傾斜攝影測量技術(shù)在古建筑測繪中的運(yùn)用研究
——以郴州市汝城縣朱氏宗祠建筑測繪為例

游富強(qiáng) 范迎春

You Fu-qiangFan Ying-chun*

（湖南第一師范學(xué)院美術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院，湖南 長沙410205）

傾斜攝影測量技術(shù)是指在飛行平臺(tái)上搭載多平臺(tái)相機(jī)，同時(shí)從一個(gè)垂直角度以及其他若干個(gè)不同的傾斜角度采集影像的技術(shù)[1]。傾斜攝影建模的實(shí)質(zhì)是照片貼圖建模。相對(duì)于正射影像，傾斜影像能讓用戶從多個(gè)角度觀察地物，更加真實(shí)地反映地物的實(shí)際情況，還能直接基于影像進(jìn)行各種量測，如高度、長度、面積及實(shí)際坐標(biāo)等[2]。

在建筑工程相關(guān)方面，無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)目前已廣泛應(yīng)用于地理測繪、城市規(guī)劃建設(shè)和項(xiàng)目管理等方面[3-5]。大空間的傾斜攝影建模一般借助無人機(jī)拍攝的方式采取現(xiàn)場圖片。其方便、快捷、效率高的特點(diǎn)非常適合于古建保護(hù)領(lǐng)域。針對(duì)古宗祠建模，采用航拍傾斜攝影建模的方式能夠比較快速地還原建筑現(xiàn)狀和周邊環(huán)境。

1 傾斜攝影建模的基本原理

傾斜攝影建模的基本原理是通過在飛行平臺(tái)獲取同一物體在不同空間位置上的外觀信息，具體包括同時(shí)從1 個(gè)垂直、4 個(gè)傾斜5 個(gè)不同的角度采集影像，能夠生成符合人眼視覺的真實(shí)直觀的影像效果[6]。對(duì)現(xiàn)場的高度還原和快捷性特別針對(duì)需要對(duì)建筑現(xiàn)狀高度還原的古建保護(hù)領(lǐng)域。其應(yīng)用具有以下特性。

第一，傾斜攝影可以快速地反映研究對(duì)象的真實(shí)狀況，相比于平面攝像，可以從不同的角度去獲取研究對(duì)象的各種數(shù)據(jù)，顯示效果更加真實(shí)、立體、直觀。

第二，傾斜攝影可以對(duì)建筑物的空間垂直面的建筑外部紋理進(jìn)行直觀采集。立面紋理的處理通過對(duì)航拍影像中建筑物立面紋理的提取，可以獲取建筑物立面紋理的圖像，用以進(jìn)行三維場景的重建[7]。極大地促進(jìn)古宗祠建筑建模效率并降低其經(jīng)濟(jì)成本。

2 傾斜攝影建模提高精度原理

針對(duì)古宗祠傾斜攝影建模提升精度的方式：

（1）完成傾斜攝影建模并提高模型精度，航向重疊和旁向重疊最少要在80%以上。航向和旁向重疊率越高精度越高。航向一般是5 條航線。物體正上方一條高密度“S”型航線。以及圍繞航線的4 個(gè)方向進(jìn)行同樣的高密度“S”型航線飛行。航線密度越高，后期模型越精確。無人機(jī)一般采取自動(dòng)拍攝照片，減少人工拍攝過程中的失誤，確保照片數(shù)量和質(zhì)量。

（2）測量時(shí)相機(jī)距被測物體的距離控制在合理距離，并且相機(jī)的像素與模型的質(zhì)量呈正比。如果想得到物體局部更加精細(xì)的三維模型，要采用更高像素的相機(jī)拍攝和多層次的方法采集影像。單航線精度不夠可以針對(duì)同一物體進(jìn)行高度不同的多航線飛行采集圖片。

（3）被攝物體或部位要占照片區(qū)域50%以上，連續(xù)每張照片之間的重疊率最少在1/3。單一物體出現(xiàn)在照片中的比例越多，角度越豐富，后期模型處理的精度越高。

（4）如果建筑物表面有凸出或者是鏤空等部位，有必要對(duì)建筑物局部進(jìn)行多角度重新采集[8]。特別針對(duì)于古宗祠裝飾構(gòu)件、斗拱等進(jìn)行多角度補(bǔ)拍，提高局部精度。

（5）如果所拍攝物體太高，需要多航線分層對(duì)物體進(jìn)行采集，相鄰兩條航線之間的重疊度也遵循在80%以上的規(guī)則?？舍槍?duì)物體進(jìn)行不同高度上的手動(dòng)環(huán)繞拍攝，以確保航拍精度。

182個(gè)電池串聯(lián)成一組，可提供的電池平均電壓為582.4 V，可以滿足直流母線的供電需求。電池的單組容量為100 A·h，故需要并聯(lián)的電池組為7組。

3 傾斜攝影建模操作流程

如前文所述的技術(shù)路線，現(xiàn)將該技術(shù)應(yīng)用于郴州汝城朱氏宗祠建模項(xiàng)目。將采集到的影像數(shù)據(jù)利用Altizure 進(jìn)行高精度三維建模。具體流程如下：

（1）確認(rèn)航拍范圍（場地試飛）。利用Altizure 規(guī)劃無人機(jī)飛行航線。由于該項(xiàng)目處于鄉(xiāng)村地區(qū)，在衛(wèi)星地圖上未能顯示衛(wèi)星圖像，且項(xiàng)目周邊可供參照的建筑物較少，故通過試飛來確定該項(xiàng)目在地圖上所對(duì)應(yīng)的范圍。而且試飛能夠了解周邊障礙物高度，排除隱患。在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行航線規(guī)劃，確定測量范圍、飛行高度等信息。針對(duì)朱氏宗祠周邊現(xiàn)實(shí)情況，現(xiàn)場設(shè)計(jì)航線見圖1。

（2）全場地范圍航測。通過場地試飛已確定了項(xiàng)目邊界在地圖上的大致位置，在Altizure 軟件中調(diào)整拍攝項(xiàng)目的范圍，軟件會(huì)根據(jù)測量范圍自動(dòng)規(guī)劃好5 條航線。航線規(guī)劃完成后開始進(jìn)行拍攝。如前所述，在全場地航測中開展一次僅以一條垂直角度相機(jī)航線進(jìn)行折線型組合的路線飛行，從而在垂直方向獲取大面積影像。具體攝像攝影參數(shù)見圖2。

（3）局部細(xì)節(jié)。單體部分選取建筑細(xì)節(jié)進(jìn)行補(bǔ)充拍攝。采用DJI GO 4 軟件。建筑的立面外側(cè)采用DJI GO 4 軟件，對(duì)不同高度采用直線、環(huán)形等模式進(jìn)行手動(dòng)拍攝。

（4）通過Altizure 平臺(tái)上傳照片建模。拍攝共采集500 張照片，點(diǎn)擊創(chuàng)建項(xiàng)目上傳圖片。圖片上傳后平臺(tái)會(huì)根據(jù)圖片有足夠重疊度；多角度拍攝；統(tǒng)一相機(jī)設(shè)定（如曝光，焦距）；物體是否處于靜止?fàn)顟B(tài)等條件來判斷圖片的質(zhì)量。自動(dòng)識(shí)別不符合標(biāo)準(zhǔn)圖片，并自主進(jìn)行照片替換。照片應(yīng)該避免只有透明，反光，純色表面；模糊，失焦；有時(shí)間印或其他固定標(biāo)記等。還可以設(shè)立項(xiàng)目基本信息，檢查照片信息等。其具體窗口見圖3。

（5）系統(tǒng)自動(dòng)處理。點(diǎn)擊自動(dòng)建模之后，模型處理會(huì)在云平臺(tái)處理器上完成。模型處理完成之后系統(tǒng)會(huì)通過郵件的方式通知項(xiàng)目進(jìn)度。朱氏宗祠現(xiàn)場照片上傳平臺(tái)之后，平臺(tái)通過24h 的時(shí)間將現(xiàn)場的模型自動(dòng)建模完成。處理完成的模型相機(jī)視角如圖4 所示。

圖1 航線設(shè)計(jì)圖

圖2 攝像攝影參數(shù)

圖3 照片信息

（7）項(xiàng)目分享。通過平臺(tái)的服務(wù)優(yōu)勢，可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)端的模型瀏覽。主要分享方式有（https://www.altizure.cn/project -model?pid =5cc3fff389431d374de16d10&render =texture&campose=false）和二維碼分享方式（見圖6）。

圖4 模型相機(jī)視角

圖5 操作頁面

圖6 項(xiàng)目模型瀏覽二維碼

4 結(jié)論

文章按照無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的技術(shù)路線要求，通過Altizure 軟件平臺(tái)對(duì)朱氏宗祠建筑進(jìn)行測繪建模，驗(yàn)證無人機(jī)傾斜攝影應(yīng)用于古建筑三維建模的可行性和可操作性，得出了以下經(jīng)驗(yàn)。

（1）該技術(shù)在實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用前，須對(duì)項(xiàng)目地區(qū)地理信息及飛航管制區(qū)域進(jìn)行調(diào)查。針對(duì)項(xiàng)目周邊未開發(fā)，存在較難定位航測范圍的問題，通過多平臺(tái)地圖定位予以解決；需要試飛來確定測區(qū)的飛行范圍，并且特別需要考慮無人機(jī)的續(xù)航能力；還要提前進(jìn)行作業(yè)區(qū)域的試飛，判斷周邊環(huán)境。因此為實(shí)現(xiàn)高效采集作業(yè)，采集前合理規(guī)劃方案至關(guān)重要。

（2）拍攝之前要提前做好采集飛行計(jì)劃。為使模型精度提升而執(zhí)行多條航線拍攝，但同時(shí)影像數(shù)量及建模時(shí)間也隨之攀升。數(shù)據(jù)的完善和補(bǔ)充采集可通過提高無人機(jī)飛行高度，或降低航向/旁向重疊率以減少照片數(shù)量，總結(jié)航線設(shè)置、飛行高度、相機(jī)傾角、重疊率較優(yōu)取值，在保證模型精度的同時(shí)也提高數(shù)據(jù)采集與建模效率。

（3）通過Altizure 平臺(tái)能夠快速方便地分享瀏覽古建及其周邊環(huán)境，降低瀏覽成本，具有更好的傳播性。但缺點(diǎn)在于項(xiàng)目模型的下載及私密性設(shè)置需要開通會(huì)員服務(wù)。