投稿单位：
河南省煤田地质局物探测量队
投稿人：薛帅栋
2018年11月24日
摘要：倾斜摄影测量技术是近年来国际测绘领域兴起的一项高新技术，通过同一飞行平台搭载多镜头相机实现多角度的数据采集，快速高效地获取地表信息，将用户引入符合人眼视觉的现实世界。本次研究是在倾斜摄影测量技术的基础上，建立三维模型并进行建筑物立面测图，相较于传统的全站仪立面测量方法，本文方法更加精确、直观、高效，对于以后类似项目的实施具有一定的参考意义。
关键词：倾斜摄影测量；三维建模；立面测图；街道立面改造
1 引言
百城建设提质工程是河南省新型城镇化发展的重要部署，街道立面改造作为其主要工作内容之一可以有效改善街道整体视觉效果，提升城市形象。因此，如何准确、高效地制作建筑物立面图成为研究的重点。另一方面，倾斜摄影测量是国际测绘领域近年来兴起的一项高新技术，它以大范围、多角度、高清晰的方式感知真实场景，改变了传统摄影测量只能从垂直视角拍摄的局限性，具有更丰富的影像信息、更高级的用户体验[1-3]。本项目以河南省鹤壁市浚县的三条主干道为例，对测区进行倾斜摄影测量，通过Context Capture和DP Modeler两款软件实现三维建模与立面测图。本文详细阐述了基于倾斜摄影测量技术的建筑物立面图制作流程，并将立面图制作成果与传统全站仪测量结果进行对比分析，最后对本文方法的优势和创新性进行了总结与展望。
2 测区概况
本项目位于千年古城浚县，浚县地处河南省北部，太行山与华北平原过渡地带，地形以平原为主，平均海拔63米，属暖温带半湿润性季风气候，年均气温13.7℃。测区为黎阳路、新华路、黄河路三条主干道，一横两纵穿过主城区。黎阳路全长约4000米，改造涉及建筑物125栋，临街商铺462间；新华路全长约2500米，改造涉及建筑物101栋，临街商铺306间；黄河路全长约5000米，改造涉及174栋建筑物，临街商铺591间，致力于打造具有传统韵味感知的现代商业空间。据了解，这三条路为浚县的历史文化资源与特色商业集中区域，街道立面改造将有利于城市风貌的展现[4]。
3 技术路线
本项目的实施包括外业和内业两个部分。首先进行测区踏勘与资料收集，在充分调研的基础上利用飞马“无人机管家”软件进行航线规划设计，进而通过飞马D200四旋翼无人机搭载五镜头相机获取测区真彩色影像，倾斜航空摄影完成后进行外业像控布设。其次，通过Context Capture软件进行实景三维建模，基于三维模型通过DP Modeler软件进行立面测图，将立面测图成果与传统全站仪测量结果进行对比分析。最后将测图成果导入南方CASS软件进行编辑输出，完成立面图制作。具体技术路线如图1所示。
Fig.1 Technology flow chart
4 作业流程
4.1 倾斜航空摄影
倾斜航空摄影的航线设计采用深圳飞马机器人科技有限公司的“无人机管家”软件进行，该软件集无人机数据获取、处理、显示、管理及无人机维护于一体，支持多种飞行器的航线设计、监控、数据快速质检、4D产品生产等。通过“无人机管家”设计的航线，其相对航高、地面分辨率及物理像元尺寸满足三角比例关系，航线设计通常采取航向重叠度60%以上，旁向重叠度30%左右，鉴于三维模型精细化表达需要，航向和旁向重叠度要求更高，具体的航线设计参数如表1所示，航线规划如图2所示。本项目通过飞马机器人智能航测系统D200搭载五镜头相机D-OP300（如图3所示），该系统具有作业效率高（单架次/48分钟/2cm GSD/0.45km2）、焦距长（35mm镜头）、影像质量高（总像素1.2亿）等优点，通过倾斜航空摄影方式共作业4个架次，飞行带状区域近12公里，获取真彩色影像15500张，然后对获取的影像进行质量检查，对不合格的区域进行补飞或重飞，直到获取的影像质量满足要求。
表1 航线规划设计参数表
Tab1. Parameters of airline planning and design
| 飞机类型 | 四旋翼无人机 | 航向重叠度 | 80% |
| 飞机型号 | 飞马机器人D200 | 旁向重叠度 | 71% |
| 相机型号 | D-OP300 | 飞行高度 | 112米 |
| 比例尺 | 1:500 | 海拔高度 | 59米 |
| 分辨率 | 2厘米/像素 | 航线间距 | 49米 |
| 飞行速度 | 13.5米/秒 | 拍照间距 | 22米 |
图2 航线规划图（以黎阳路为例）
Fig.2 Airline planning chart (taking Liyang road for example)
图3 飞马智能航测系统D200
Fig.3 Intelligent aerial photogrammetric system of FEIMA ROBOTICS D200
4.2 像控布设
本项目采用非全野外布点方案，外业只测定少量的控制点作为内业加密的基础，可有效减少外业工作量。通常根据测区形状、地势、面积的差异采取不同的布点方案，就本测区的狭长特性而言，宜采用沿道路两侧交叉布点方式。由于道路较长约4000米（以黎阳路为例），布点间隔选择300米左右交叉布设一个控制点，能够使测区控制网更加稳固，满足项目精度要求，像控点分布如图4所示。根据上述布点方案，按照“先整体后局部，先控制后碎步”的原则，在首级控制点的基础上通过GPS RTK采集像控点坐标，像控点坐标如
Fig.4 Image control points distribution chart (taking Liyang road for example)
表2所示。
Fig.4 Image control points distribution chart (taking Liyang road for example)
表2 像控点坐标（以黎阳路为例）
Tab2. Image control point coordinates (taking Liyang road for example)
| 点号 | 东坐标（m） | 北坐标（m） | 高程（m） |
| ly1 | 50167.086 | 49776.724 | 59.519 |
| ly2 | 49949.128 | 49763.683 | 59.937 |
| ly3 | 49659.332 | 49772.702 | 60.401 |
| ly4 | 49254.719 | 49753.896 | 60.485 |
| ly5 | 48950.769 | 49762.806 | 60.654 |
| ly6 | 48742.195 | 49742.436 | 60.362 |
| ly7 | 48447.970 | 49755.516 | 60.927 |
| ly8 | 48001.641 | 49732.938 | 58.434 |
| ly9 | 47688.844 | 49729.389 | 58.201 |
| ly10 | 47366.034 | 49761.475 | 58.770 |
| ly11 | 46980.811 | 49726.258 | 58.366 |
4.3 数据处理
通过Context Capture软件进行数据处理，基础数据包括原始影像数据、POS数据、控制点数据及相机参数。首先进行数据预处理，通过飞马“无人机管家”智检图和智理图模块，完成原始影像的匀光匀色、畸变纠正、POS数据解算等工作。其次，将预处理完成后的基础数据导入Context Capture软件平台，进行新建工程、参数设置、提交空三、提交重建等系列环节，无需人工干预，最终输出OSGB格式的具有真实纹理的高分辨率实景三维模型。该模型能够准确、精细地还原出建模主体的真实色泽、几何形态及细节构成，空三加密精度如表3所示，三维模型成果如图所示。
表3 空三加密精度统计表
Tab.3 Precision of aerotriangulation
| 点号 | 东坐标误差（m） | 北坐标误差（m） | 高程误差（m） | |
| ly1 | 0.017 | -0.001 | 0.003 | |
| ly2 | -0.002 | 0.010 | 0.004 | |
| ly3 | -0.019 | 0.009 | -0.005 | |
| ly4 | -0.011 | 0.001 | 0.008 | |
| ly5 | 0.005 | -0.016 | -0.010 | |
| ly6 | 0.014 | 0.010 | 0.001 | |
| ly7 | -0.001 | 0.001 | 0.002 | |
| ly8 | -0.018 | 0.002 | 0.005 | |
| ly9 | 0.019 | -0.016 | -0.008 | |
| ly10 | -0.004 | 0.001 | -0.003 | |
| ly11 | -0.016 | 0.001 | -0.003 | |
| 中误差 | 平面/高程 | ±0.017 | ±0.006 | |
Fig.5 3D model (partial perspective)
三维建模完成后，首先利用武汉天际航公司的格式转换工具将OSGB格式模型转为DP Modeler软件可识别的OSG格式，通过设置坐标偏移值解决由模型相对坐标与绝对坐标差异引起的偏移问题。其次，基于OSG格式模型、xml格式空三及无畸变影像建立解决方案，通过DP Modeler软件实现建筑物立面测图（图6）。最后，将立面测图成果导入南方CASS软件进行编辑整理，完成立面图的制作。立面图制作成果如图7所示。
Fig.6 Facade mapping of buildings
Fig.7 Elevation of buildings (partial perspective)
5 精度检验与效率对比
为了检验倾斜摄影立面测图成果的精度，本项目通过传统外业测量方法[5-7]，利用南方NTS-332R4全站仪，采取特征边测量的方式对建筑物立面进行抽样采集。为体现抽样数据的代表性，均匀选取特征明显的建模立面进行测量。这里共采集158个特征边与立面测量成果进行对比分析，统计两种方法采集的坐标数据，计算得到误差，如
表4 精度检验表（单位：m）
Tab.4 Precision check sheet (unit: m)
| 特征边序号 | 立面测图长度 | 全站仪测量长度 | 误差 |
| 1 | 6.72 | 6.73 | -0.01 |
| 2 | 11.07 | 11.02 | 0.05 |
| 3 | 10.89 | 10.88 | 0.01 |
| 4 | 3.25 | 3.29 | -0.04 |
| 5 | 10.17 | 10.13 | 0.04 |
| …… | …… | …… | …… |
| 154 | 10.87 | 10.94 | -0.07 |
| 155 | 6.01 | 6.07 | -0.05 |
| 156 | 26.56 | 26.54 | 0.02 |
| 157 | 11.07 | 11.13 | -0.06 |
| 158 | 17.04 | 17.01 | 0.03 |
根据
表中的误差分布，通过中误差计算公式可得特征边中误差为0.05m；另外，特征点坐标中误差均达到厘米级。由此可知，立面测图成果满足1：500大比例尺测图要求。
就效率而言，2011年我单位于浙江省杭州市承担过类似项目，通过传统全站仪测量方法完成立面图制作。这里以3公里立面测图长度为工作总量，以组日（三人一组，工作一日）为工作单元进行效率对比，具体结果如表5所示。由此可知，基于倾斜摄影测量技术的立面测图方法效率远高于传统全站仪测量方法。
表5作业效率对比表
Tab.5 Working efficiency comparison
| 对比内容 | 倾斜摄影法测图 | 全站仪法测图 |
| 外业时间 | 0.25组日 | 3.5组日 |
| 内业时间 | 2.5组日 | 3.5组日 |
| 总计 | 2.75组日 | 7组日 |
6 结论
本项目将倾斜摄影测量技术应用于建筑物立面图制作，针对该方法在立面测图过程中遇到的若干技术问题进行了研究与测试，并与传统全站仪测量方法进行了精度和效率的对比分析，结果表明：基于倾斜摄影测量技术的立面测图方法能够满足1：500大比例尺测图要求，测图效率相较于传统方法有大幅提高。该项目的完成是高新技术在测绘领域中的有益尝试，对于提高作业效率、改进作业模式具有重要意义，为以后类似项目的实施提供了参考。
致谢：感谢深圳飞马机器人科技有限公司优良的软硬件设备，热情周到的技术支持和售后服务，为本项目的顺利实施保驾护航，发挥了重要作用。再次表示感谢！
参考文献
[1] 杨国东,王民水.倾斜摄影测量技术应用及展望[J].测绘与空间地理信息，2016,39(1):13-15.
[2] 李镇洲,张学之.基于倾斜摄影测量技术快速建立城市3维模型研究[J]. 测绘与空间地理信息，2012,35(4):117-119.
[3] 方智辉.五方向倾斜航空影像建筑物墙面自动提取方法[J].桂林电子科技大学学报，2017, 37(2):140-146.
[4] 王闯.基于倾斜摄影技术的城市临街建筑立面提取研究[J].科学技术创新，2017, (34):35-36.
[5] 别建晓.建筑物立面测量的研究[J].城市勘测，2011,(3):141-143.
[6] 王灿辉.建筑物立面测绘方法浅析[J].学术研究，2017,(2):42-44.
[7] 董升.结合实际工程谈街道立面图测量方法[J].山西建筑，2018,44(13):210-211.
Application Research on Facade Mapping of Buildings by Oblique Photogrammetry Technology
Geophysical Survey Team of Coalfield Geology Bureau of Henan Province, Zhengzhou 450000
Abstract: Oblique photogrammetry technology is a high-tech in the field of international surveying and mapping in recent years, it collects multi-angle data by the same flight platform with multi-lens camera, quickly and efficiently obtains the surface information, leading users into the real world that fits human sight. This research is based on the oblique photogrammetry technology, establishing 3D model and making elevation of buildings. Compared with the traditional method by total station, this method is more accurate, intuitive and efficient, it has reference significance for the similar projects in the future more or less.
Keywords: oblique photogrammetry ; 3D modeling ; facade mapping ; street facade reforming
