摄影测量在建筑尺寸识别及模型构建中的应用★

况中华 李鑫奎 周向阳

(上海建工集团工程研究总院,上海 201114)

0 引言

现代数码技术、计算机技术科技的飞速发展激发了建筑业的自动化和工业化转型。伴随着数码、计算机等自动化高效技术的引入，建筑业也日益趋向于智能化。与此同时，应用于建筑工程上的测量手段和方法由传统的人工测量逐渐向机器自动化测量转变，从人工向自动化的革新正在进行。目前，建筑工程中主流的自动化测量技术当属摄影测量，摄影测量技术推动着建筑工程向数字城市建设转变，通过对建筑物的三维尺寸识别，重构建筑实景模型，让工程建设人员更便捷、更直观获取建筑物的尺寸信息。本文对摄影测量技术在建筑工程中的应用展开了研究，旨在为其摄影测量技术及建筑构建尺寸自动化识别技术的发展提供可靠的理论依据与实践经验。

1 应用背景

摄影测量技术应用领域较为广泛，比如地勘、工业、建筑、考古等行业。摄影测量技术可用于勘察地形尺寸，建立地形数据库；测量骨骼、肌肉线形尺寸，构建生物体模型；测量建筑物的几何尺寸，形成建筑物的三维点云数据，进而构建三维实景模型等等。

随着建筑业逐步向智能化和工业化转变，摄影测量技术在建筑业中得到快速发展，通过摄影测量数据构建建筑物的三维实景模型成为智慧建造的一项重要技术。

2 数字摄影测量

2.1 数字摄影测量过程

摄影测量是通过对被测物体的影像进行解析处理，获取被测物体的几何物理信息。其实现的过程为先获取被测物体的多张像片影像，再利用不同的解析技术从图影中获取被测物体的几何与物理信息。按技术处理手段的不同，摄影测量可分为模拟摄影测量、解析摄影测量、数字摄影测量三类。

本文研究的建筑构件几何信息识别采用的是数字摄影测量技术。数字摄影测量是通过影像匹配针对多张不同位置(角度)的像片进行影像相关，获取每两张像片中的同名像点，进而将多张不同位置(角度)的像片进行两两相关，拼接成连续完整的物体像片，从而获取完整的物体几何物理信息。

2.2 影像相关技术

数字摄影测量在进行被测物体的多张像片匹配时采用的是数字相关技术：通过将被测物体的原始像片中的灰度信息转换为数字信号，再将每张像片的数字信号以函数形式表示，从而被测物体的每张像片被转换成为多个函数。针对上述的多个函数，建立两两相关的相关函数，通过相关函数的数值大小来评价对应两张像片的影像相似性，并确定两张像片的影像同名点。

两张像片的影像同名点的确定是先在一张像片中取出以某个待定点为中心的小区域中的影像信号(数字化信号)；同样，在另一张像片的对应区域取出影像信号，计算上述两张像片中相同区域影像信号的相关函数，获取相关函数的峰值，把相关函数峰值对应的区域中心作为上述两张像片的影像同名点。即把两张像片的影像信号分布最相似的区域作为同名区域，同名区域的中心点即为同名点。

获取了两张像片的影像同名点，就可以将两张像片在同名点位置进行重叠匹配，以此类推，将被测物体的多张像片进行两两重叠匹配，使得多张零散的像片连续的排列，形成一个完整的物体像片，最终便可得到完整的物体几何物理信息。

2.3 数字相关算法

数字摄影测量中采用的数字相关的主要任务是计算像片的影像数字信号的相关函数，并根据一定的准则(可以自定义准则)，来比较两张像片的影像相似度。以事先自定义的相似度限值为标准，当影像相似度(相关函数数值大小)大于标准即可认定上述两张像片为同名影像块(相似度较大的影像组合)，进而再确定上述两张像片的同名点；当影像相似度小于标准时，则认定上述两张像片为非同名影像块，然后替换上述两张像片中的一张再进行相关对比。

数字相关的方法分为二维相关和一维相关，本文采用二维相关进行多张像片的影像相关。数字相关的计算方法如下：

丽水市本级储备土地和房屋遍及城区5个街道40多平方公里区域270多个地块，点多面广、政策处理不彻底、地表情况复杂，再加上原先市储备中心人手不足，储备地块和房屋无法得到有效、规范的管理，闲置土地出租价格参差不齐，地块巡查不到位，出现部分储备地块被侵占、乱倒渣土和垃圾等现象，部分储备土地、房屋（店面）长期闲置，没有发挥应有的价值。

1)以两张像片作为计算对象，选定一张像片作为目标像片，下文称为左影像，另一张像片作为搜索像片，下文称为右影像。在左影像上先选定一个像素点作为待定点，称为目标点，以该待定点为中心选取m×n(可取m=n)个像素点的灰度阵列作为目标区。

2)在右影像中选取一个比左影像的目标区更大的区域作为搜索区，搜索区的灰度阵列为k×h(k>m，h>n)个像素。

3)在搜索区中按一定顺序，逐步取出与目标区相同大小的区域作为搜索窗口，搜索窗口的灰度阵列为m×n个像素灰度阵列，并计算相关区与目标区的相关函数，以相关函数的数值大小作为评判两者相似性的相似性测度：

其中，i0，j0均为搜索区中心像素，如图1所示。当ρ取最大值时，该搜索窗口的中心像素被认为是同名点。

3 实景应用

3.1 案例概况

选取一建筑的L型圈梁进行实地应用。在圈梁顶部的长边上布置了两个反光片，反光片中心间距1 m，作为基准标距用于尺寸解析。

圈梁及标距反光片位置如图2所示，其中虚线圈标记处为反光片位置；选取了圈梁构件5处尺寸进行测量分析，如图2实线标记的A～E。

3.2 现场摄影

沿L型圈梁外圈至内圈连续拍照40次，拍照顺序从外圈短边起点延伸至外圈长边终点。拍照顺序如图3所示。

3.3 影像匹配

将现场拍摄的40张像片按顺序编号排列，并且每两张相邻像片保证照片前、后端有10%的图像重叠，这样可将现场拍摄的40张像片进行连续匹配。

通过将上述每张像片中的影像灰度按灰度等级进行数字化表示，并转化成数字信号，使得每张像片转化成为数字化函数。同时，标记出L型圈梁的起点、拐点及终点，以便在后处理时解析出圈梁实际形状轮廓。标记出现场布置的反光片，以反光片间距1 m作为构件尺寸识别后处理的基准。

3.4 模型构建

将联系匹配的像片导入图片解析后处理软件中，通过连续照片的拍摄角度及光照阴暗程度解析出每张照片的相对位置，从而获取出摄影镜头路径，如图4所示。

从修正模型中量取A～E各边的尺寸，与实际尺寸进行对比，判断摄影测量的准确性。从表1可得，摄影测量的误差基本在1 cm左右，可满足工程测量的需求。

表1 构件模型误差表 mm

4 结语

摄影测量不仅测量精度能满足建筑工程要求；同时像片的采集不受设备限制，可以是任意具备摄影功能的设备，测量操作过程相对简单、快捷，为建筑工程提供了一种新型的测量方法。

与此同时，摄影测量可通过摄影像片快速获取构件的几何物理信息，自动进行建筑物的三维实景模型重建，提高了建筑业的信息化和自动化。