不同方法在立面测量中的对比分析

陈亮堂

(福建省121地质大队, 福建 龙岩 364021)

0 引言

随着城市的发展与环境品质的提升,老城区老街区建筑立面改造、高速高铁沿线建筑景观整治改造、老旧小区改造等工程项目越来越多,这些项目的开展,大部分是以建筑立面为工作目标。建筑立面是指建筑和建筑的外部空间直接接触的界面[1],建筑物立面图是在与建筑物立面平行的铅锤投影面上所做的投影图[2],它主要表现建筑物的外貌和形状,反映建筑结构、门窗、阳台、雨篷、台阶等的形状和位置,以及建筑竖直方向各要素的高度,建筑物的艺术造型和价值要素等[3],是人的视角可见的、直观的建筑视觉效果图。近些年来,随着立面测量项目与市场的增加,立面测量的设备、软件也不断涌现,与之伴随的,是对立面测量成果精度要求的提高和立面图表现形式的多样化,测量对象也从普通建筑到城市高耸建筑及历史建筑,测量内容从外立面到轴立面,作业难度越来越大。本文主要通过几种不同的立面测量方法作业流程及成果精度分析,探索不同环境条件下的最佳测量方式。

1 不同立面测量方法及作业流程

1.1 全站仪立面测量

在常规在地形测量中,地物点空间位置的表现形式是一系列经过投影变换的(X,Y,H)坐标,以X、Y表示平面位置,H表示高程。假如以常规测量方式采集建筑物的立面要素,根据地物立面要素的坐标值可知,同一立面的所有特征点将集中落到同一条线上,即建筑物的边线。若将立面图投放到平面坐标系中,立面要素的横坐标值域表示的是建筑物的长,立面要素的纵坐标值域表示的是建筑物的高,因此,只要将常规测量点坐标数据的H与Y互换,即可生成南方CASS软件能直接读取并简码识别的坐标数据文件[4]。

本次试验的野外测绘采用徕卡TZ05免棱镜全站仪,按1∶500外业数字测图技术规程开展外业工作,内业成图软件使用南方CASS10.1软件,成图之前对野外采集的数据进行预处理,将对应立面的数据格式改为(点号,编码,Y,H,X)的文件格式后简码识别,具体流程如图1所示。

图1 全站仪立面测量数据处理流程

在外业作业过程中发现,对于单幢建筑物可以采用独立坐标测绘,每个面的立面图单独提取绘制,对于成片的街道宜先进行控制测量,然后逐幢进行测绘,用编码记录要素点,再提取建筑物每个立面的测量数据内业成图。外业时宜采用带有免棱镜激光测距功能的全站仪进行外业数据采集,测出建筑物立面的要素点,个别因遮挡观测不到的特征点,可采用手持激光测距仪进行补测,同时辅以外业草图和现场照片,能解决大部分环境下的立面测量工作[5]。

1.2 无人机倾斜摄影测量

实景三维模型是一种运用数码相机对构筑物进行多角度环视扫描拍摄,然后利用三维建模软件处理生成的一种虚拟三维展示技术[6]。在计算机软件辅助下可以对模型进行放大、缩小、移动、旋转、量测等操作,常用于场地规划、面积测量、土方计算、立面测量、地形测绘等工作。基于实景三维模型的立面测量,建筑物的台阶、门窗、阳台、室外楼梯、檐口、屋顶、雨水管等各类装饰构件都清晰明了,易于量测,运用非常广泛,目前,实景三维模型的获取方式多样,其中最常见的是基于无人机的倾斜摄影测量。

基于无人机倾斜摄影测量的立面测量工作,可先按常规摄影测量方式获取建筑物的三维模型,再通过南方CASS10.1和CASS3D软件的立面采集功能直接绘制建筑立面图。本次无人机倾斜摄影测量采用大疆经纬M600 Pro搭载大势智慧双鱼5.0倾斜相机,为双镜头十字摆动全画幅相机,单个传感器4 240万像素,影像尺寸为7 952像素×5 304像素。航线规划时设计航高150 m,航向重叠度为80%,旁向重叠度75%,采用大疆智图软件建模生成三维建模。基于三维模型的立面采集流程如图2所示,三维模型效果如图3所示。

图2 基于三维模型的立面采集流程图

图3 实景三维模型效果图

1.3 三维激光扫描

三维激光扫描技术是通过非接触式高速激光器对目标进行扫描测量[7],通过测量扫描仪到目标点的距离和激光束的水平方向、竖直方向角度值计算激光落点的三维坐标,激光器发射密集激光束形成密集点云。这些点云数据是进行三维建模的基础数据。现在的三维激光扫描仪不仅能扫描目标的点云数据,还具备拍照功能,仪器和软件可根据点云位置和对应位置的照片,将点云渲染润色,形成具有颜色的点云三维模型。该技术具有快速、非接触、主动等特点,获取的点云数据密度高、精度高,在文物保护、城乡规划、工业测量、数字城市等领域有了广泛的应用[8]。

本次试验采用美国法如focuss150三维激光扫描仪(测程为0.6～150 m,测距精度为±1.0 mm),作业过程中根据目标建筑物的复杂程度共布设了9站,内业数据处理软件采用FARO SCENE和AUTOCAD2016。外业扫描工作结束后,先将扫描仪每一站扫描的点云数据导出建模,然后人工预拼接,将全部站点数据合并后借助软件自动拼接,拼接完成并检查无误后进行点云数据去噪、压缩、格式转换。将拼接好的三维激光点云模型数据导入到AUTOCAD2016软件中进行立面图的绘制,具体流程如图4所示,点云效果如图5所示。

图4 三维激光扫描立面测量数据采集和数据处理流程

图5 三维激光扫描点云效果图

2 成果精度及优缺点分析

为验证上述3种立面测量方式的效果与精度,在立面图采集完成后,随机抽取建筑物的若干条边,使用南方C100C手持激光测距仪(测量精度为±1.0 mm)实地测量建筑物边长,测量时,激光束应水平,读数至0.001 m,每条边测量两次,两次测量较差小于2 cm时取平均数,较差大于2 cm时重新测量,将测量结果作为已知长度,与不同方法获得立面图的对应边长进行对比,验证精度情况,精度对比分析情况见表1。

表1 基于不同方式采集的立面图精度对比表 单位：m

本次立面测量成果精度要求参考《城市测量规范》(CJJ/T 8—2011)中日照测量的地形图及立面细部测绘的精度要求,将立面图的各边长视为立面的细部要素,根据规范要求,地物点间距中误差应小于50 mm。根据上表抽检结果可知,3种方法均满足精度要求,在实验中还发现,无人机倾斜摄影测量的误差离散程度较高,误差分布不规律,有些明显地物点也可能出现粗差。在试验过程中,上述3种方法也是各有千秋,主要有3个方面。

2.1 全站仪立面测量

在本次实验过程中,使用全站仪开展立面测量,流程简单,易上手,使用常规仪器、软件即可实现工作任务,在个别拐点较多的地方再辅以手持激光测距仪、外业草图、现场照片,可以解决大部分的立面测量工作。但全站仪只能采集建筑物的外形、尺寸,无法同时采集建筑物的颜色、纹理、建筑材质、装饰细节等,需要拍摄大量照片用于后期辅助成图,特别是建筑物高处的立面要素点,随着视距的增加,观测难度增大,测量完整度和精度也有所降低[9]。同时,使用全站仪立面测量外业时间较长,劳动强度大,人工成本、时间成本相对较高。

2.2 无人机倾斜摄影测量

在本次实验过程中,运用无人机倾斜摄影测量方法最大的优点是可以用最直观的方式真实还原建筑的结构、尺寸、颜色、纹理等细节,同时,能将大量的外业工作转移到内业,减少了外业成本,降低了野外作业安全风险[11]。但是在具体作业过程中,也存在一些不足,主要是在受地形、建筑物高差影响的情况下,为保证无人机安全飞行,无人机很难以最佳高度贴近飞行以采集高清影像数据,同时,也会受到雨棚、树木、屋檐等遮挡物的影响,导致对目标建筑物采集的影像信息不完整,特别是在与其他建筑毗邻区和有树的地方,出现三维模型拉花、模糊、破洞的现象,影响立面采集精度。

根据这些不足,在试验过程中,为增强三维模型质量,后期还尝试采用无人机仿地飞行和地面拍摄影像结合的空地融合方式进行精细建模。首先,运用大疆经纬M600 Pro搭载大势智慧双鱼5.0倾斜相机以150 m的安全高度第一遍飞行,将飞行的影像数据导入计算机用大疆智图软件处理,生成数字高程模型(digital elevation model，DEM),再将数字高程模型导入大疆精灵4实时动态载波相位差分技术(real time kinematic,RTK)无人机,按70 m的高度以仿地飞行模式第二次飞行,仿地飞行可在确保无人机飞行高度安全的情况下以最佳的距离获取更加清晰的近景影像[12]。在地面,利用带定位功能的手机在建筑物附近按一定距离环绕拍摄,获取精细纹理影像。最后,将获取的各类影像数据进行整理检查,把空中无人机影像与地面近景影像在计算机中联合平差、协同处理,根据空地一体化空三结果进行三维建模,最终生成精细实景三维模型[13]。

通过对试验区域精细建模前后两个三维模型对比,后者模型质量大大提高,建筑物局部、细部得到更好的体现,三角网密度明显提升,色彩更加明亮,模型拉花、模糊、破洞等现象大大减少,立面图的采集工作更加顺畅,精度也得到提高。但是,外业、内业工作量也增加了不少,数据处理更加复杂,对计算机硬件设备要求更高,对工作人员的技术水平也有更高的要求,精细建模前后三维模型对比如图6所示。

(a)精细建模前 (b)精细建模后

2.3 三维激光扫描

在本次实验过程中,采用基于三维激光扫描的立面测量外业工作相对简单,可实现单组单人作业,不受全球定位系统(global positioning system，GPS)信号影响,只需预规划好扫描站点,在仪器上设置好扫描参数后便可自动扫描,适用范围广,特别是在结构复杂、立面要素多的区域,有特别好的适应性。但是在三维激光扫描的作业过程中,只能从地面往上扫描,容易受屋檐及附属物遮挡,同时,在窗户、玻璃区域噪点较多,对内业立面采集产生不利影响,在站数较多时,还容易导致站点数据错乱,对各站的点云数据拼接产生不利影响[14-15]。另外,在当前市场中,三维激光扫描仪的价格普遍较高,适配软件也较少,仍然是国外的产品占据主流优势,门槛相对较高。

3 结束语

在建筑结构相对简单或工作总量不大的情况下,采用全站仪的作业方式,辅以手持激光测距仪补充测量,会更加方便快捷,无须调用大量人力物力,能达到速战速决的效果;在建筑结构不复杂,作业范围较大的情况下,采用基于无人机倾斜摄影测量结合外业补充调绘的方式,能大大减少外业工作量,将外业工作转移到内业,提高项目总体经济效益;在结构复杂、对细节和纹理要求较高的情况下,特别是历史建筑的立面测量,采用三维激光扫描的方式能获得更加精细的纹理,数据量丰富,可满足立面图、剖面图、大样图等各种图件的生产需求。