摘" 要：歷史建筑結(jié)構(gòu)通常具有建分布密集大、結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的特征，以往的測(cè)繪方法難以及時(shí)取得建筑結(jié)構(gòu)的空間數(shù)據(jù)，在歷史建筑區(qū)域中，使用低空無(wú)人機(jī)傾斜航攝技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)免相控影像信息收集，并利用相關(guān)處理軟件，構(gòu)建出完整的歷史建筑結(jié)構(gòu)的傾斜模型，在對(duì)模型實(shí)施單體化之后，可以為歷史建筑建立三維數(shù)據(jù)庫(kù)提供依據(jù)，并在三維立體信息收集軟件中制作出傾斜三維測(cè)圖的剖面圖、平面圖等，從而能夠迅速處理歷史建筑的各項(xiàng)測(cè)繪工作。對(duì)此，[A2]"首先介紹無(wú)人機(jī)傾斜攝影三維建模原理及流程，其次提出無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量精度優(yōu)化策略，然后分析古建筑測(cè)繪中無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用實(shí)例。

關(guān)鍵詞：古建筑 "無(wú)人機(jī) "傾斜攝影測(cè)量 "精度[83]

中圖分類號(hào)：TU198

Research on Accuracy Optimization of Unmanned Aerial Vehicle Tilt Photogrammetry in Ancient Architecture Surveying

ZHANG Ming "DING Guixiang "LI Shuxuan

Shandong Lukan Geological Engineering Co.， Ltd. ， Weifang， Shandong Province， 261021 China

Abstract： ：Historical building structures usually have the characteristics of dense distribution and complex structure. Previous surveying methods were difficult to obtain spatial data of building structures in a timely manner. In the historical building area， the use of low altitude unmanned aerial vehicle oblique aerial photography technology can achieve phase free image information collection， and use relevant processing software to construct a complete oblique model of the historical building structure. After the model is modularized， it can provide a basis for establishing a three-dimensional database of historical buildings， and produce oblique three-dimensional sectional and plan viewssurvey profiles， plans， etc. in three-dimensional information collection software， so as to quickly process various surveying work of historical buildings. Firstly， the principle and process of unmanned aerial vehicle （UAV） oblique photography 3D modeling are introduced. Secondly， the optimization strategy for UAV oblique photography measurement accuracy is proposed. Then， the application examples of UAV oblique photography measurement technology in ancient architectural surveying are analyzed.

Key Wwords： Ancient architecture; UAV; Oblique photogrammetry; Accuracy

在歷史建筑中，蘊(yùn)藏著特定時(shí)間段中城市的文化、政治以及經(jīng)濟(jì)的具體發(fā)展情況，承載著整座城市悠久的歷史底蘊(yùn)，是一種無(wú)法再生的文化資源，并且還對(duì)城市的影響力與競(jìng)爭(zhēng)力有著較大影響。歷史建筑結(jié)構(gòu)區(qū)域由于間隔比較小、密度大的特點(diǎn)，難以使用傳統(tǒng)的測(cè)繪方法，同時(shí)在人工操作過(guò)程中會(huì)對(duì)建筑造成一定程度的損壞。現(xiàn)階段，隨著低空無(wú)人機(jī)傾斜航攝技術(shù)的快速發(fā)展，在地理與測(cè)繪方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，傾斜三維模型使用范圍逐漸擴(kuò)大，根據(jù)低空無(wú)人機(jī)傾斜航攝系統(tǒng)取得的多樣性成果，可以在建立傾斜三維模型情況下，構(gòu)建數(shù)字高程模型，并制作出精準(zhǔn)度較高的地形圖，收集建筑結(jié)構(gòu)立面數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)化操作流程，降低風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生[A4]"概率，并且有著較高的靈活機(jī)動(dòng)性，從而能夠?yàn)闇y(cè)繪古建筑提供各種支持。因此，對(duì)無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量在古建筑測(cè)繪中的精度優(yōu)化進(jìn)行深入研究具有重要意義。

[85]"1 "無(wú)人機(jī)傾斜攝影建模技術(shù)基本原理

在利用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)時(shí)，可以將數(shù)字航攝儀設(shè)置在相同飛行平臺(tái)中，從傾斜、垂直等各個(gè)角度對(duì)地面影像進(jìn)行收集，然后在磁盤(pán)中記錄各種數(shù)字影像，合理利用數(shù)字傾斜攝影測(cè)量軟件，使影像更加直觀與真實(shí)[A6]"地呈現(xiàn)在人們面前。在對(duì)地面影像進(jìn)行收集時(shí)，主要包括斜片與正片。其中，獲取到的一組正片影像通常是垂直向下，而斜片具體是指拍攝時(shí)鏡頭方位與地面形成夾角，從而獲取到分別指向各個(gè)位置的影像。在垂直影像中，建立建筑結(jié)構(gòu)三維模型時(shí)，傾斜影像顯得尤為關(guān)鍵，能夠從整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)的前、后等不同方位觀察到建筑側(cè)面區(qū)域，能夠生成建筑表層中的紋理細(xì)節(jié)。在拍攝相同位置時(shí)，采用垂直拍攝的方法，可保證建筑三維模型的合理性與精準(zhǔn)性。在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，將照片上傳至Smart3D軟件內(nèi)，使用計(jì)算機(jī)圖形實(shí)施計(jì)算，根據(jù)POS數(shù)據(jù)進(jìn)行空三加密，獲取到點(diǎn)云，建立完整的格網(wǎng)，然后根據(jù)照片形成紋理清晰的三維模型^[1]。

2 工程概況

某歷史文化建筑處在城市的中心區(qū)域，屬于多層建筑，外掛水泥面，采用磚瓦結(jié)構(gòu)，整個(gè)建筑坐北朝南，總長(zhǎng)度約為80 m，寬度在20 m左右。附近樓房眾多，并且西邊位置建有高度為百米的建筑，顯著增加飛行難度。在硬件準(zhǔn)備方面，主要運(yùn)用大疆創(chuàng)新DJI“Phantom4Pro”無(wú)人機(jī)；通過(guò)計(jì)算機(jī)服務(wù)器進(jìn)行集群處理。在選擇建模軟件時(shí)，采用ContextCapture；而修模軟件選用DP-Modeler；另外，繪圖軟件主要應(yīng)用Autocad、3DMax等。

3 "古建筑測(cè)繪中無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

3.1" 傾斜攝影建模

3.1.1" 建模流程

在外業(yè)進(jìn)行正式工作之前，應(yīng)對(duì)與歷史建筑有關(guān)的信息采集和整理，明確建筑結(jié)構(gòu)附近的具體狀況，編制出科學(xué)合理的飛行計(jì)劃，確定出具體的重疊度、計(jì)算飛行高度等。與此同時(shí)，通過(guò)研究明確出適宜的地面信息收集形式，使空中影像和地面信息能夠有效結(jié)合，并對(duì)模型實(shí)施處理^[2]。

3.1.2" 航高設(shè)計(jì)

基于測(cè)區(qū)與附近建筑結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀況，在外業(yè)傾斜拍攝過(guò)程中，選擇DJ“Phantom4Pro”無(wú)人機(jī)，且地面分辨率超過(guò)0.05 m，依據(jù)公式（1）[A7]"對(duì)行高進(jìn)行計(jì)算：

具體指的是，當(dāng)相機(jī)在正射地面過(guò)程中，其相對(duì)航高不得大于387 m。因在拍攝期間相機(jī)傾角的設(shè)計(jì)傾斜為45°，為了能夠符合地面分辨率超過(guò)5 cm的要求，所以飛機(jī)高度應(yīng)保持在273 m以下。在此次拍攝中，相對(duì)行高需要控制在250 m。

3.1.3" 航攝影像獲取

無(wú)人機(jī)在外業(yè)傾斜拍攝環(huán)節(jié)中，空中傾斜的航向重疊的攝影測(cè)量需要設(shè)置在80%，而旁向重疊則設(shè)置為70%，在飛行過(guò)程中，根據(jù)DJ“Phantom4Pro”中的飛行軟件，采用傾斜攝影的方法開(kāi)展飛行。在完成飛行工作之后，全面檢測(cè)相片質(zhì)量，具體內(nèi)容包括相片色調(diào)、反差、色彩是否達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，能否分辨出和地面相對(duì)較小的地物影像，并且漏飛位置需要第一時(shí)間補(bǔ)飛^[3]。

3.1.4" 地面補(bǔ)充拍攝

為了防止因反光、角度等方面問(wèn)題，在進(jìn)行地面補(bǔ)充拍攝過(guò)程中，主要分為以下幾個(gè)環(huán)節(jié)。其一，如果地面建筑結(jié)構(gòu)立面超過(guò)2層，在拍照時(shí)，需要運(yùn)用大疆“Phantom4Pro”無(wú)人機(jī)，采取手控環(huán)繞飛行的方法，根據(jù)立面的實(shí)際范圍精準(zhǔn)設(shè)置航線，在不同拍攝位置捕捉3張照片，具體視角為垂直立面下傾與正射45°以及上傾45°，以避免航向重疊超過(guò)80%，旁向重疊高出70%，與建筑結(jié)構(gòu)立面間距控制在10～30 m[A8]"左右，分辨率大于2 cm。其二，在使用4Pro無(wú)人機(jī)時(shí)，需要操作人員手持Phantom站立拍攝建筑首層。在進(jìn)行拍照過(guò)程中，應(yīng)移除無(wú)人機(jī)設(shè)備中的螺旋槳，以保證穩(wěn)定與安全。在地面開(kāi)展拍攝工作時(shí)，重疊度應(yīng)超過(guò)80%，對(duì)于相同位置，應(yīng)從各個(gè)角度至少拍攝3次，而在連續(xù)拍攝期間，角度應(yīng)保持在15°以上。不同拍攝位置，收集2張照片，具體視角為垂直立面正射與上傾45°，防止出現(xiàn)遺漏細(xì)節(jié)的情況。

3.1.5" 空地聯(lián)合建模

在進(jìn)行聯(lián)合建模時(shí)，主要存在的問(wèn)題的是若相機(jī)在地面拍攝過(guò)程中，坐標(biāo)數(shù)據(jù)丟失，分辨率、拍攝角度和傾斜相片之間有著一定差異性，顯著提升共同影像匹配的難度，應(yīng)采用人工的方法增設(shè)照片的連接位置，以達(dá)到空三聯(lián)合平差的效果。在此次地面拍攝中，通過(guò)運(yùn)用手持大疆無(wú)人機(jī)的方法實(shí)施聯(lián)合建模，從而能夠全面處理以上問(wèn)題。在大疆無(wú)人機(jī)中，具有POS系統(tǒng)，在進(jìn)行空三解算過(guò)程中，可以與傾斜攝影信息全面結(jié)合進(jìn)行解算，簡(jiǎn)化相機(jī)拍攝期間手動(dòng)選擇連接位置的流程，降低人為干預(yù)，改善工作效率與精準(zhǔn)性^[4]。

3.2" 模型修飾

在完成模型構(gòu)建工作之后，一些細(xì)節(jié)方面依舊存在問(wèn)題，從而會(huì)對(duì)立面圖制作準(zhǔn)確性與模型質(zhì)量產(chǎn)生較大影響，應(yīng)對(duì)模型使用DP-Modeler軟件實(shí)施全面修飾。

3.2.1" 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

準(zhǔn)備三維模型（.obj與.osgb格式）、空三文件（.xml格式）以及原始影像（jpeg格式）。

3.2.2" 新建項(xiàng)目

導(dǎo)入準(zhǔn)備信息（在空三和影像的對(duì)應(yīng)中，導(dǎo)入三維模型分別為osgb和.obj格式）。

3.2.3" 修模

在修改紋理過(guò)程中，選用適宜的建筑結(jié)構(gòu)，具體內(nèi)容包括修改紋理、模型瓦片以及修改面，紋理自動(dòng)映射，使用相機(jī)視圖，采用圖片編輯軟件，合理進(jìn)行優(yōu)化修改，并儲(chǔ)存。

在進(jìn)行補(bǔ)洞時(shí)，選用合理的建筑物、修補(bǔ)面以及動(dòng)補(bǔ)洞，再實(shí)施修改和儲(chǔ)存。

3.2.4導(dǎo)出成果

采用解決方案資源管理器，選擇DP-Modeler文件，選擇右鍵，選擇批量導(dǎo)出。

在對(duì)模型進(jìn)行修復(fù)之后，對(duì)比以前墻面、玻璃等局部位置發(fā)生變形、損壞以及拉花的情況，利用DP-Modeler軟件實(shí)施處理之后得到顯著改善，可以為后期制定立面圖提供參考依據(jù)。

3.3" 立面圖繪制

在使用Autocad和3dsMax軟件進(jìn)行剖面與立面圖繪制時(shí)[A9]"：（1）運(yùn)用3dsMax軟件，上傳模型信息，采用前視角度的視圖圖框，調(diào)整成正交形式相同的色彩，并對(duì)截取到的立面影像區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化[A10]"；（2）在3dsMax軟件中，開(kāi)啟渲染器，使用渲染視圖，然后對(duì)截取范圍進(jìn)行合理設(shè)置，并運(yùn)營(yíng)染輸出，選擇路徑保存視圖[A11]"；（3）在Autocad軟件中，將光柵插入圖像，根據(jù)規(guī)定比例進(jìn)行縮放，使圖像能夠矢量化，增設(shè)建筑標(biāo)識(shí)，編制出適宜的圖框圖名[A12]"；（4）在剖面圖中，使用測(cè)距儀，測(cè)量出的結(jié)構(gòu)大小運(yùn)用Autocad進(jìn)行繪制^[5]。

3.4" 精度分析

在傾斜模型中，不同區(qū)域均涉及[A13]"三維位置數(shù)據(jù)，能夠?yàn)榱繙y(cè)計(jì)算提供支持?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量出的邊長(zhǎng)和三維模型測(cè)出的邊長(zhǎng)對(duì)比，邊長(zhǎng)較差最高為0.09 m，最低為0.04 m；而高度較差最高為0.11 m，最低為0.05 m，符合相關(guān)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。

4" 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文結(jié)合實(shí)例，對(duì)無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量在古建筑測(cè)繪中的精度優(yōu)化進(jìn)行全面分析。在古建筑測(cè)繪中，通過(guò)合理運(yùn)用貼近攝影技術(shù)、無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)等，能夠獲取到各種關(guān)鍵信息與潛在使用價(jià)值。因此，將無(wú)人機(jī)測(cè)量技術(shù)大范圍應(yīng)用到古建筑測(cè)繪領(lǐng)域，對(duì)于保護(hù)古建筑以及記錄歷史文化資料提供全新的途徑與思路。

參考文獻(xiàn)

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