薛建華，卞小雨

（1.山西大同大學(xué)建筑與測繪工程學(xué)院，山西大同 037003；2.測繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430000）

目前各城市的智慧化建設(shè)正在不斷發(fā)展，城市實(shí)景三維建筑模型成為構(gòu)建智慧城市的重要工具。若建立一個(gè)城市三維模型，不僅需要實(shí)地觀測到的地理信息數(shù)據(jù)，還需要城市規(guī)劃設(shè)計(jì)信息，在這兩種關(guān)鍵信息的需求下，將無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)與BIM 技術(shù)結(jié)合起來已經(jīng)是大勢所趨。無人機(jī)傾斜攝影測量采集的圖像數(shù)據(jù)不僅反映了地面物體的真實(shí)特征，還運(yùn)用更精準(zhǔn)的定位技術(shù)并嵌入準(zhǔn)確的地理信息，從而生成符合真實(shí)場景的三維底圖。在三維基礎(chǔ)圖的基礎(chǔ)上，采用BIM技術(shù)對室內(nèi)外建筑的數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)化的分析、重構(gòu)和處理，并根據(jù)實(shí)際場景的恢復(fù)，進(jìn)一步細(xì)分化，實(shí)現(xiàn)信息化管理的同步建設(shè)，在模型的構(gòu)建和實(shí)際應(yīng)用中大有發(fā)揮空間，也為測繪事業(yè)不斷開辟新天地。

1 實(shí)驗(yàn)與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

1.1.1 無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)

無人機(jī)傾斜攝影測量是利用同一飛行器上搭載的多個(gè)拍攝設(shè)備，同時(shí)對同一觀察物體的不同方向取得豐富信息，然后通過高精度的數(shù)據(jù)處理方式，能夠以更高清晰度、高精確性的方式全面探測空間復(fù)雜場景，最終得到更真實(shí)效果和測繪級精度的研究對象幾何和位置等信息[1]。

除此之外，傾斜攝影測量技術(shù)可以更加真實(shí)客觀地構(gòu)建被測量物體帶有外觀特征的實(shí)景模型，降低了建模價(jià)格，且建筑模型數(shù)據(jù)信息量小，便于在網(wǎng)上進(jìn)行發(fā)布和共享。

1.1.2 BIM 技術(shù)

BIM (Building Information Modeling)，是以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，利用構(gòu)建虛擬的建筑三維模型，為工程建設(shè)提供集成了項(xiàng)目各種相關(guān)信息的數(shù)據(jù)模型基礎(chǔ)[2]。同時(shí)，形成與實(shí)際項(xiàng)目相關(guān)完整一致的建筑工程信息庫，將設(shè)計(jì)、施工生產(chǎn)、運(yùn)營管理及安全監(jiān)測等各個(gè)階段完美有機(jī)地聯(lián)系起來，有效提高工程效率。同時(shí)，可以在不同的建筑階段和根據(jù)不同的用戶需求，對這個(gè)共享資源庫的BIM 進(jìn)行檢索、查看、應(yīng)用、編輯更新相關(guān)的建筑信息，進(jìn)一步為各涉及方的協(xié)同作業(yè)提供了技術(shù)基礎(chǔ)，提高建筑信息的應(yīng)用價(jià)值。其應(yīng)用范圍、領(lǐng)域非常廣闊，可以跨越建筑項(xiàng)目的全階段參與信息管理，并且可以同時(shí)聯(lián)結(jié)建筑項(xiàng)目各部分參與人員協(xié)同工作。

在傾斜攝影測量建立的三維實(shí)景底圖的基礎(chǔ)上，根據(jù)所做規(guī)劃，利用BIM 數(shù)字化技術(shù)在模型上進(jìn)行設(shè)計(jì)和精修，從而提供更完好的三維建筑模型，而且能將建筑設(shè)計(jì)成果很好地展示出來。在使用者直觀欣賞的同時(shí)，可以就不滿意的地方直接修改，以求達(dá)到最佳的模型效果。

1.2 數(shù)據(jù)背景

現(xiàn)以某高校校區(qū)所覆蓋范圍及其周圍環(huán)境為研究區(qū)域，以傾斜攝影測量采集的影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，而后基于高精度的實(shí)景點(diǎn)云和預(yù)期所做規(guī)劃對建筑模型進(jìn)行設(shè)計(jì)、調(diào)整及精修，從而減小預(yù)期規(guī)劃與實(shí)地施測不符所產(chǎn)生的多余成本。

1.3 航線設(shè)計(jì)與航測數(shù)據(jù)采集

（1）航測范圍的確定：某高校校區(qū)占地范圍740 m×443 m。

（2）現(xiàn)場調(diào)查和資料收集：校園環(huán)境現(xiàn)場調(diào)查，尋找合適的起飛地點(diǎn)即該校區(qū)操場中心，收集天氣氣象資料，并制定合理的飛行時(shí)間。

（3）航線規(guī)劃及參數(shù)設(shè)定：根據(jù)現(xiàn)場條件，從中心區(qū)域即操場中心出發(fā)規(guī)劃符合相關(guān)要求的航線。校區(qū)地勢較平坦，平均高程約1 132 m，影像數(shù)據(jù)航向重疊度保證80%，旁向重疊度為70%。根據(jù)測區(qū)實(shí)際情況設(shè)置參數(shù)，在航線設(shè)計(jì)軟件中會(huì)自動(dòng)生成無人機(jī)飛行方案，主要參數(shù)有飛行航線的起飛點(diǎn)與降落點(diǎn)坐標(biāo)，飛行器攝像頭曝光點(diǎn)的坐標(biāo)。飛行路線如圖1。實(shí)地航飛過程中，無人機(jī)在到達(dá)設(shè)定位置后，荷載相機(jī)將會(huì)按所對應(yīng)的曝光點(diǎn)坐標(biāo)和角度進(jìn)行實(shí)際拍攝。

圖1 航線設(shè)計(jì)圖

飛行參數(shù)設(shè)計(jì)：①選用索尼A58 相機(jī)，傳感器最高分辨率為5 456×3 632，像元大小為4.2 μm[3]。②正攝與傾斜方位相機(jī)焦距相同，均選用20 mm，并保證地面分辨率為5 cm。③因?yàn)闇y區(qū)范圍內(nèi)最高建筑物約為35 m，同時(shí)綜合考慮到分辨率的要求，飛行高度最終設(shè)置為70 m。

（4）傾斜三維攝影采集：按照所計(jì)劃的施測方案進(jìn)行航測飛行數(shù)據(jù)的采集作業(yè)。作業(yè)人員在操場中央的地面站進(jìn)行無人機(jī)組裝并設(shè)定上述參數(shù)后，便可施行航測作業(yè)。無人機(jī)將按照上述飛行方案所指定的航線進(jìn)行空中拍攝，作業(yè)人員只需觀察無人機(jī)位置及實(shí)時(shí)飛行參數(shù)。

1.4 航飛數(shù)據(jù)的檢查

航飛完成后，首先要對獲取的影像進(jìn)行質(zhì)量檢查，對不合格的區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)飛，直到數(shù)據(jù)質(zhì)量滿足可靠性要求[1]。

2 模型構(gòu)建

2.1 實(shí)景三維建模的生產(chǎn)流程

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件采用ContextCapture（原Smart3D軟件），能夠以一組對建筑物從各個(gè)角度拍攝的數(shù)碼照片作為數(shù)據(jù)源[4]；同時(shí)輔助外部參數(shù)：攝影機(jī)參數(shù)(焦距、傳感器尺寸、鏡頭畸變)，影像的外部配置信息(POS)，控制點(diǎn)等信息；無需人工操作，生成輸出的三維網(wǎng)格模型能夠準(zhǔn)確精細(xì)地表現(xiàn)出建模主體的真實(shí)色澤、幾何形態(tài)及細(xì)節(jié)構(gòu)成，從而完成傾斜攝影數(shù)據(jù)到三維模型的過程。

根據(jù)攝影測量原理，在ContextCapture 軟件中操作流程如下：

（1）數(shù)據(jù)預(yù)處理：對航攝影像進(jìn)行調(diào)色處理，可以得到影像內(nèi)部與像片之間的勻光勻色；繼而進(jìn)行多視影像數(shù)據(jù)的幾何校正和同名點(diǎn)密集匹配，可以快速準(zhǔn)確獲取同名像點(diǎn)坐標(biāo)，獲取對應(yīng)地面點(diǎn)的三維信息。同時(shí)，為了方便后期的影像聯(lián)合解算，需要將正射垂直方位與傾斜方位影像進(jìn)行分類，并旋轉(zhuǎn)為正向影像。

（2）多視影像的聯(lián)合平差：不同于傳統(tǒng)的正射影像處理，傾斜攝影技術(shù)得到的是多視角影像信息，在解決圖像的幾何變形與影像的遮蔽部分后，需要考慮對四個(gè)傾斜鏡頭和垂直下視鏡頭拍攝的圖像進(jìn)行聯(lián)立解算，同時(shí)結(jié)合POS 系統(tǒng)提供的航片位置與方向的外方位元素，混合地面控制點(diǎn)信息，統(tǒng)一完成影像自檢校和區(qū)域網(wǎng)平差，解算得到滿足精度要求的外方位元素。然后將平差結(jié)果賦予每張傾斜影像，使每張像片進(jìn)行實(shí)時(shí)量測，即每個(gè)像素對應(yīng)真實(shí)的地理坐標(biāo)位置。

（3）模型構(gòu)建：利用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)進(jìn)行多視影像的特征匹配，同時(shí)可獲取建筑物的特征信息，以及生成建筑物的側(cè)面結(jié)構(gòu)和恢復(fù)被攝物體三維密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對三維立體點(diǎn)云進(jìn)行分塊可自動(dòng)構(gòu)造出TIN 白模型。實(shí)時(shí)紋理映射技術(shù)可以增強(qiáng)模型的真實(shí)感，結(jié)果以O(shè)SGB 格式輸出真實(shí)場景模型成果[5]。

（4）模型檢查與編輯：對于類似教學(xué)樓等表面光滑、易發(fā)生鏡面反射的建筑物，同名像點(diǎn)的自動(dòng)匹配有一定難度，會(huì)導(dǎo)致構(gòu)建的模型容易出現(xiàn)破洞。因此，要結(jié)合實(shí)地的具體勘測對模型進(jìn)行修復(fù)和編輯不閉合的領(lǐng)域。

按照上述實(shí)驗(yàn)步驟構(gòu)建的立體模型如圖2。

圖2 實(shí)景三維立體模型

2.2 建筑模型的形成

基于傾斜攝影技術(shù)構(gòu)建的實(shí)景三維模型，通過BIM 技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)和呈現(xiàn)建筑物內(nèi)部布局和建筑物周圍的綠地。

2.3 三維數(shù)據(jù)精修及更新

運(yùn)用DP-Modeler 軟件對Smart3D構(gòu)建的模型成果進(jìn)行精修，如建筑物外部的棱角、建筑物內(nèi)部具體構(gòu)造及整體校區(qū)的綠化區(qū)域部分等，為后期模型的實(shí)地設(shè)施、運(yùn)營管理、變形監(jiān)測等提供便捷。

（1）局部區(qū)域分別編輯：確定需要精修的建筑區(qū)域，對需要加工的局部進(jìn)行裁剪剝離。例如：進(jìn)行各室內(nèi)房屋結(jié)構(gòu)的精修，將各教室的室內(nèi)按照實(shí)地進(jìn)行具體布置(講臺(tái)，課桌等)，效果如圖3。

圖3 教室室內(nèi)結(jié)構(gòu)圖

（2）精細(xì)修編重建：采用軟件自動(dòng)解算和人工操作對數(shù)據(jù)模型進(jìn)行精細(xì)加工。精修該校區(qū)實(shí)訓(xùn)樓周圍所需建設(shè)的綠化帶，其具體布設(shè)位置如圖4。

圖4 實(shí)訓(xùn)樓前綠化建設(shè)

（3）更新整合：將精修后的數(shù)據(jù)模型復(fù)原到原場景中，實(shí)現(xiàn)無縫融合。因手工建模的特點(diǎn)是建筑物均是單體化完成建立，在對已有的手工建模更新時(shí)，可用精修后的傾斜建模數(shù)據(jù)代替原手工建模數(shù)據(jù)對應(yīng)修建區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)已有手工模型數(shù)據(jù)的更新維護(hù)。

3 結(jié)果分析

為了提高數(shù)據(jù)處理的精度，選取五點(diǎn)法布設(shè)地面控制點(diǎn)，像控點(diǎn)位置均勻分布在整個(gè)測區(qū)四角點(diǎn)，中心點(diǎn)位于操場中央位置。同時(shí)，為了滿足所構(gòu)建模型的精度，整個(gè)校區(qū)中還布置了20 個(gè)檢查點(diǎn)來驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，位置在辦公樓東側(cè)、實(shí)訓(xùn)樓門口等特征地點(diǎn)。所有像控點(diǎn)與檢查點(diǎn)利用GPS-RTK進(jìn)行高精度的實(shí)地量測，并且在三維模型上提取量測出所對應(yīng)檢查點(diǎn)的模型點(diǎn)坐標(biāo)，與外業(yè)觀測的實(shí)際坐標(biāo)對比，完成模型的檢查。所選取的部分點(diǎn)位坐標(biāo)見表1。

表1 控制點(diǎn)成果 /m

根據(jù)平面點(diǎn)位中誤差的計(jì)算公式，可得實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕蠙z查點(diǎn)的平面坐標(biāo)平均誤差為0.109 m，而所有點(diǎn)中最小誤差是0.023 m，最大為0.184 m。同時(shí)，根據(jù)高程中誤差計(jì)算公式，可得檢查點(diǎn)上的高程平均誤差是0.158 m，其中最小值為0.021 m，最大值為0.433 m。由此可知，傾斜攝影測量技術(shù)所獲取的點(diǎn)位坐標(biāo)中，平面誤差略高，高程方向的誤差稍遜。按照《1∶500、1∶1 000、1∶2 000 地形圖航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》(GB/T7930－2008)，在平原地區(qū)，1∶500 地形圖上的平面點(diǎn)位限差為0.3 m，高程測量誤差限差為0.5 m[6]。因此，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目點(diǎn)位平面和高程方向的精度均滿足1∶500比例尺地形圖的測圖要求。

4 結(jié)語

結(jié)合BIM 技術(shù)與無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)，利用新型高效的數(shù)據(jù)采集方式及專業(yè)的數(shù)據(jù)處理流程，能夠在大范圍內(nèi)，以高精度、高清晰的方式全面感知復(fù)雜場景，為反映真實(shí)效果和測繪級精度提供保證；同時(shí)，有效提升建筑模型的生產(chǎn)與設(shè)計(jì)效率，為我們的生活提供便捷。