用普通数码相机采集建筑物立面信息及立面图绘制

罗运海，王国辉，陈运贵，陈嘉成

(1.广东工业大学土木与交通工程学院，广东广州 510006;2.佛山市广联检测技术有限公司，广东佛山 528300)

古建筑往往由于时间久远而建造时的施工图纸大都完全遗失或是残缺不全，一旦受到意外破坏(如火灾、地震倒塌)，要想重建会遇到很大困难。因此，建筑图测绘是古建筑保护的一项重要内容。为了保护和维修具有文物价值的建筑，需要绘出建筑图。建筑立面图是建筑图重要组成，建筑立面图描述建筑物外观形态信息及各门、窗与墙面布局的位置关系。

测绘建筑物建筑立面图的传统方法有常规测量方法、近景摄影测量方法、激光三维扫描方法等。常规测量方法比较简单，但是每一次量测所采集建筑物立面的信息较少，且耗用大量时间。尤其是对特殊形式的古建筑物或欧式建筑，其立面上的复杂脚线、浮雕、装饰曲线等就很难完整地测绘出来。激光三维扫描方法可以获取丰富的建筑物立面信息，但是数据处理需要专用软件，也需要耗用大量的内业时间，且设备费用昂贵。近景摄影测量方法可快速获取建筑物立面的空间信息，但采用传统的近景摄影测量方法需要专用的相机，且测量条件要求比较苛刻，要求有固定设站构成固定基线，还需要用常规测量方法进行控制测量，对城市中心楼群密集，场地狭小的情况不易实施［1］。为解决这些问题，本文介绍一种手持普通数码相机采集建筑物立面信息，使用数字化近景摄影测量系统软件绘制立面图的方法。该方法既不受场地条件限制，又不需要专用仪器设备，能方便、快捷地采集信息，翔实和精确地测绘出建筑立面。

1 基本理论

用普通数码相机采集建筑物立面信息及绘制立面图，主要采用数字化近景摄影测量和计算机辅助制图原理。数字化近景摄影测量基本原理就是根据图1中目标点A及其像点a和摄影中心M共线，按P-H算法［2］可以得到像点a的像空间坐标与其相应目标点A和摄影中心M的物方空间坐标的关系为

式中，x，y为目标点的像坐标;f为相机主距;X，Y，Z为目标点的物方空间坐标;XS，YS，ZS为摄影中心的物方空间坐标，S为比例因子，R为旋转矩阵，其表达式为

式中，

图1 像空间坐标与物方空间坐标的关系

数字化近景摄影测量系统自动将测量得到的建筑物特征点的三维坐标输入到AutoCAD软件系统，再根据绘图需要选择投影平面，将相关特征点连接成直线或曲线，输入比例尺，绘出立面图。

2 实验和应用实例

用普通数码相机采集建筑物立面信息及立面图绘制所需的硬件设备是计算机和数码相机，软件系统是数字化近景摄影测量系统。本次试验采用的数码相机为佳能ixus 230 hs，有效像素为1 210万，镜头标称焦距为28 mm，28 mm广角。

2.1 相机焦距和镜头畸变的检测

为了提高近景摄影测量的精度，对相机的焦距进行了检测，以确定标称焦距与实际焦距的差别，以便确定其对近景摄影测量的影响程度［3］。首先选择一平整墙面，测量其上两标志点间的距离D，并测量摄影中心到墙面的垂直距离L，当量测出相应于该两标志点的相面距离d后，实际焦距f公式为

若数码相机是自动变焦时，可利用数字化近景摄影测量系统拟合出相机的最佳焦距。

为了减少数码相机镜头畸变对摄影测量精度的影响，提高像片量测精度，需要对镜头畸变进行检测，计算出镜头畸变改正系数，进而施加镜头畸变改正。本次试验选用的镜头畸变改正的数学模型［4］为

式中，x改，y改为施加镜头畸变改正后的像点像坐标;x，y为量测的像点平面坐标;r为像点到像片中心的像径，即 r2=x2+y2，k1，k2，k3为镜头畸变改正系数。

在相机镜头畸变检测实验室，根据已知坐标和已知参数计算出各点的像空间坐标的理论值，进而按式(3)计算出镜头畸变改正系数 k1，k2，k3。将未施加镜头畸变改正计算得到的未知点物方空间坐标和施加镜头畸变改正后测算坐标，分别与它们的理论坐标进行比较，限于篇幅，仅以部分点的结果列于表1和表2。

表1 未知点未施加镜头畸变测算坐标与理论坐标对比

表2 未知点施加镜头畸变改正后的测算坐标与理论坐标对比

将测算坐标与已知坐标的差值看做真误差，未施加镜头畸变改正测算得到的物方空间坐标的中误差分别为σx=2.91 mm，σy=11.16 mm，σz=3.40mm，施加了镜头畸变改正后测算得到的物方空间坐标中误差分别为 σx=1.61 mm，σy=6.95mm，σz=1.18 mm。从表1和表2的结果对比可以看出，经过施加改正数后，x，z轴方向测算坐标中误差提高了约2 mm。另外，物方空间坐标Y轴方向与建筑物的正立面垂直，其误差对立面图影响可以不考虑。

2.2 试验的流程

量取基准长度和已知边长→拍照→照片数据输入计算机→量测像点坐标→输入计算参数→计算、输出各点物方空间坐标→绘制立面图。

2.3 特征点坐标数据的存储与立面图的绘制

用数字化近景摄影测量系统计算出建筑物特征点(房角、门和窗户角点等)的物方空间坐标(dat.cor文件)，输入AutoCAD，根据各特征点之间的位置关系直接绘制立面图。

建筑立面图的内容主要包括图名、比例及建筑物朝向，建筑物立面的外轮廓线形状、大小，外墙上建筑构配件(如门窗、阳台、雨水管)，外墙面的装饰，立面高程等。因此，应选取能表达建筑立面图内容的关键点作为特征点来量取。

2.4 应用实例

以某工商银行建筑物为例，验证使用普通数码相机采集建筑物立面信息及绘制正立面图。

在建筑物立面信息采集中，手持数码相机从多个角度对工商银行的正立面进行整体和局部的拍摄，每个拍摄点拍摄若干张像片，本次试验共拍照12张。整个拍摄过程不设站，不布控制点，要求每两张像片之间有60%以上的重叠度，某工商银行拍摄的图片如图2所示。

图2 某工商银行图片

使用数字化近景摄影测量系统测算出建筑物特征点的像坐标如表3所示。

为了检验测量精度，在实际应用中用钢尺量取该工商银行建筑物的总宽度和门的高度，分别和坐标反算的结果对比，检验出其误差范围在±1 cm以内。

表3 部分特征点的物方空间坐标 m

将建筑物正立面各特征点的相关坐标输入到AutoCAD软件中，按1∶100的比例绘制立面图，其步骤如下:连结同一立面中位于同一直线上的特征点，绘制外墙轮廓线、门窗洞口和地坪线→对不同材质的部件进行图案填充，初步还原建筑物外貌特征→添加尺寸标注、立面高程和相应文字说明→添加图框、标题栏，并填写标题，最终绘制出某工商银行建筑立面图，如图3所示。

图3 某工商银行正立面(单位:m)

3 结语

用普通数码相机结合数字化近景摄影测量系统来绘制建筑立面图得出的长、高尺寸精度能达到±1 cm以内，能够满足立面图绘制的精度要求。该方法成本低、便携，避免了复杂的外业，不易受温度变化、振动等外界因素的干扰。特别是对于古建筑的保护，利用普通数码相机进行近景摄影测量，具有很好的发展前景。

［1］冯文灏.非地形摄影测量［M］.北京:测绘出版社，1985.

［2］谭燕，邹峥嵘.近景摄影测量中不测定初始值的旋转矩阵构成方法研究［J］.测绘科学，2009(9):28-31.

［3］石栓虎.近景摄影测量精度影响因素分析［J］.交通科技，2009(3):63-64.

［4］马莉，王国辉，李锦城，等.数码相机镜头畸变对变形监测精度的影响及其改正方法［J］.铁道建筑，2006(11):106-108.