无人机倾斜摄影测量在历史建筑测绘中的应用

张春明 荣 幸

（吉林市测绘院,吉林 吉林 132011）

0.引言

目前采用三维建模的方式对历史建筑的现状进行记录、存档大致经历了三个阶段：第一阶段是以人工建模为主的三维模型构建方式，这种建模方式工序繁琐，效率低，模型表达效果一般；第二阶段是利用三维激光扫描技术来构建模型，这种方式无需接触观测对象,精度高，并且能够快速连续进行扫描，使得三维激光扫描成为一种主要的三维模型构建方式。同时三维激光扫描技术也面临一定的问题：其外业自动化程度高，但内业处理繁琐；生产周期长，效率低，生产成本高；建筑物顶部存在扫描肓区，软件处理效率偏低，适用于小体量的精细模型构建。第三阶段是利用无人机倾斜摄影测量技术来构建三维实景模型。

采用无人机倾斜摄影测量技术建立三维实景模型，不仅大大降低了三维建模的生产成本，而且提高了生产效率，使得快速建立高精度三维模型的想法得以实现。本文主要探讨了利用无人机倾斜摄影测量技术来快速构建城市历史建筑三维实景模型的方法，对方案选择、空地融合方式处理、内业建模修模、立面图制作的全技术流程进行了介绍，形成了完整详细的技术方案，并对核心技术要点进行了详细阐述。

1.倾斜摄影测量关键技术

1.1 像片重叠度保证

按照《低空数字航空摄影规范》要求，“航向重叠度一般应为60%～80%，最小不小于53%；旁向重叠度一般应为15%～60%，最小不小于8%”。在无人机倾斜摄影建模时，上述重叠度是明显不够的。多层建筑和高差变化小的区域作业时，航向、旁向重叠度最低应不小于70%。建筑密集区域影像重叠度最大可设计为80%～90%，必要时还可以采用交叉飞行方案增加观测数据，有效解决建筑物相互遮挡问题。影像重叠度的增加同时会带来数据量的增大和处理效率的降低，在方案设计时要二者兼顾。

1.2 摄区边界覆盖保证

按照《低空数字航空摄影规范》要求，“航向覆盖超出摄区边界线应不少于两条基线。旁向覆盖超出摄区边界线一般不少于像幅的50%，这在无人机倾斜摄影时是明显不够的。理论上要求边缘地物与测区中心的特征点一样，可以在像片的任意位置显示。考虑到测区的高差等情况计算航线外扩的宽度。如式（1）所示：

1.3 航高设计要求

航高根据航摄区域楼高、地面分辨率、现场周边情况综合考虑计算。如式（2）所示：

1.4 精度指标确定

目前针对三维模型方面的相关规范标准主要有《城市三维建模技术规范》（CJJ/T 157-2010）、《三维地理信息模型数据产品规范》（GB/T 7930-2008）、《倾斜数字航空摄影技术规程》（CH/T 3021-2018）、《三维地理信息模型生产规范》（CH/T 9016-2012）。结合历史建筑建模的特点及要求，可以按照《城市三维建模技术规范》3.1.3 中规定（如表1 所示）的精细模型平面尺寸和高度精度不宜低于0.2m 的要求进行模型生产。

表1 《城市三维建模技术规范》中模型分类精度表

2.工程实例分析

2.1 倾斜摄影建模

2.1.1 工程概况

某历史建筑位于市中心，为砖瓦结构，外挂水泥面的多层建筑，坐北朝南，通长约80m，宽约20m。周围楼房林立，紧邻西侧有百米高层建筑，飞行环境复杂。

2.1.2 软硬件设备准备

硬件：大疆创新DJ“IPhantom 4Pro”无人机；计算机服务器集群。

软件：Context Capture 建模软件；DP-Modeler 修模软件；3DMax、PhotoShop、Autocad 绘图软件。

2.1.3 建模流程

外业正式作业前需要收集、整理历史建筑的相关资料，对建筑的周边情况进行实地踏查确认，研究选择适合的飞行方案进行航线设计、行高计算及重叠度的确定等工作。同时研究确定地面数据采集方法，将地面数据与空中影像进行数据融合处理建模。模型建立后利用修模软件对模型局部缺陷进行修饰，配合CAD、3DMAX 等软件制作立面图，结合现场建筑内部实测数据制作建筑剖面图。建模技术流程（如图1 所示）：

2.1.4 航高设计

根据测区及周边建筑情况，选用DJ“IPhantom 4Pro”无人机进行外业倾斜拍摄，地面分辨率优于0.05m，根据公式（2）计算相对行高为：

h=f×GSD/a=35mm×0.05m/4.52um=387m

即在相机正射地面时，相对航高最大不超过387m。由于拍摄时相机倾角设定为45°倾斜，为满足地面分辨率优于5cm，故飞机飞行高度不得大于273m。本次相对行高设定为250m。

2.1.5 航摄影像获取

无人机进行外业倾斜拍摄时，设定空中倾斜摄影测量航向重叠80%，旁向重叠为70%，飞行时按DJI“Phantom 4Pro”自带飞控软件选择倾斜摄影模式进行飞行。飞行结束后对相片的质量进行检查，相片反差、色彩、色调是否符合要求，是否能辨别与地面分辨率相适应的细小地物影像，有漏飞的地方及时补飞。

2.1.6 地面补充拍摄

为避免由于角度、遮挡、反光等问题使建筑部分侧面纹理信息丢失，模型出现空洞、扭曲、变形等问题，考虑周边环境、复杂程度及效率因素，决定采用地面补充拍摄照片的方式来实现空地联合建模。地面补充拍摄分两个阶段进行：第一阶段是地面2 层以上建筑立面采用大疆“Phantom 4Pro”无人机手控环绕飞行进行拍照，按照建筑物立面范围布设航线，每个拍摄点获取3张照片，视角分别为上倾45°、垂直立面正射、下倾45°，保证航向重叠不低于80%，旁向重叠不低于70%，距建筑物立面10m-30m，分辨率优于2cm。第二阶段是采用人工站立手持“Phantom 4Pro”无人机对首层建筑进行拍照。拍照时要将无人机的螺旋桨卸掉，确保安全。地面拍摄时要保证重叠度不低于80%，对同一位置从不同角度拍摄3 次，连续照片的拍摄角度不超过15°。每个拍摄点获取2 张照片，视角分别为上倾45°、垂直立面正射，保证不遗漏细节。

2.1.7 空地联合建模

联合建模最核心的问题就是如果相机地面拍摄的照片没有坐标信息，拍摄角度、分辨率与倾斜相片差异较大，影像共同匹配就会很困难，需要通过人工为照片增加联接点的方式来实现空三联合平差。本次采用手持大疆无人机拍摄地面照片的方式来进行联合建模，有效解决了这一问题。大疆无人机自带POS 系统，在空三解算时能够更好地和倾斜摄影数据融合到一起解算，减少了相机拍摄时手工选择联接点的步骤，人为干预更少、效率更高、精度更好。建好的实景三维模型和局部细节展示（如图2 所示）：

图2 实景三维模型

2.2 模型修饰

建好的模型局部细节仍会存在瑕疵，影响模型质量和立面图绘制精度，需要导入DP-Modeler 软件对模型进行修饰。修模具体步骤如下：

2.2.1 数据准备

将空三文件（.xml 格式）、原始影像（.jpeg 格式）、三维模型（.osgb 格式和.obj 格式）准备好。

2.2.2 新建项目

导入准备数据（空三与影像对应上，分别导入.osgb、.obj 格式三维模型）。

2.2.3 修模

纹理修改：选择建筑→选择需要修改的模型的瓦片→需要修改的面→自动纹理映射→选择需要修改的纹理→相机视图→图片编辑软件（PS）修改并保存→重新加载。

补洞：选择建筑→选择需要补的面→自动补洞→修改并保存→重新加载。

2.2.4 导出成果：解决方案资源管理器→DP-Modeler 文件→右键→批量导出。

模型修复前后对比效果（如图3、图4 所示）：

图3 模型一修模前

图4 模型一修模后

通过模型修复前后效果对比可以看出，玻璃、墙面等出现局部破损、拉花、扭曲现象的部位，通过DP-Modeler 软件处理后模型效果得到很大改善，为后续立面图绘制提供了更好的模型基础。

2.3 立面图绘制

利用3ds Max、Autocad 软件绘制立面图和剖面图。具体作业流程如下：

（1）打开3ds Max 软件→导入模型数据→选择前视视图图框→调节为正交模式一致的色彩（去掉建筑阴影）→调整好需要截取的立面影像位置。

（2）打开3ds Max 软件中的渲染器—设置渲染视图→设置为调整好的截取范围→设置渲染输出（一般为 1920×1080、RGB Alpha、tif 格式）→保存视图→选择保存路径。

（3）打开Autocad 软件→插入光栅图像→按比例缩放→图像矢量化→添加建筑标识→制作图框图名→立面矢量图。立面图成果（如图5 所示）：

图5 立面图

（4）剖面图采用测距仪内部量测结构尺寸用

Autocad 绘制（如图6 所示）：

图6 剖面图

2.4 精度分析

倾斜模型上的任意位置都包含三维位置信息，可以进行量测计算。现场实测边长与三维模型量测边长对比（如表2 所示），高度对比（如表 3 所示）：

表2 边长精度统计表

表2 边长精度统计表

从以上数据可以看出，边长较差最大0.09m，最小0.04m；高度较差最大0.11m，最小0.05m，满足规范要求。

3.难点分析

（1）历史建筑大多分布在建成区，很多目前仍作为办公、生产、生活场所，周围建筑物密集，人流车流大，飞行安全是首要问题，飞行前应进行现场踏勘，充分了解周边环境，选择有经验的飞手并做好应急预案。

（2）传统地面数据采集方式多采用数码相机来拍摄照片，这类照片没有POS 信息，在与无人机数据融合匹配时需要人为干预且容易出现问题。采用人工站立手持无人机方式对建筑进行拍照与地面相机拍摄照片相比，在空三解算时能够更好地和倾斜摄影数据融合到一起进行联合解算，人为干预更少，效率更高，精度更好。

（3）倾斜摄影测量数据量大，内业数据处理对计算机性能要求高，有条件的话可以建立服务器集群进行并行处理。

4.结束语

通过具体案例从外业飞行、空地融合处理、内业建模修模、立面图制作的全技术流程进行了详细论述，为后续实际项目应用提供了完整详细的技术方案。经数据验证，模型精度达到了《城市三维建模技术规范》对精细模型的精度要求，可以在历史建筑测绘生产中进行推广应用。今后，如果能将倾斜摄影测量技术和BIM相结合，建立内外一体，高精度、全要素的历史建筑三维模型，将为历史建筑的保护利用提供更完整、丰富的数据信息。