崔 穎 黃 鶴 李 毅 李若鵬

(1. 北京建筑大學(xué) 測(cè)繪與城市空間信息學(xué)院, 北京 102616; 2. 北京市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院, 北京 100038)

0 引言

隨著我國(guó)城市化建設(shè)的加快,以及中心城區(qū)可供建設(shè)用地的逐漸萎縮,城市建設(shè)的重點(diǎn)逐步從開(kāi)發(fā)建設(shè)轉(zhuǎn)化為建筑物的維護(hù)和精細(xì)化管理上。這些中心城區(qū)既有建筑物,通常通過(guò)立面的重新設(shè)計(jì)和裝飾,提高其現(xiàn)代功能及藝術(shù)效果,有助于推動(dòng)城市化建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展[1]。建筑物立面圖是城市設(shè)計(jì)管理部門(mén)開(kāi)展宜居城市建設(shè),尤其是建筑物立面維護(hù)和更新工作的關(guān)鍵數(shù)據(jù)資料。而矗立在城市中心的各類既有建筑物,經(jīng)過(guò)常年的風(fēng)雨侵蝕以及人為改造,建筑物外部整體環(huán)境以及建筑物外立面已經(jīng)發(fā)生了顯著的變化。因此在沒(méi)有原始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的情況下,快速獲取建筑物完整而詳細(xì)的立面數(shù)據(jù)能有效提高對(duì)其規(guī)劃設(shè)計(jì)及翻新改造,是各種建筑物立面維護(hù)和改造的關(guān)鍵。

建筑物立面測(cè)量中,可采用的方法有全站儀測(cè)量、無(wú)人機(jī)傾斜攝影[2-3]、三維激光掃描三種,在本文實(shí)驗(yàn)中,考慮到在獲取建筑物立面數(shù)據(jù)中各種測(cè)量方法的特性如表1所示,攝影測(cè)量方法比傳統(tǒng)特征點(diǎn)2D繪圖工期更短且面式3D攝影測(cè)量建模能獲得更多色彩紋理信息,比三維激光掃描建模程序經(jīng)濟(jì),且建模所需時(shí)間與繪制對(duì)象線劃圖所需時(shí)間大致相同,易于實(shí)現(xiàn)。因此,考慮到攝影測(cè)量方法所具有的優(yōu)勢(shì)以及傾斜攝影測(cè)量在本實(shí)驗(yàn)中的局限性,我們選擇基于近景攝影測(cè)量原理的方法。

但是,由于被攝對(duì)象遠(yuǎn)/近的制約,傳統(tǒng)近景攝影測(cè)量的測(cè)量精度通常會(huì)隨著攝影基線、交會(huì)角布設(shè)方案的變化而變化,且本文采用的普通非量測(cè)相機(jī)內(nèi)方位元素未知,相片構(gòu)像畸變較大,應(yīng)用近景攝影測(cè)量進(jìn)行匹配計(jì)算時(shí),難以解決影像匹配、交會(huì)角θ和點(diǎn)位解算精度三者之間存在的矛盾,即θ越小、影像匹配精度越高速度越快,但點(diǎn)位交會(huì)精度尤其是深度方向越低的問(wèn)題[4],導(dǎo)致解算結(jié)果往往達(dá)不到理想的精度,需要依靠布設(shè)較多的物方控制點(diǎn)來(lái)彌補(bǔ),這樣就會(huì)使測(cè)量工序變得煩瑣耗時(shí)。因此本文采用基于張祖勛科研團(tuán)隊(duì)提出的“多基線數(shù)字近景攝影測(cè)量”的方法進(jìn)行建筑物立面正射影像的提取。

表1 多種測(cè)量方法的對(duì)比

1 多基線數(shù)字近景攝影測(cè)量

傳統(tǒng)近景攝影測(cè)量中影像匹配精度容易受到交會(huì)角的制約,特別是進(jìn)行地面攝影測(cè)量時(shí),前景與后景變化大、交會(huì)角大、影像變形大、匹配難。而多基線數(shù)字近景攝影測(cè)量技術(shù)為解決影像自動(dòng)匹配、交會(huì)角和點(diǎn)位解算精度之間的矛盾提供了一種新的途徑[5]。其中多基線即“多目立體”,是指采用計(jì)算機(jī)視覺(jué)代替人眼單目立體判讀從而利用多個(gè)計(jì)算機(jī)視覺(jué)短基線使得近景攝影測(cè)量得以覆蓋重疊大范圍區(qū)域,進(jìn)一步提高測(cè)量效率。使用多基線數(shù)字近景攝影測(cè)量方法進(jìn)行測(cè)量時(shí),其解算需經(jīng)歷影像特征匹配[7-8]、自動(dòng)空中三角測(cè)量和區(qū)域網(wǎng)平差三個(gè)步驟,最終實(shí)現(xiàn)測(cè)量建模的目的。因此這種數(shù)字近景攝影測(cè)量方法如圖1所示為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位測(cè)量程序、自動(dòng)生成3D矢量數(shù)據(jù)、數(shù)字正射圖像和數(shù)字表面模型提供了一種新的可能性[6],使得實(shí)驗(yàn)在獲取相片以后,能夠簡(jiǎn)便高效的實(shí)現(xiàn)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理,獲得相對(duì)傳統(tǒng)方法更為精細(xì)的測(cè)繪成果。

2 數(shù)據(jù)采集與處理

2.1 實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)流程如圖2所示,即采用Agisoft photoscan軟件對(duì)非量測(cè)相機(jī)佳能EOS 1 300D拍攝的152張5 184像素×3 456像素大小的相片進(jìn)行處理,先進(jìn)行對(duì)齊相片即同名點(diǎn)匹配計(jì)算以生成相應(yīng)的密集點(diǎn)云并建立網(wǎng)格,再對(duì)網(wǎng)格模型貼附紋理信息生成正射影像,最后導(dǎo)出tif格式的正射影像圖到CAD軟件中,手工描繪線劃圖并測(cè)量其中部分線段長(zhǎng)度,與精確設(shè)計(jì)圖進(jìn)行比對(duì)從而核檢其精度。

2.2 數(shù)據(jù)采集方式

本文以某建筑物的西側(cè)立面為實(shí)驗(yàn)區(qū),使用平行多基線傾斜攝影方式拍攝,其中每條平行帶到建筑物的距離采用“高遠(yuǎn)低近”原則,本文實(shí)驗(yàn)首先設(shè)立由下到上的第一條拍攝平行帶距立面約10 m, 實(shí)際拍攝焦距為48 mm, 然后隨著立面層數(shù)的增加結(jié)合其周?chē)h(huán)境條件因素依次增加后續(xù)各拍攝平行帶距立面距離約1～3 m,且在拍攝每條平行帶內(nèi)相片時(shí),需保證左右相鄰相片之間重疊率達(dá)80%以上;在拍攝不同距離的多條拍攝平行帶時(shí),需保證上下相鄰相片之間重疊度達(dá)60%以上,拍攝方式如圖3所示。

2.3 數(shù)據(jù)處理

本實(shí)驗(yàn)以Agisoft photoscan軟件為數(shù)據(jù)處理平臺(tái),在獲取建筑物立面相片以后進(jìn)行以下三步操作處理相片。

(1)導(dǎo)入所有相片,對(duì)相片執(zhí)行“對(duì)齊相片”操作,即先利用影像匹配算法獲得立體相對(duì)的同名特征點(diǎn),根據(jù)相對(duì)定向原理恢復(fù)立體相對(duì)相片間的相對(duì)位置和姿態(tài),再利用模型連接算法連接各個(gè)立體像對(duì)模型形成自由網(wǎng)、獲得自由網(wǎng)中各相片的位置和狀態(tài)以及同名特征點(diǎn)的三維坐標(biāo),從而計(jì)算出拍攝相片時(shí)的相機(jī)所處位置[10],如圖4所示。

(2)生成密集點(diǎn)云構(gòu)建網(wǎng)格、貼紋理。即由各相片間相對(duì)位置關(guān)系確定外方位元素,再以共面方程為約束條件,使用特征匹配算法進(jìn)行匹配,通過(guò)多片前方交會(huì)獲取物體的精細(xì)三維點(diǎn)云如圖5所示,再根據(jù)點(diǎn)云生成網(wǎng)格。

(3)根據(jù)點(diǎn)云網(wǎng)格生成正射影像,完成后在Agisoft photoscan軟件中導(dǎo)出tif格式正射影像圖,再導(dǎo)入CAD軟件中,根據(jù)正射影像圖手動(dòng)描繪該建筑物立面數(shù)字線劃圖如圖6所示,最終與精確設(shè)計(jì)圖比對(duì)檢驗(yàn)精度。

3 精度驗(yàn)證及分析

通常建筑物在街道立面圖上的表達(dá)是其長(zhǎng)、高或?qū)?、高在平面上的投?基本特征是“高相等、長(zhǎng)對(duì)齊”。本實(shí)驗(yàn)選取數(shù)字線劃圖(Digital Line Graphic, DLG)中所有窗高(左)、寬(下)的線段長(zhǎng)度來(lái)做精度驗(yàn)證,但因?qū)嶒?yàn)未布置物方控制點(diǎn),因此在做精度驗(yàn)證前需要將實(shí)測(cè)DLG圖按比例縮放到與精確圖一個(gè)量級(jí)上,即:

4 結(jié)束語(yǔ)

本次實(shí)驗(yàn)采用多基線-數(shù)字近景攝影測(cè)量方法,以多基線前方交會(huì)的方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)近景攝影測(cè)量中的單基線前方交會(huì),使用Agisoft photoscan軟件成功提取建筑物立面正射影像并依據(jù)正射影像繪制DLG圖,最終通過(guò)精度驗(yàn)證,測(cè)量中誤差均優(yōu)于0.041 m。實(shí)驗(yàn)證明該方法不僅有效減弱了非量測(cè)相機(jī)拍攝相片畸變較大對(duì)內(nèi)業(yè)成圖的影響,還避免了傳統(tǒng)攝影測(cè)量中物方控制點(diǎn)的布設(shè),實(shí)現(xiàn)了建筑物立面圖獲取作業(yè)模式的進(jìn)一步簡(jiǎn)化與改進(jìn),為構(gòu)建城市建筑物立面圖提供了一種非常有效的解決方案。