低空無人機傾斜攝影在歷史建筑測繪中的應用研究

吳正偉

泰州市地理信息測繪院 江蘇 泰州 225300

近幾年，低空無人機傾斜航攝技術發展迅猛，成為測繪與地理信息領域研究的熱點問題，傾斜三維模型的應用越來越廣泛，在實景三維中國建設、河道生態巡查、消防應急救援、電力設施巡檢、國情普查等方面發揮著不可替代的作用?；诘涂諢o人機傾斜航攝系統生成的成果多樣且可多用，能同時構建傾斜三維模型，創建數字高程模型（DEM），繪制高精度地形圖，獲取建筑物的立面信息等，過程簡單易行、高效低危、靈活機動[1]，在完成復雜測繪任務方面優勢明顯。

歷史建筑承載了特定時期內一座城市的政治、經濟、文化的發展狀況，凝結了城市傳統文化的精髓，屬于不可再生資源，影響著城市的核心競爭力[2~4]。泰州市屬于江蘇省首批公布的歷史文化名城，城市建設歷史近2100年，有著較豐富的歷史遺存，其歷史街區內存有明、清、民國時期的建筑，具有很高的藝術、歷史和學術價值的已經被公布為文物保護單位，對于市區內尚未列為文保單位的歷史建筑，能反映出泰州區域歷史風貌和地方特色，彰顯歷史文化名城完整格局和整體風貌，具有研究價值，提高對非文保單位的歷史建筑認識的深度和廣度很有必要，完成歷史建筑測繪工作為首要任務，為歷史建筑的保護、歷史文脈的延續和城市品質的提升建立數據基礎。

傳統的測繪方式主要依靠人工現場架設全站儀等測繪儀器完成數據采集，歷史建筑區域建筑密度大、間隔較小，不利于傳統測繪活動的開展，并且人工接觸式的測繪方法容易對建筑本身造成不可逆轉的損壞，而三維激光掃描技術和無人機傾斜攝影測量技術采用非接觸式數據獲取方式，在古建筑測繪方面具有獨特優勢[5~6]。三維激光掃描儀的使用需要在測區多次架站完成，效率較低，低空無人機傾斜航測利用多鏡頭集成相機完成空中航拍，后期利用建模軟件自動完成模型的構建，能生成稀疏點云、實體模型、正射影像圖，一次航攝多種成果，借助于三維立體測圖軟件可高效完成建筑的平面圖、立面圖、剖面圖的繪制，傾斜模型本身可作為基礎數據保存。飛馬D200S無人機傾斜航測系統采用多旋翼飛行平臺，搭載五鏡頭相機，免相控完成航攝，使用方便、數據采集效率高、精度滿足要求，成果逼真，為古建筑測繪提供精準可靠的基礎數據[7]。

1 無人機傾斜攝影測量原理及特點

1.1 無人機傾斜攝影測量原理

攝影測量本質上是從二維影像構建三維模型，再在三維模型中提取各種信息的技術[8]。無人機傾斜攝影測量技術主要依托無人機平臺，搭載多鏡頭高分辨率數碼相機，在集成控制系統下，采集建筑物的垂直和側面多視角影像，機載定位設備自動保存無人機飛行姿態和位置信息，影像和位置數據經過空三計算、影像密集匹配、三角網創建和紋理映射等處理生成建筑物的三維實體模型[9]。傳統的航空攝影測量方法只從垂直方向采集影像，傾斜攝影測量彌補了這種不足，同時獲取建筑物頂面和側立面的影像信息，構建出的建筑物三維實體模型精度高、紋理清晰、真實性強。

1.2 低空無人機傾斜航攝的特點

（1）飛行高度低，航攝影像清晰

低空無人機傾斜航攝作業的高度一般在100m至1000m的高度范圍內，比傳統的大飛機更加接近航攝對象，其搭載的相機載荷獲取的影像分辨率較高，紋理清晰，所攝影像分辨率最好可達0.02m，可用于建立高精度數字地面模型（DSM）。

（2）傾斜航攝影像重疊度高

由于航高較低，為保證影像特征匹配和三維自動建模的效果，傾斜航攝重疊度的設置要按需提高，航向重疊度可設置為80%，旁向重疊度可設置為70%。

（3）像幅小，多角度航攝相片數量多

無人機傾斜攝影系統搭載的任務載荷為非量測相機，像幅一般較小，多角度航攝下，相片很多，對后期數據處理效率有所影響。

2 飛馬D200S五鏡頭傾斜航測系統構成

飛馬D200S五鏡頭傾斜航測系統主要由無人機飛行平臺、航攝相機、飛控系統和后期數據處理軟件構成。

2.1 飛馬D200S傾斜航測系統飛行平臺

飛馬D200S五鏡頭傾斜航測系統的航飛平臺為旋翼4軸4旋飛馬無人機，其多路冗余傳感器的設計可保障高質量航飛作業，主要參數如表1。

表1 飛馬D200S航飛平臺主要參數

飛馬D200S無人機RTK(Real-time kinematic，實時動態)系統由地面GNSS(Global Navigation Satellite System)基準站、GNSS接收機（機載）、差分數據處理系統及數據發射器組成。內置高精度差分GNSS板卡，為雙頻導航模塊，參數如表2。PPK（Post-Processing Kinematic，動態后處理差分）、RTK融合作業模式，支持POS輔助空三，能實現無控制點高精度成圖。懸停狀態下RTK水平精度為1cm+1ppm，垂直精度為2cm+1ppm，融合差分的作業模式提高了每張航拍相片的位置精度，保證了航測系統免像控模式的有效性。

表2 飛馬D200S無人機雙頻導航模塊主要參數

2.2 傾斜攝影相機

飛馬D200S無人機搭載的D-OP400五鏡頭傾斜攝影相機，是基于Sony a7rⅢ相機研發的五拼傾斜攝影載荷模塊，采用五相機（四方向傾斜+垂直視角）設計方案，具備高質量的側面紋理采集及高效率的作業能力，適用于城區大面積的三維建模工程。五拼傾斜攝影載荷可以同時獲取5個方向的地面紋理特征，采用中間35mm焦距正攝鏡頭，外置四個50mm焦距傾斜鏡頭，其作業效率高，相機主要參數如表3。

表3 D-OP400五鏡頭傾斜攝影相機主要參數

2.3 飛控系統

飛控系統作為無人機航測系統的大腦部件，操控并監測無人機整個飛行過程，執行任務指令，獲取無人機航向、速度、位置、高度、飛行姿態等信息，通過數據通信和圖像傳輸實時顯示，供地面人員觀察與決策。飛馬D200S的飛控系統和POS數據解算處理在“無人機管家專業版”軟件中一站式完成，飛馬無人機管家實操簡單易行，精準規劃航線、實時監控航飛、快速解算數據，支持飛行數據共享、信息發布、工程同步、自動記錄分析飛行數據并展示，生成DEM、TDOM、DSM、真三維模型、標準LIDAR點云等，并具有三維瀏覽功能。

2.4 后期數據處理軟件

后期數據處理軟件主要是對采集到的原始影像數據進行整理、配準、校正、拼接工作，生成高分辨高精度的影像圖、傾斜三維模型等成果[10~12]。ContextCapture是一種常用的三維建模軟件之一，具備集群分布式運算功能，實現多個計算節點同時處理相同的任務，主要包括Master、Engine、Viewer三個模塊。在Master中創建工程和查看任務進度，Engine是引擎端，開啟后，進行空三和重建任務。Viewer主要用于加載并瀏覽三維模型，并可量測模型的坐標、距離、面積體積等幾何要素。

3 傾斜航測項目實施

3.1 泰州市歷史建筑測繪項目概況

為完善泰州歷史文化名城保護體系，對尚未列為文保單位的歷史建筑進行測繪為一項首要任務。根據項目委托方泰州市海陵區住房和城鄉建設局的要求，對涵東涵西街、漁行、城中歷史建筑群中共計31處具有保護和研究價值的建筑進行測繪，漁行歷史建筑區域南北向長度約400m，東西向長度約410m，涵東涵西街歷史建筑區域南北向長度約300m，東西向長度約450m，城中歷史建筑區域南北向長度約330m，東西向長度約430m，三個區域相距較遠，需要分開進行航測，區域內大多為一層房屋，周邊有少量高層建筑。

3.2 航攝作業流程

三個歷史建筑區的共同特點就是建筑之間的間隔較小，傳統的測繪方法難以實現，應用飛馬D200S五鏡頭傾斜航測系統可快速獲得建筑的影像數據和位置信息，航攝作業流程見圖1。

圖1 無人機傾斜航測作業與三維建模流程

3.3 無人機起降點選定與航線敷設

實地勘查時，無人機起降地點的選定需要滿足飛馬D200S機型的特性要求，作業地點必須為半徑大于5m的平地，周邊空曠，人流量小，確保50m范圍內不存在高壓線、高壓鐵塔、高樓及信號塔等，最大限度減少環境磁場干擾，保證無人機安全起降。

涵東涵西街、漁行、城中歷史建筑區域之間距離較遠，分三個攝區進行航攝，在飛馬無人機管家智航線模塊中按照系統自帶影像地圖劃出三個測區范圍線，其中涵東涵西街歷史建筑區域航線規劃如圖2。根據測區的建筑物分布情況，保證傾斜三維模型構建精度，航高設定為180m，地面分辨率為3cm，航向重疊度設置為80%，旁向重疊度設置為70%。

圖2 涵東涵西街歷史建筑區域傾斜航線規劃圖

3.4 傾斜航攝數據整理檢查與三維模型生成

航攝作業完成后，對數據進行整理與檢查，保證相片數據與POS數據相互對應，刪除試拍數據，五鏡頭傾斜相機的數據分組存儲至不同的文件夾，包含相片數據和對應的POS數據。在飛馬無人機管家軟件中對傾斜航攝數據進行差分數據融合解算，得到精度更高的POS數據，在ContextCapture Master中導入POS數據和對應的相片，設置運行參數，上傳空三處理任務，完成后檢查生成的稀疏點云，點云正常排序即可進入模型構建階段，若存在錯亂的現象需要重新提交空三任務或重飛[13]。涵東涵西街歷史建筑局部區域傾斜三維建模成果如圖3所示。

圖3 涵東涵西街歷史建筑局部區域傾斜三維建模成果

3.5 傾斜模型單體化

傾斜模型單體化是將指定范圍的建筑物從區塊模型體中分離出來，用于單獨存儲和研究，先在正射影像圖中繪制單體建筑的范圍線如圖4，導入DP-Modeler軟件進行單體化建模，DP-Modeler是一款傾斜攝影三維建模軟件，為武漢天際航自主研發，主要功能是精細化單體建模及Mesh網絡模型修飾[14~16]。徐家橋東巷11、12號潘宅單體化后模型如圖5。

圖4 涵東涵西古建筑位置示意圖

圖5 單體化傾斜模型

3.6 歷史建筑平面圖、立面圖、剖面圖制作

制作歷史建筑平面圖、立面圖、剖面圖等圖件，記錄建筑物的詳細數據，便于歷史建筑物后期的修繕和保護[17]。將單體化的建筑物模型導入iData3D南方三維立體數據采集軟件進行平面圖、立面圖、剖面圖的制作，以徐家橋東巷11、12號潘宅為例，如圖6-9所示。

圖6 屋頂平面圖

圖7 平面圖

圖8 剖面圖

圖9 南立面圖

4 傾斜模型成果質量評定與精度檢驗

傾斜模型成果的質量由多方面決定，主要取決于航攝相片質量、相片之間的重疊度以及建模軟件的性能。在三維模型瀏覽器中可觀看模型的紋理、結構、色彩等，從涵東涵西街歷史建筑傾斜模型中可看出，建筑以及地面的紋理清晰、結構基本明朗、色彩飽和勻稱，符合傾斜建模要求。

布設傾斜模型成果精度檢查點在航攝作業實施之前完成，遵循測區范圍內均勻分布的原則，在較為空闊的區域用鮮艷的油漆噴涂像控標識，運用GNSS-RTK設備采集像控標識的角點坐標與高程值作為實測數據，利用南方iData3D三維立體數據采集軟件獲取對應點的傾斜模型平面和高程數據，涵東涵西街歷史建筑群區域共選取25個檢查點，數據比較結果如表4所示。

表4 檢查點數據對比差值統計表（單位：m）

通過精度檢驗計算，平面位置中誤差為±0.11m，高程中誤差為±0.16m，精度完全符合歷史建筑測繪的要求，基于傾斜模型可完成歷史建筑測繪要求的平面圖、立面圖、剖面圖等其他成果的制作，成果一測多用，省時省力，節約成本。

5 結論

低空無人機傾斜攝影測量技術的應用，為歷史建筑測繪提供了新型快速測繪方法，生成的傾斜模型既作為歷史數據存檔，又能結合三維立體數據采集軟件制作歷史建筑測繪中所需要的其它成果，實現傾斜模型多用化，提高測繪效率的同時節約了生產成本?；陲w馬D200S五鏡頭傾斜航測系統研究在泰州歷史建筑測繪中的應用，研究表明該系統免像控的功能提高了航測效率，成果符合測繪相關規范和要求，在歷史建筑測繪方面具有其獨特的優勢。低空無人機傾斜攝影測量技術還可與三維激光掃描技術進行融合，在測繪、規劃、安防等領域將產生更加深遠的影響。