低空无人机倾斜摄影在历史建筑测绘中的应用研究

吴正伟

泰州市地理信息测绘院 江苏 泰州 225300

近几年，低空无人机倾斜航摄技术发展迅猛，成为测绘与地理信息领域研究的热点问题，倾斜三维模型的应用越来越广泛，在实景三维中国建设、河道生态巡查、消防应急救援、电力设施巡检、国情普查等方面发挥着不可替代的作用。基于低空无人机倾斜航摄系统生成的成果多样且可多用，能同时构建倾斜三维模型，创建数字高程模型（DEM），绘制高精度地形图，获取建筑物的立面信息等，过程简单易行、高效低危、灵活机动[1]，在完成复杂测绘任务方面优势明显。

历史建筑承载了特定时期内一座城市的政治、经济、文化的发展状况，凝结了城市传统文化的精髓，属于不可再生资源，影响着城市的核心竞争力[2~4]。泰州市属于江苏省首批公布的历史文化名城，城市建设历史近2100年，有着较丰富的历史遗存，其历史街区内存有明、清、民国时期的建筑，具有很高的艺术、历史和学术价值的已经被公布为文物保护单位，对于市区内尚未列为文保单位的历史建筑，能反映出泰州区域历史风貌和地方特色，彰显历史文化名城完整格局和整体风貌，具有研究价值，提高对非文保单位的历史建筑认识的深度和广度很有必要，完成历史建筑测绘工作为首要任务，为历史建筑的保护、历史文脉的延续和城市品质的提升建立数据基础。

传统的测绘方式主要依靠人工现场架设全站仪等测绘仪器完成数据采集，历史建筑区域建筑密度大、间隔较小，不利于传统测绘活动的开展，并且人工接触式的测绘方法容易对建筑本身造成不可逆转的损坏，而三维激光扫描技术和无人机倾斜摄影测量技术采用非接触式数据获取方式，在古建筑测绘方面具有独特优势[5~6]。三维激光扫描仪的使用需要在测区多次架站完成，效率较低，低空无人机倾斜航测利用多镜头集成相机完成空中航拍，后期利用建模软件自动完成模型的构建，能生成稀疏点云、实体模型、正射影像图，一次航摄多种成果，借助于三维立体测图软件可高效完成建筑的平面图、立面图、剖面图的绘制，倾斜模型本身可作为基础数据保存。飞马D200S无人机倾斜航测系统采用多旋翼飞行平台，搭载五镜头相机，免相控完成航摄，使用方便、数据采集效率高、精度满足要求，成果逼真，为古建筑测绘提供精准可靠的基础数据[7]。

1 无人机倾斜摄影测量原理及特点

1.1 无人机倾斜摄影测量原理

摄影测量本质上是从二维影像构建三维模型，再在三维模型中提取各种信息的技术[8]。无人机倾斜摄影测量技术主要依托无人机平台，搭载多镜头高分辨率数码相机，在集成控制系统下，采集建筑物的垂直和侧面多视角影像，机载定位设备自动保存无人机飞行姿态和位置信息，影像和位置数据经过空三计算、影像密集匹配、三角网创建和纹理映射等处理生成建筑物的三维实体模型[9]。传统的航空摄影测量方法只从垂直方向采集影像，倾斜摄影测量弥补了这种不足，同时获取建筑物顶面和侧立面的影像信息，构建出的建筑物三维实体模型精度高、纹理清晰、真实性强。

1.2 低空无人机倾斜航摄的特点

（1）飞行高度低，航摄影像清晰

低空无人机倾斜航摄作业的高度一般在100m至1000m的高度范围内，比传统的大飞机更加接近航摄对象，其搭载的相机载荷获取的影像分辨率较高，纹理清晰，所摄影像分辨率最好可达0.02m，可用于建立高精度数字地面模型（DSM）。

（2）倾斜航摄影像重叠度高

由于航高较低，为保证影像特征匹配和三维自动建模的效果，倾斜航摄重叠度的设置要按需提高，航向重叠度可设置为80%，旁向重叠度可设置为70%。

（3）像幅小，多角度航摄相片数量多

无人机倾斜摄影系统搭载的任务载荷为非量测相机，像幅一般较小，多角度航摄下，相片很多，对后期数据处理效率有所影响。

2 飞马D200S五镜头倾斜航测系统构成

飞马D200S五镜头倾斜航测系统主要由无人机飞行平台、航摄相机、飞控系统和后期数据处理软件构成。

2.1 飞马D200S倾斜航测系统飞行平台

飞马D200S五镜头倾斜航测系统的航飞平台为旋翼4轴4旋飞马无人机，其多路冗余传感器的设计可保障高质量航飞作业，主要参数如表1。

表1 飞马D200S航飞平台主要参数

飞马D200S无人机RTK(Real-time kinematic，实时动态)系统由地面GNSS(Global Navigation Satellite System)基准站、GNSS接收机（机载）、差分数据处理系统及数据发射器组成。内置高精度差分GNSS板卡，为双频导航模块，参数如表2。PPK（Post-Processing Kinematic，动态后处理差分）、RTK融合作业模式，支持POS辅助空三，能实现无控制点高精度成图。悬停状态下RTK水平精度为1cm+1ppm，垂直精度为2cm+1ppm，融合差分的作业模式提高了每张航拍相片的位置精度，保证了航测系统免像控模式的有效性。

表2 飞马D200S无人机双频导航模块主要参数

2.2 倾斜摄影相机

飞马D200S无人机搭载的D-OP400五镜头倾斜摄影相机，是基于Sony a7rⅢ相机研发的五拼倾斜摄影载荷模块，采用五相机（四方向倾斜+垂直视角）设计方案，具备高质量的侧面纹理采集及高效率的作业能力，适用于城区大面积的三维建模工程。五拼倾斜摄影载荷可以同时获取5个方向的地面纹理特征，采用中间35mm焦距正摄镜头，外置四个50mm焦距倾斜镜头，其作业效率高，相机主要参数如表3。

表3 D-OP400五镜头倾斜摄影相机主要参数

2.3 飞控系统

飞控系统作为无人机航测系统的大脑部件，操控并监测无人机整个飞行过程，执行任务指令，获取无人机航向、速度、位置、高度、飞行姿态等信息，通过数据通信和图像传输实时显示，供地面人员观察与决策。飞马D200S的飞控系统和POS数据解算处理在“无人机管家专业版”软件中一站式完成，飞马无人机管家实操简单易行，精准规划航线、实时监控航飞、快速解算数据，支持飞行数据共享、信息发布、工程同步、自动记录分析飞行数据并展示，生成DEM、TDOM、DSM、真三维模型、标准LIDAR点云等，并具有三维浏览功能。

2.4 后期数据处理软件

后期数据处理软件主要是对采集到的原始影像数据进行整理、配准、校正、拼接工作，生成高分辨高精度的影像图、倾斜三维模型等成果[10~12]。ContextCapture是一种常用的三维建模软件之一，具备集群分布式运算功能，实现多个计算节点同时处理相同的任务，主要包括Master、Engine、Viewer三个模块。在Master中创建工程和查看任务进度，Engine是引擎端，开启后，进行空三和重建任务。Viewer主要用于加载并浏览三维模型，并可量测模型的坐标、距离、面积体积等几何要素。

3 倾斜航测项目实施

3.1 泰州市历史建筑测绘项目概况

为完善泰州历史文化名城保护体系，对尚未列为文保单位的历史建筑进行测绘为一项首要任务。根据项目委托方泰州市海陵区住房和城乡建设局的要求，对涵东涵西街、渔行、城中历史建筑群中共计31处具有保护和研究价值的建筑进行测绘，渔行历史建筑区域南北向长度约400m，东西向长度约410m，涵东涵西街历史建筑区域南北向长度约300m，东西向长度约450m，城中历史建筑区域南北向长度约330m，东西向长度约430m，三个区域相距较远，需要分开进行航测，区域内大多为一层房屋，周边有少量高层建筑。

3.2 航摄作业流程

三个历史建筑区的共同特点就是建筑之间的间隔较小，传统的测绘方法难以实现，应用飞马D200S五镜头倾斜航测系统可快速获得建筑的影像数据和位置信息，航摄作业流程见图1。

图1 无人机倾斜航测作业与三维建模流程

3.3 无人机起降点选定与航线敷设

实地勘查时，无人机起降地点的选定需要满足飞马D200S机型的特性要求，作业地点必须为半径大于5m的平地，周边空旷，人流量小，确保50m范围内不存在高压线、高压铁塔、高楼及信号塔等，最大限度减少环境磁场干扰，保证无人机安全起降。

涵东涵西街、渔行、城中历史建筑区域之间距离较远，分三个摄区进行航摄，在飞马无人机管家智航线模块中按照系统自带影像地图划出三个测区范围线，其中涵东涵西街历史建筑区域航线规划如图2。根据测区的建筑物分布情况，保证倾斜三维模型构建精度，航高设定为180m，地面分辨率为3cm，航向重叠度设置为80%，旁向重叠度设置为70%。

图2 涵东涵西街历史建筑区域倾斜航线规划图

3.4 倾斜航摄数据整理检查与三维模型生成

航摄作业完成后，对数据进行整理与检查，保证相片数据与POS数据相互对应，删除试拍数据，五镜头倾斜相机的数据分组存储至不同的文件夹，包含相片数据和对应的POS数据。在飞马无人机管家软件中对倾斜航摄数据进行差分数据融合解算，得到精度更高的POS数据，在ContextCapture Master中导入POS数据和对应的相片，设置运行参数，上传空三处理任务，完成后检查生成的稀疏点云，点云正常排序即可进入模型构建阶段，若存在错乱的现象需要重新提交空三任务或重飞[13]。涵东涵西街历史建筑局部区域倾斜三维建模成果如图3所示。

图3 涵东涵西街历史建筑局部区域倾斜三维建模成果

3.5 倾斜模型单体化

倾斜模型单体化是将指定范围的建筑物从区块模型体中分离出来，用于单独存储和研究，先在正射影像图中绘制单体建筑的范围线如图4，导入DP-Modeler软件进行单体化建模，DP-Modeler是一款倾斜摄影三维建模软件，为武汉天际航自主研发，主要功能是精细化单体建模及Mesh网络模型修饰[14~16]。徐家桥东巷11、12号潘宅单体化后模型如图5。

图4 涵东涵西古建筑位置示意图

图5 单体化倾斜模型

3.6 历史建筑平面图、立面图、剖面图制作

制作历史建筑平面图、立面图、剖面图等图件，记录建筑物的详细数据，便于历史建筑物后期的修缮和保护[17]。将单体化的建筑物模型导入iData3D南方三维立体数据采集软件进行平面图、立面图、剖面图的制作，以徐家桥东巷11、12号潘宅为例，如图6-9所示。

图6 屋顶平面图

图7 平面图

图8 剖面图

图9 南立面图

4 倾斜模型成果质量评定与精度检验

倾斜模型成果的质量由多方面决定，主要取决于航摄相片质量、相片之间的重叠度以及建模软件的性能。在三维模型浏览器中可观看模型的纹理、结构、色彩等，从涵东涵西街历史建筑倾斜模型中可看出，建筑以及地面的纹理清晰、结构基本明朗、色彩饱和匀称，符合倾斜建模要求。

布设倾斜模型成果精度检查点在航摄作业实施之前完成，遵循测区范围内均匀分布的原则，在较为空阔的区域用鲜艳的油漆喷涂像控标识，运用GNSS-RTK设备采集像控标识的角点坐标与高程值作为实测数据，利用南方iData3D三维立体数据采集软件获取对应点的倾斜模型平面和高程数据，涵东涵西街历史建筑群区域共选取25个检查点，数据比较结果如表4所示。

表4 检查点数据对比差值统计表（单位：m）

通过精度检验计算，平面位置中误差为±0.11m，高程中误差为±0.16m，精度完全符合历史建筑测绘的要求，基于倾斜模型可完成历史建筑测绘要求的平面图、立面图、剖面图等其他成果的制作，成果一测多用，省时省力，节约成本。

5 结论

低空无人机倾斜摄影测量技术的应用，为历史建筑测绘提供了新型快速测绘方法，生成的倾斜模型既作为历史数据存档，又能结合三维立体数据采集软件制作历史建筑测绘中所需要的其它成果，实现倾斜模型多用化，提高测绘效率的同时节约了生产成本。基于飞马D200S五镜头倾斜航测系统研究在泰州历史建筑测绘中的应用，研究表明该系统免像控的功能提高了航测效率，成果符合测绘相关规范和要求，在历史建筑测绘方面具有其独特的优势。低空无人机倾斜摄影测量技术还可与三维激光扫描技术进行融合，在测绘、规划、安防等领域将产生更加深远的影响。