摘要：日照分析外业测量中建筑物檐口之上的异形屋顶测量非常困难,无法保证内业日照分析屋顶建模的完整性和真实性。针对该问题,本文利用低空无人机倾斜摄影测量技术获取多角度影像数据,通过自动实景三维建模以及三维模型立体量测技术,从而快速、准确地获取建筑物异形屋顶的平面数据和高程数据。本文通过日照分析项目实例,详细介绍低空无人机倾斜摄影测量技术在日照分析建模的作业流程,并通过精度分析,验证了此方法的可行性。
关键词： 倾斜摄影测量 实景三维模型 异形屋顶 无人机 日照分析外业测量 日照分析建模 测绘学
1、引言
在应急保障和小区域外业测绘领域具有明显的优势[1,2]。
本文通过低空无人机倾斜摄影技术获取多个角度的高重叠度的影像,通过VRS获取高精度的像控点,利用Smart3D软件实现自动实景三维建模,利用EPS软件进行三维模型立体量测准确获取屋顶造型的平面位置数据和高程数据。根据工程实例验证了此技术路线的可行性。
2、无人机倾斜摄影
无人机倾斜摄影技术是使用无人机携带航摄仪获取多个角度的影像数据,结合地面控制点数据和影像的POS数据,同步获取该区域的实景三维模型数据、数字正射影像数据、点云数据等多种类型的成果数据[3]。无人机倾斜摄影技术可以准确获取建筑物整个异形屋顶的平面位置和高程数据,满足日照分析建模数据高精度的要求。
2.1无人机倾斜摄影数据的外业采集
外业航空摄影通过大疆Inspire2飞行平台,搭载ZENMUSEX5S超清航拍相机,镜头朝向与地面垂直拍摄一组影像,获取地物顶面纹理。镜头朝向与地面成45°夹角拍摄获取的四组影像分别指向东南西北,获取地物侧面纹理。
设计航线相对航高105m,航向和旁向重叠度分别为80%、70%,整个测区28条航线,456张影像。为辅助后续数据处理,测区采用区域网布点模式,布设8个外业像控点及检查点,测区范围如图1所示。
图1测区范围示意图
2.2实景三维模型及日照分析模型的建立
本文采用无人机倾斜摄影技术获取测区的影像数据,采用Smart3D软件,利用自动建模的技术构建实景三维模型[4]。基于低空无人机倾斜摄影建筑物三维模型创建的流程图,如图2所示。
图2基于低空无人机倾斜摄影物三维模型创建的流程图
(1)实景三维模型创建
实景三维模型采用Smart3D软件进行创建,具体步骤如下:
①创建项目
通过布尔莎七参数模型[5]及似大地水准面精化模型将原始POS数据由WGS84坐标系转换为Xian1980平面坐标系及1985国家高程基准。加载影像,导入POS数据及控制点数据,建立Smart3D工程,如图3所示。
图3Smart3D工程文件
②倾斜摄影空中三角测量
提交空中三角测量,建立立体模型,获取精确的外方位元素,获取加密点三维坐标,如图4所示。
图4倾斜摄影空中三角测量
③三维实景模型生成
基于空中三角测量的成果,对模型进行分块处理,创建三维模型;同时利用倾斜摄影测量获取的多角度纹理信息,得到测区实景三维模型,如图5所示。
图5实景三维模型
(2)日照分析建筑物三维模型创建
①三维模型加载
基于EPS三维测图模块OSGB数据转换功能将Smart3D生成的OSGB格式的模型转换成DSM模型,然后分别加载DSM模型和DOM模型,从而实现三维模型和二维影像的联动,如图6所示。
图6EPS加载三维模型
②屋顶平面绘制
根据模型的空间信息,直接进行屋顶造型的空间量算及三维坐标采集,同时通过模型旋转及多角度观察等功能,准确获取建筑物的檐口与屋顶造型的平面位置与高程信息,绘制屋顶造型平面图,如图7所示。
图7异形屋顶平面图
③日照分析三维模型创建
利用众智软件[6],选择三维屋顶模式,根据屋顶平面图中屋脊线、合水线的位置及其高度数据,完成异形屋顶三维模型的建立,如图8所示。
图8无人机倾斜摄影测量三维建模
3、精度分析
3.1空中三角测量精度
经过空中三角测量生成控制点和检核点的精度报告,如表1所示。由表1可知,控制点水平中误差为0.012m,高程中误差为0.002m,点位中误差0.012m。检查点水平中误差0.034m,高程中误差0.002m,点位中误差0.034m,空中三角测量精度较高,满足日照分析异形屋顶建模的精度需求。
像控点及检核点中误差表1
3.2平面及高程精度
(1)平面精度
平面精度检查采用全站仪外业实测建筑物特征点的平面坐标与屋顶平面图同名点比较统计分析,具体精度统计表如表2所示。
平面坐标精度统计表表2
平面中误差ms=±∑△2/2n????????√=±0.087
本次总共统计20个平面点的精度,平面位置精度均小于0.15m,中误差0.087m,满足日照分析建筑物屋顶三维建模的平面精度要求。
(2)高程精度
高程精度检查利用全站仪外业实测特征点高程数据与通过实景三维模型直接获取的同名点的高程数据比较统计分析,具体精度统计表如表3所示。
本次总共统计20个高程点的精度,高程差中误差为0.038m,最大高程误差为0.09m,满足日照分析建筑物屋顶三维建模的高程精度要求。
高程精度统计表表3
3.3日照分析三维模型的精度
如图9所示,建筑物屋顶造型极其复杂,常规外业测量无法完整测量建筑物屋顶造型,造成建筑物日照分析三维模型严重失真。常规外业测量建立的三维模型如图10所示。
无人机倾斜摄影测量可以准确完整的获取建筑物屋顶、檐口的外轮廓和高程数据,可以还原建筑物真实的日照分析三维模型。
通过比较可知低空无人机倾斜摄影测量建立的日照分析三维模型,可以保证建筑物屋顶造型的准确性和完整性,确保最终日照分析时数的准确性。
图9真实屋顶造型
图10常规测量三维建模
4、结论
本文给出了基于低空无人机倾斜摄影技术在日照分析建筑物屋顶三维建模的技术路线,借助实景三维模型的立体量测、任意视角等优点,实现建筑物屋顶造型的全内业绘制,保证建筑物屋顶造型的真实性、完整性,保证了日照分析中日照时数的准确性。通过对工程实例验证了此技术路线的可行性,为日照分析建筑物数据采集提供了一种新的解决方案。
