在歷史風(fēng)貌建筑測(cè)繪中傾斜攝影測(cè)量工作的持續(xù)開展，影響測(cè)繪作業(yè)的問題日益增加與突出，主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面。

1.1 拍攝技術(shù)要求更高

首先，歷史風(fēng)貌建筑本體中塔類等結(jié)構(gòu)復(fù)雜的建筑物較多，對(duì)反映建筑物表面色澤、圖案和紋理等細(xì)節(jié)特征的測(cè)繪技術(shù)要求進(jìn)一步提高。這就要求飛行器一方面要降低飛行高度，更接近建筑本體，同時(shí)改變傳統(tǒng)的直線飛行線路，采取直接針對(duì)歷史風(fēng)貌建筑本體的拍攝角度與拍攝航線。

其次，因?yàn)榻ㄖ锩芗?，保持影像光亮度統(tǒng)一并減少陰影的要求也提高。同時(shí)歷史風(fēng)貌建筑周邊環(huán)境的影像也需盡量在光亮色澤方面與建筑本體保持一致。這就需要拍攝盡量在11:00—13:00時(shí)段一次性完成，拍攝時(shí)間大大縮短。

1.2 飛行申請(qǐng)更加困難

開展歷史風(fēng)貌建筑周邊環(huán)境測(cè)繪的無人機(jī)航飛高度一般在100 m以內(nèi)，按照無人機(jī)相關(guān)管理規(guī)定，除了特殊管控范圍以外，符合輕型標(biāo)準(zhǔn)的民用無人機(jī)飛行高度在120 m以下的不需申請(qǐng)空域管控審批。根據(jù)相關(guān)規(guī)定，輕型民用無人機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)是同時(shí)滿足飛行器重量不超過4 kg，起飛重量不超過7 kg，航行速度不超過100 km/h，具備符合空域管理要求的航行自控能力和穩(wěn)定的被監(jiān)控功能的遙控駕駛飛行器。原有六旋翼飛行器裸機(jī)的重量一般要超過5 kg，五鏡頭照相機(jī)的總重量由于鏡頭數(shù)量多的原因基本都會(huì)超過2 kg，整套設(shè)備起飛重量則超過7 kg，這使得原有測(cè)繪系統(tǒng)裸機(jī)重量和起飛重量均超過了輕型民用飛行器標(biāo)準(zhǔn)，要進(jìn)行空域申請(qǐng)，并經(jīng)過審批后才能開展飛行。由于負(fù)責(zé)空域管理的部門較多，審批時(shí)間較長，導(dǎo)致航飛工作效率大大降低。

1.3 飛行環(huán)境更加復(fù)雜

很多歷史風(fēng)貌建筑所在區(qū)域人員密集、建筑物復(fù)雜，飛行環(huán)境也極為復(fù)雜。首先，沒有適宜的起降區(qū)域，大型旋翼無人機(jī)展翼覆蓋面積大，起降精準(zhǔn)性差，要求四周空曠上方無遮擋物，因此很難找到適合的地方進(jìn)行起降。在不適宜起降的區(qū)域即使完成操作，也是對(duì)飛行控制人員的技術(shù)水平要求極高，完成無人機(jī)起降非常勉強(qiáng)。其次，電磁干擾強(qiáng)烈，無人機(jī)失控甚至墜落的情況也時(shí)有發(fā)生?，F(xiàn)行六旋翼無人機(jī)和多鏡頭相機(jī)的總重量一般不低于7 kg，一旦發(fā)生事故后果非常嚴(yán)重。最后，無人機(jī)低空飛行操作時(shí)旋翼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的聲音大，影響市民的正常工作與休息。

2 解決方案

根據(jù)上述分析，可以看到歷史風(fēng)貌建筑測(cè)繪推進(jìn)過程中逐漸顯現(xiàn)的技術(shù)、效率和安全等問題，既相互對(duì)立，又辯證統(tǒng)一，必須采取有效方案統(tǒng)一解決。在綜合考慮成果質(zhì)量、作業(yè)時(shí)間、測(cè)繪成本、生產(chǎn)安全和環(huán)境干擾程度等因素的基礎(chǔ)上，提出了基于輕型無人機(jī)群的傾斜攝影測(cè)量解決方案用以開展后續(xù)的歷史風(fēng)貌建筑的測(cè)繪工作。即采用輕型旋翼無人機(jī)搭載單鏡頭照相機(jī)，利用地面站多機(jī)控制方式，采用多臺(tái)無人機(jī)集群式完成影像拍攝，采用多臺(tái)工作站集群式完成數(shù)據(jù)解算的解決方案，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量、效率和安全的多重保障。

2.1 采用輕型無人機(jī)

降低無人機(jī)重量和旋翼數(shù)量，采用重量2 kg左右的四旋翼無人機(jī)，使其重量遠(yuǎn)低于輕型無人器的標(biāo)準(zhǔn)。重量降低相應(yīng)地可減少無人機(jī)體積，對(duì)起降點(diǎn)環(huán)境的要求隨之變低。2 kg左右無人飛行器也可以保證配備足夠的軟硬件以滿足傾斜攝影測(cè)量的需要，這些配置指標(biāo)要求主要包括：配備雙差分天線，搭載多星多頻多系統(tǒng)實(shí)時(shí)差分模塊，支持CORS-RTK和常規(guī)RTK服務(wù)，以減少對(duì)像控點(diǎn)的需要；配備IMU、氣壓計(jì)和磁力計(jì)；同步存儲(chǔ)相機(jī)曝光時(shí)間和衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)，可進(jìn)行事后點(diǎn)位解算；最遠(yuǎn)航行時(shí)間不低于1 h，最遠(yuǎn)航行距離不低于30 km；最大起落抗風(fēng)能力5級(jí)，最大飛行抗風(fēng)能力6級(jí)；可實(shí)時(shí)進(jìn)行故障檢測(cè)與故障隔離；抗干擾能力強(qiáng)，噪聲較低；具備圖像位置補(bǔ)償功能。通過采用輕型無人機(jī)，既可解決飛行申請(qǐng)的問題，提高工作效率，同時(shí)又有效避免由于飛行環(huán)境復(fù)雜帶來的安全問題。

2.2 搭載單鏡頭相機(jī)

采用輕型無人機(jī)作為飛行平臺(tái)，搭載能力會(huì)大為下降，必須降低搭載相機(jī)的重量。其中減少鏡頭數(shù)量是最為有效的辦法，即采用單鏡頭相機(jī)取代5鏡頭相機(jī)。這既可大幅降低相機(jī)重量，也可進(jìn)一步降低起飛總重量。為獲取圖像清晰、信息豐富、顏色自然、曝光一致、色差柔和的照片，單鏡頭照相機(jī)選擇的基本參數(shù)控制要求為：影像像素不低于2 000萬，CMOS在1英寸左右，相片最大分辨率5 472×3 648像素，鏡頭可自動(dòng)對(duì)焦相機(jī)畸變校正，百米高空拍攝影像地面分辨率2 m左右；電子快門8-1/8 000 s，機(jī)械快門8-1/2 000 s，消除高速運(yùn)行的果凍效應(yīng)；感光度12 800，暗光拍攝仍可呈現(xiàn)更多細(xì)節(jié)。同時(shí)，照相機(jī)與無人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)必須微秒級(jí)時(shí)間同步，以此提升高速拍攝位置相關(guān)參數(shù)精度，為后續(xù)高精度影像數(shù)據(jù)處理提供精確原始數(shù)據(jù)。在沒有降低相機(jī)參數(shù)的情況下將5鏡頭相機(jī)改為單鏡頭相機(jī)，有效地降低了起飛總重量，使得無人機(jī)拍攝更加靈活，受拍攝空間的限制更小，可以更加近距離地拍攝歷史風(fēng)貌建筑本體，提升拍攝相片質(zhì)量，進(jìn)一步減少安全隱患，降低飛行風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 地面站一控多機(jī)

在采用單鏡頭照相機(jī)的情況下，要實(shí)現(xiàn)傾斜攝影測(cè)量就必須增加航飛的次數(shù)，為減少航飛次數(shù)，提高效率就需要采用同時(shí)飛行多架無人機(jī)，因此地面站需采用一控多機(jī)模式。除支持一控多機(jī)外，為保證地面站對(duì)無人機(jī)安全有效地控制，地面站還需具備以下功能：采用的Ocusync2.0無線通信模式，在無電磁干擾的情況下通訊距離至少7 km；實(shí)時(shí)可視化顯示飛行軌跡、飛機(jī)狀態(tài)、定位參數(shù)、風(fēng)速、地速、電池狀況和機(jī)上溫度等參數(shù)；支持三維背景的飛行路線和飛行場(chǎng)景實(shí)時(shí)可視化；具備飛行狀態(tài)異常報(bào)警及智能返航；可作為RTK基準(zhǔn)站提供實(shí)時(shí)差分?jǐn)?shù)據(jù)，并能與RTK手簿連接，實(shí)時(shí)獲取無人機(jī)精確位置坐標(biāo)。地面站一控多機(jī)模式，有效縮短了測(cè)量時(shí)間，使得在有效的拍攝時(shí)段內(nèi)，攝影測(cè)量作業(yè)范圍大幅擴(kuò)充。

2.4 集群式作業(yè)模式

在對(duì)輕型無人機(jī)一站多控的基礎(chǔ)上，對(duì)歷史風(fēng)貌建筑采用集群式作業(yè)模式，即在適宜的拍攝時(shí)段采用5臺(tái)以上的輕型無人機(jī)同時(shí)作業(yè)，以此獲得同時(shí)相、同亮度、同色度的影像。針對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的歷史風(fēng)貌建筑主體降低飛行高度，采用水平螺旋式環(huán)繞建筑物的航線，圖1為環(huán)繞航線示例。

圖1 環(huán)繞航線示例Fig.1 Examples of circling route

針對(duì)塔類等地物做單點(diǎn)的多層環(huán)繞，鏡頭從水平方向?qū)ㄖ倔w進(jìn)行拍攝，根據(jù)地物中心，環(huán)繞半徑、建筑物底標(biāo)高和頂標(biāo)高設(shè)計(jì)環(huán)繞航線。為保證飛行安全，環(huán)繞飛行采用單機(jī)單架次的方法進(jìn)行。而針對(duì)歷史風(fēng)貌建筑整體及周邊環(huán)境采用常規(guī)區(qū)域航線布設(shè)方法，航高控制在70 m左右，參照《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》[6]的要求，航向覆蓋超出攝區(qū)邊界線不少于兩條基線，旁向覆蓋超出攝區(qū)邊界線不少于像幅的50%，確保有效獲取到航攝分區(qū)邊界影像。一次航飛單鏡頭照相機(jī)無法形成傾斜攝影測(cè)量要求的多角度照片，所以采用同一區(qū)域、同一航線飛行5次拍攝的方法獲取多角度照片。鏡頭分別從垂直、向前傾斜、向后傾斜、向左傾斜和向右傾斜的5個(gè)方向?qū)ㄖ黧w及周邊環(huán)境進(jìn)行拍攝，傾斜角度保持在45°左右。5次拍攝導(dǎo)致航拍工作效率低下，所以采用兩臺(tái)或以上無人機(jī)同時(shí)集群作業(yè)。一般以0.1～0.15 km2作為一個(gè)無人機(jī)的作業(yè)單元，然后根據(jù)整體作業(yè)范圍劃定作業(yè)單元數(shù)量，以此確定無人機(jī)數(shù)量，多臺(tái)無人機(jī)同時(shí)作業(yè)。雖然地面站控制系統(tǒng)具備多機(jī)控制能力，為安全起見一般采用每個(gè)地面站控制兩臺(tái)無人機(jī)的飛行模式。歷史風(fēng)貌建筑主體及周邊環(huán)境的區(qū)域面積一般在0.5 km2以內(nèi)，兩臺(tái)地面站4臺(tái)無人機(jī)在11:00—13:00時(shí)段內(nèi)基本可以完成影像拍攝作業(yè)。因此，采用總數(shù)5臺(tái)輕型無人機(jī)集群作業(yè)，既可在滿足對(duì)復(fù)雜歷史風(fēng)貌建筑主體拍攝的細(xì)節(jié)技術(shù)要求，也可滿足對(duì)其和周邊環(huán)境拍攝的整體技術(shù)要求。

2.5 測(cè)設(shè)像控點(diǎn)

雖然無人機(jī)具備RTK模塊，已經(jīng)可以獲得照片較為高精度的拍攝位置，但是由于均為單鏡頭作業(yè)，且航線布設(shè)方式多樣，為了后續(xù)數(shù)據(jù)處理與成果拼接的需要，還是需要布設(shè)和測(cè)量一定數(shù)量的像控點(diǎn)。一般按照歷史風(fēng)貌建筑策劃區(qū)域的形狀，結(jié)合航線布設(shè)線路進(jìn)行點(diǎn)位的布設(shè)。測(cè)區(qū)內(nèi)布設(shè)的控制點(diǎn)外圍不少于4個(gè)，各分測(cè)區(qū)中心不少于1個(gè)，分布要均勻，按RTK控制測(cè)量一級(jí)平面控制點(diǎn)和等外高程點(diǎn)[7]的要求測(cè)量像控點(diǎn)位。測(cè)設(shè)像控點(diǎn)可有效保證在單鏡頭照相機(jī)作業(yè)情況下的實(shí)景三維影像的成果精度。

2.6 集群式數(shù)據(jù)解算

對(duì)于采用常規(guī)航線拍攝的影像將無人機(jī)的飛行位置數(shù)據(jù)精確地對(duì)應(yīng)到單鏡頭相機(jī)拍攝的照片中，通過影像間同名特征點(diǎn)提取與匹配、空中三角解算、光束法區(qū)域網(wǎng)平差、紋理貼圖及模型構(gòu)建等工作自動(dòng)完成實(shí)景三維影像[8]生產(chǎn)。對(duì)于采用環(huán)繞航線拍攝的原始影像，先進(jìn)行由于視角或鏡頭畸變引起的變形修正，通過檢索多視角影像，勾勒歷史建筑外輪廓線，交互式拉出主體模型；而后以主體結(jié)構(gòu)為基準(zhǔn)，制作細(xì)部結(jié)構(gòu)；最后進(jìn)行交互式三維模型貼圖，從照片中選擇合適的影像映射到模型上，對(duì)存在變形、其他干擾等紋理問題應(yīng)進(jìn)行糾正、剔除等處理后再映射到模型。模型的紋理采用實(shí)地采集的圖像，紋理圖像拼接處理無明顯接縫，且過渡自然，同時(shí)剔除建模對(duì)象以外的其他信息。

數(shù)據(jù)處理軟件需要高速而準(zhǔn)確完成海量影像數(shù)據(jù)的匹配、校準(zhǔn)與拼接工作。獲取的影像匹配連接點(diǎn)要求海量、高密準(zhǔn)確。能夠迅速生產(chǎn)測(cè)量區(qū)數(shù)字高程模型、數(shù)據(jù)正射影像圖和數(shù)字地表模型等成果。支持多臺(tái)計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)計(jì)算，可快速處理數(shù)平方公里的建模數(shù)據(jù)。具備修飾、潤色和測(cè)量功能?？缮筛鞣NGIS格式的三維模型，為實(shí)現(xiàn)實(shí)景三維模型立體測(cè)圖[9]提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。除空三測(cè)量需要單機(jī)解算外，模型處理工作通過10臺(tái)工作站網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合處理，一天即可完成一個(gè)歷史風(fēng)貌建筑及周邊環(huán)境的數(shù)據(jù)處理工作，生產(chǎn)出實(shí)景三維影像。對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的歷史風(fēng)貌建筑本體則視具體情況完成修飾工作。

3 應(yīng)用實(shí)例

某歷史風(fēng)貌建筑地處城市中心老城區(qū)地帶，主體建筑為，周邊有大片密集建筑物，但歷史年代久遠(yuǎn)，也有一定的建檔保存價(jià)值。由于該歷史風(fēng)貌建筑主體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、整體測(cè)繪區(qū)域面積相對(duì)較大、航飛條件較為惡劣，因此采用基于輕型無人機(jī)的集群式開展傾斜攝影測(cè)量工作。飛行拍攝時(shí)間選在某天的11:00—13:00時(shí)段，實(shí)際航拍范圍約0.35 km2，同時(shí)使用5架輕型無人機(jī)同時(shí)作業(yè)，當(dāng)日完成外業(yè)工作。內(nèi)業(yè)使用在局域網(wǎng)協(xié)同10臺(tái)工作站聯(lián)機(jī)處理數(shù)據(jù)，次日即完成影像數(shù)據(jù)處理工作。生產(chǎn)出的歷史風(fēng)貌建筑及周邊環(huán)境實(shí)景三維影像真實(shí)，建筑物主體表面紋理清晰，與周邊環(huán)境的外表色澤、光亮度及陰影等特征統(tǒng)一，符合歷史風(fēng)貌建筑建檔要求。圖2為項(xiàng)目成果的實(shí)例。

圖2 項(xiàng)目成果實(shí)例Fig.2 Examples of production results

通過RTK結(jié)合全站儀實(shí)地采集特征點(diǎn)間距與實(shí)景三維影像上的對(duì)應(yīng)間距做比對(duì)[10]，得出的間距誤差見表1。這證明項(xiàng)目成果滿足歷史風(fēng)貌建筑的精度要求。

表1 特征點(diǎn)間距誤差Tab.1 Feature point spacing error

4 結(jié) 論

將輕型無人機(jī)群應(yīng)用在歷史風(fēng)貌建筑低空傾斜攝影測(cè)量中，系統(tǒng)地解決了測(cè)繪中遇到的技術(shù)、效率、安全等新難題，結(jié)論如下。

1）輕型無人機(jī)搭載高性能單鏡頭照相機(jī)在單機(jī)裸機(jī)重量和起飛重量上大幅下降，符合國家相關(guān)法規(guī)要求，飛行時(shí)段不再受限，安全隱患大幅降低，同時(shí)飛行拍攝方式更加靈活，影像細(xì)節(jié)獲取能力大幅提高。

2）采用多類型航線、多區(qū)域劃分、一站多控的集群式飛行作業(yè)方式確保了影像采集在特定要求的時(shí)間窗口內(nèi)完成拍攝工作，同時(shí)也確保了獲取影像參數(shù)滿足技術(shù)要求。

3）在無人機(jī)配備RTK實(shí)時(shí)精確獲取照片實(shí)時(shí)位置信息的基礎(chǔ)上布設(shè)像控點(diǎn)，可進(jìn)一步保證后續(xù)成果的精度。

4）采用功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理軟件基于網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行多工作站集群協(xié)同計(jì)算，可有效保障實(shí)景三維影像的生產(chǎn)質(zhì)量和效率。