CN104713525A - 古建筑顶部摄影测量用标靶布设装置及布设方法 - Google Patents

Abstract

一种古建筑顶部摄影测量用标靶布设装置及布设方法。该装置包括一个外伸管，外伸管内的抽气管通过抽气口与抽气泵连通，外伸管前端安装与抽气管连通的吸盘，摄影测量用标靶被吸附在吸盘上；外伸管前端外侧同时安装一个触碰式开关，触碰式开关中的伸缩触发杆与外伸管平行并探出在吸盘外侧。标靶布设方法是：首先将外伸管通过安装架安装在无人飞行器上，将抽气管根部的抽气口与无人飞行器上的抽气泵连通；将标靶正面贴在吸盘上，接通抽气泵电源，使标靶被固定在吸盘上，然后揭开标靶背面的海绵双面胶上的贴纸，露出粘性表面；无人飞行器起飞逐渐接近古建筑上正确的位置并将标靶粘在建筑上，重复这一过程完成多个、多种标靶的布设。

Description

古建筑顶部摄影测量用标靶布设装置及布设方法

技术领域

本发明涉及建筑遗产数字化，测绘、测量，以及图像处理等综合应用技术领域。

背景技术

一、古建筑测量技术

(1)古建筑测绘需求与测量设备发展概况：

古代建筑在建设之初所用图纸多已流失，因此古建筑测绘成为古建筑保护的首要工作之一。当前古建筑测绘已发展到数字化阶段，地面三维激光扫描、低空摄影测量替代尺子作为获取高密度数据的两种最主流手段。地面激光扫描受到地面作业的低角度局限，古建筑上半部、顶部获得去的数据常出现稀疏、缺漏；如果古建筑体量高大，或者受到地形、周围树木遮挡等影响，甚至常出现顶部数据盲区。低空摄影测量是使用无人垂直起降飞行器携带相机在古建筑附近实施围绕飞行拍摄，通过摄影测量软件的处理生成密集点云数据。低空摄影测量机位可以自由调整，避开地面植物遮挡，因此低空摄影测量更具有技术优势。

低空摄影测量和地面激光扫描两者都依赖全站仪提供控制点坐标，以建立正确的坐标系，控制点的精度是测绘的关键点之一，而控制点的精度不仅基于全站仪设备固有精度，也受目标反射率、人为瞄准精度等影响，因此建筑物自然特征点的质量不高，如要提高精度水平，就需要人工标靶。

(2)现有各种测量标靶及其重要性、常见布设方法：

标靶是黑白反差明显、有明确几何中心、以一定数量分散贴在被测物体上的人工标志物(图2)，因为古建筑多自由曲面且存在破损，建筑构件重复度高容易混淆，因此如果不布设人工标靶，全站仪瞄准自然纹理、图案很容易出错，而人工布设的标靶具有明确的轮廓、准确的几何中心，不会和建筑上的图案混淆，能够极大提高定位的精确性。自然特征点除了几何中心不易确定的缺点外，古建筑不同构件的材料不同(例如琉璃、玻璃、木材等)，反射性不同，也容易导致全站仪无法读数或读数不准，而人工标靶统一制作，表面反射性相同，可避免上述问题，提高读数可靠性。

标靶的一般布设要求包括：a.在测绘全过程中必须固定不动。目前标靶布设大多采用人员在墙上粘贴等方式布设以保证牢固不动(图3)。b.在一场景中，控制点(标靶)数量必须多于三个，多出来的标靶可用于校核测量精度。c.控制点标靶应尽可能分散布设在古建筑上高、低、前、后各个不同的位置，对于高大古建筑，在建筑顶部也应布设。在墙面贴的标靶不能替代古建筑顶部标靶。根据标靶均布原则，必须在建筑顶部，尤其是塔楼、高耸建筑最高处布置标靶，才能达到测量控制的目的。此外为了发现顶部沉陷、倾斜等病害，或者详细测绘吻兽等细节装饰构件，也需要准确的控制点标靶，否则单独摄影测量获得的吻兽精细数据与建筑整体数据拼合时容易产生拼缝、重叠等问题。

(3)当前标靶布设存在的主要问题：

当前标靶布设面临的最主要难题是建筑高处标靶布设困难。地面或墙面低处测量标靶人工布设容易，古建筑高处或顶部标靶布设需要搭梯攀爬，不仅存在人员安全风险，而且有可能会踩坏顶部瓦件，如果使用起重车，则在古建筑院内运输困难、操作不灵活。鉴于上述困难，目前测绘标靶的布设大多限于地面，对于塔楼这样的建筑精度难于保证，也难于对吻兽细节测绘进行精确控制。

因此，快捷、安全地在高大建筑上部布设标靶是古建筑低空高精度摄影测量急需解决的难题。

二、古建筑色彩准确获取技术

(1)古建筑色彩准确获取技术及其与摄影测量的结合：

古建筑的重建、修缮都要求对其构件表面色彩准确获取，而相机拍摄效果受到光照强度、色温、构件朝向、相机参数等多种因素影响，数值不可能准确，因此目前拍摄过程中都要使用标准色卡用于校色，最简单的色卡是中性灰色卡，可以校正曝光强弱、偏色等基本问题(图4)，复杂的如24色卡(图5)甚至更多颜色的色卡，可以对某个颜色进行更为精确的度量。中性灰色卡是基本的、最常用到的颜色校正工具。

低空摄影测量是基于高质量照片生成点云，因此点云自动带有照片的色彩，可直接投影生成尺寸准确的“彩正射影像”，是古建筑测绘的新型成果。为了让正射影像不仅尺寸准确，颜色也准确还原，就需要使用色卡对曝光强弱、偏色问题进行校正。

(2)建筑各部位色卡的快捷布设亦是古建筑色彩准确获取的难题：

在墙根边放置色卡是最主要的校色工作模式，但由于古建筑立面上不同部位、不同构件处在不同的照明条件下，因此墙根边竖立的色卡只能用于校正附近墙面颜色，并不能准确校正檐下昏暗环境中的斗拱，或者坡屋顶表面。

地面放置的色卡校正效果有限，但色卡在高处的布设也同样面临人员攀爬、设备举升等难题，因此目前较少实施。

发明内容

本发明目的是：在替代人员搭架攀登或特种车辆举升的条件下，于古建筑上半部、顶部快速布设一定数量、符合全站仪要求的标靶，避免使用自然特征点，提高古建筑顶部测绘精度；同时布设符合色彩校正要求的中性灰色卡标靶，保证“彩正射影像”这一摄影测量成果的颜色精确度，提供一种古建筑顶部摄影测量用标靶布设装置及布设方法。本发明方法的优点在于标靶可广泛分布于建筑外表面各处，布设过程自由、快捷、方便、无需人员攀爬，且标靶本身在测量过程中能够保持固定不动，满足高精度摄影测量的要求，同时又对古建筑无损伤，对景观环境和拍摄效果干扰小。

本发明技术方案

一种古建筑顶部摄影测量用标靶布设装置，该装置包括一个外伸管，外伸管的根部设置有一个可调整俯仰角度的安装架，所述的安装架通过旋转铰和紧固螺栓固定在外伸管的根部；外伸管的内部设置有一个抽气管，抽气管的根部通过抽气口与抽气泵连通，抽气泵与电动机连接，外伸管的前端固定安装有一个与抽气管连通的吸盘，摄影测量用标靶被吸附在吸盘上；外伸管的前端外侧固定安装有一个触碰式开关，触碰式开关包括一个固定座，固定座上安装有一个导向套，导向套内安装有一个伸缩触发杆，伸缩触发杆的根部为一段金属导电体，该金属导电体同时与导向套上相互绝缘安装的两个触发电极电接触。

所述的伸缩触发杆与外伸管平行，伸缩触发杆的末端探出在外伸管前端安装的吸盘的末端。所述的外伸管上同时安装有一个平行于外伸管的激光发射器，用于向前端发射一束激光。

所述的摄影测量用标靶为圆形片状标靶，标靶的背面贴附有海绵双面胶，标靶的正面为摄影测量用标志，所述的标志分为两种，一种是印刷有黑白两色间隔布置的类似“宝马车标”的标志，另一种是印刷有中性灰色的用于颜色校正的标志。

本发明同时提供了一种采用所述古建筑顶部摄影测量用标靶布设装置的标靶布设方法，该方法的步骤包括：

第1、首先将外伸管通过安装架安装在无人飞行器上，然后根据标靶将要黏贴的建筑表面倾角，松开旋转铰上的紧固螺栓，调整外伸管的俯仰安装角，再拧紧紧固螺栓；将抽气管根部与无人飞行器上的抽气泵抽气口连通；

第2、将标靶正面贴在吸盘上，拉出触碰式开关的伸缩触发杆，接通激光发射器和抽气泵电源，抽气泵不断抽出吸盘内空气，使标靶因气压差被固定在吸盘上不会脱离掉落，然后揭开海绵双面胶背面的贴纸，露出粘性表面；

第3、无人飞行器起飞并根据激光发射器发出的激光束的引导使吸盘逐渐接近古建筑上正确的位置，在吸盘即将接触古建筑之前，前伸的伸缩触发杆率先触碰缩入，从而断开激光发射器和抽气泵电源，因吸盘和抽气管内还处于低压状态，标靶还会在吸盘上保持片刻，此时间内飞行器继续前进使得标靶接触到建筑，因海绵双面胶的粘性远大于吸盘内剩余的微弱气压差产生的吸力，因此标靶将被粘在建筑上，脱离吸盘完成布设，无人飞行器后退飞离建筑；

第4、无人飞行器是“一次轻微触碰”完成单个标靶布设，以同样的方法重复这一过程能够在建筑上部不同部位完成多个、多种标靶的布设。

对于表面灰尘较多的砖石表面，该方法还包括：揭开海绵双面胶贴纸后，在其中心涂抹UHU胶，以增加粘力，消除建筑表面灰尘的干扰。

本发明的优点和积极效果：

本发明同时满足古建筑测绘对标靶布设的以下各项要求：

(a)布设操作便捷、快速，且全过程完全无需人员攀爬。本方案通过标靶及其布设装置的设计，利用无人垂直起降飞行器这一古建筑低空摄影测量已有设备进行高大古建筑顶部标靶的快速布设，不需要人员攀爬古建筑或使用特种车辆，不仅避免人员风险而且保护古建筑不被人踩坏。

(b)标靶布设的高度、位置自由。使用无人飞行器而非升降机布设标靶，不仅速度更快而且布设位置更自由，不仅满足测量控制点均布的要求，而且能够满足不同朝向、多个表面色彩单独校正的需求。

(c)中式古建筑普遍适用，对遗产及其景观无损害。可以在古建正脊、吻兽侧面、墙面、梁柱侧面等多种构件上黏贴，普遍适用于大殿、塔刹、经幢等多种高大古建筑测绘。此外，本方案采用黏贴的方式布设控制点，对于建筑本体无损害，标靶体积小，飞机高分辨率相机可以拍到，但地面肉眼不易察觉，对建筑观感无影响。

(d)装置体积小、重量轻，结构简单实用。装置结构简单、不易损坏，便于运输、携带，标靶布设速度快，现场作业周期和成本并未明显增长，非常适用于古建筑测绘野外作业。装置重量可做到小于300克，微型垂直起降飞行器即可吊运。

(e)以一套设备解决定位控制和色彩校正两个难题，从两个方面显著提高了高大古建筑低空摄影测量的成果质量。对于色彩校正，本方案不仅可以使用中性灰标靶，也可以根据需要黏贴橘红色标靶到琉璃上，或者黏贴大红色标靶到红漆木柱上，有针对性地对某一类色彩进行校正。因此，本方案用一种手段同时解决了古建筑色彩校正、曝光校正、顶部测量控制的难题，具有事半功倍的效果。

(f)其他优点。例如触碰式开关可伸缩，吸盘是具有弹性的材料，在飞行器触及建筑表面时都能够起到缓冲、吸收撞击力的作用；而且弹性吸盘使标靶与建筑均匀接触，粘结牢固，而触碰式开关在收进后自然保持电动机电路断路，节约电量、延长电机寿命且不需要再额外的电机控制。

附图说明

图1是布设装置构造图。

图2几种常见的黑白反差标靶。

图3是常见黑白反差标靶的墙面粘贴方式。

图4是以中性灰为主的色卡。

图5是带有24色的色卡。

图6是布设装置的电气连接图。

图7是黑白两色标。

图8是中性灰色标。

图9是布设装置安装到飞行器上的示意图。

图10是实验过程照片。

图11是实验在古建筑高处成功黏贴的测量控制点(标靶)。

图中，1伸缩触发杆，2触发电极，3金属导电体，4触碰式开关，5粘结剂，6海绵双面胶，7圆形片状标靶点，8吸盘，9抽气管，10外伸管，11激光发射器，12安装架，13抽气口，14抽气泵，15电动机，16电极，17出气口，18电池，19机械开关，20旋转铰，21紧固螺栓。

具体实施方式

实施例1：标靶布设装置

本发明方案的核心内容是设计一套顶部标靶布设装置，利用无人飞行器(遥控多旋翼机)，将装置带到人员难以企及的古建筑上部，装置上的机构动作，将标靶黏贴于建筑表面，之后多旋翼机将布设装置带回地面并开展摄影测量等后续工作，完成测绘作业。

如图1所示，一种古建筑顶部摄影测量用标靶布设装置，该装置包括一个外伸管10，外伸管细长但坚固，在布设标靶时，可以保持飞行器旋翼与建筑之间有安全的距离，外伸管的根部设置有一个安装架12，用于固定在无人飞行器(多旋翼机)上并可用旋转铰20上下调整安装角度，用紧固螺栓21固定以保持该角度。外伸管的内部设置有一个抽气管9，抽气管的根部通过抽气口13与抽气泵14连通，抽气泵与电动机15连接，外伸管的前端固定安装有一个与抽气管连通的吸盘8，吸盘本身由橡胶等柔软有弹性的材料制成，用于吸附或者释放标靶，摄影测量用标靶7被吸附在吸盘上；外伸管的前端外侧固定安装有一个触碰式开关4，触碰式开关包括一个固定座，固定座上安装有一个导向套，导向套内安装有一个伸缩触发杆1，伸缩触发杆的根部为一段金属导电体3，该金属导电体同时与导向套上相互绝缘安装的两个触发电极2电接触。所述的伸缩触发杆与外伸管平行，伸缩触发杆的末端探出在外伸管前端安装的吸盘的末端。触碰式开关与抽气泵电机及电池相连(图6为电气连接图)，如果触碰式开关中的伸缩触发杆拉出到伸出状态，使其比吸盘更靠前，此时抽气泵电机电路接通工作，如果当吸盘接近障碍物时，伸缩触发杆先接触墙壁并改变为收入状态，两个电极不连通，断开电机电源，使抽气泵停止工作(图6为电气连接图，机械开关19串联在电路上是便于人员在地面和设备储存时关闭电机和激光发射器，古建筑作业时可一直处于联通状态)。

由于地面操纵人员距离飞行器有一定距离，难于瞄准将要黏贴的位置，因此需在外伸管上安装一个激光发射器11，发射一束与外伸管平行的激光照射到建筑上，使得操纵人员可以准确判断标靶将被黏贴的位置。激光发射器以前述电池为能源，受机械开关控制(参见图6)，地面人员在飞机起飞前打开开关，飞行过程中激光器始终发射激光，有助于瞄准和监控。

所述的摄影测量用标靶7为直径约3-4厘米的圆形片状标靶，标靶的背面贴附有海绵双面胶6，一面用于粘到标靶背面，另一面用于粘在古建筑的琉璃、梁柱等相对平整、光滑的构件上，对于砖石等非光滑表面，或者布满灰尘难于使用不干胶黏贴的表面，还需在背面附加涂抹粘结剂5(粘稠状黏胶，例如UHU胶)。标靶的正面为摄影测量用标志，所述的标志分为两种，一种是印刷有黑白两色间隔布置的类似“宝马车标”的标志(参见图7)，另一种是印刷有中性灰色的用于颜色校正的标志(参见图8)。

实施例2：标靶布设方法

本发明同时提供了一种采用所述古建筑顶部摄影测量用标靶布设装置的标靶布设方法，该方法的步骤包括：

第1、首先将外伸管通过安装架安装在无人飞行器上，根据标靶将要黏贴的建筑表面倾角，松开旋转铰20上的紧固螺栓21，调整外伸管的俯仰安装角，再拧紧紧固螺栓；将抽气管根部与无人飞行器上的抽气泵抽气口连通；

本例所用无人飞行器为三轴六桨多旋翼机，三轴六桨多旋翼机为标靶布设装置最佳的飞行载具(参见图9)，因在同级别的各种垂直起降飞行器中，它兼具体积小、飞行稳定度高、旋翼与外伸管距离远互相不干扰，外伸管安装与角度调整容易等优点。

第2、将标靶正面贴在吸盘上，拉出触碰式开关的伸缩触发杆，接通激光发射器和抽气泵电源，抽气泵不断抽出吸盘内空气，使标靶因气压差被固定在吸盘上不会脱离掉落，然后揭开海绵双面胶背面的贴纸，露出粘性表面；

第3、无人飞行器起飞并根据激光发射器发出的激光束的引导使吸盘逐渐接近古建筑上正确的位置(参见图10)，在吸盘即将接触古建筑之前，前伸的伸缩触发杆率先触碰缩入，从而断开激光发射器和抽气泵电源，因吸盘和抽气管内还处于低压状态，标靶还会在吸盘上保持片刻(大约1-2秒钟左右)，此时间内飞行器继续前进使得标靶接触到建筑，因海绵双面胶的粘性远大于吸盘内剩余的微弱气压差产生的吸力，因此标靶将被粘在建筑上，脱离吸盘完成布设，无人飞行器后退飞离建筑；

第4、无人飞行器是“一次轻微触碰”完成单个标靶布设(参见图11)，以同样的方法重复这一过程能够在建筑上部不同部位完成多个、多种标靶的布设。

对于表面灰尘较多的砖石表面，该方法还包括：揭开海绵双面胶贴纸后，在其中心涂抹UHU胶，以增加粘力，消除建筑表面灰尘的干扰。

完成布设后，多旋翼机将带着布设装置返回地面并重复这一过程，如果建筑上已有足够的摄影测量控制标靶和颜色校正标靶，多旋翼机可卸下本装置，再安装相机等设备后可以马上开展拍摄等后续工作。

Claims (7)

1.一种古建筑顶部摄影测量用标靶布设装置，其特征在于该装置包括一个外伸管，外伸管的根部设置有一个安装架，外伸管的内部设置有一个抽气管，抽气管的根部通过抽气口与抽气泵连通，抽气泵与电机连接，外伸管的前端固定安装有一个与抽气管连通的吸盘，摄影测量用标靶被吸附在吸盘上；外伸管的前端外侧固定安装有一个触碰式开关，触碰式开关包括一个固定座，固定座上安装有一个导向套，导向套内安装有一个伸缩触发杆，伸缩触发杆的根部为一段金属导电体，该金属导电体同时与导向套上相互绝缘安装的两个触发电极电接触。

2.根据权利要求1所述的古建筑顶部摄影测量用标靶布设装置，其特征在于所述的伸缩触发杆与外伸管平行，伸缩触发杆的末端探出在外伸管前端安装的吸盘的末端。

3.根据权利要求1所述的古建筑顶部摄影测量用标靶布设装置，其特征在于所述的外伸管上同时安装有一个平行于外伸管的激光发射器，用于向前端发射一束激光。

4.根据权利要求1所述的古建筑顶部摄影测量用标靶布设装置，其特征在于所述的安装架通过旋转铰和紧固螺栓固定在外伸管的根部。

5.根据权利要求1至4任一项所述的古建筑顶部摄影测量用标靶布设装置，其特征在于所述的摄影测量用标靶为圆形片状标靶，标靶的背面贴附有海绵双面胶，标靶的正面为摄影测量用标志，所述的标志分为两种，一种是印刷有黑白两色间隔布置的类似“宝马车标”的标志，另一种是印刷有中性灰色的用于颜色校正的标志。

6.一种采用权利要求1所述古建筑顶部摄影测量用标靶布设装置的标靶布设方法，其特征在于该方法的步骤包括：

第1、首先将外伸管通过安装架安装在无人飞行器上，然后根据标靶将要黏贴的建筑表面倾角，松开旋转铰上的紧固螺栓，调整外伸管的俯仰安装角，再拧紧紧固螺栓，并将抽气管与无人飞行器上的抽气泵抽气口连通；

第2、将标靶正面贴在吸盘上，拉出触碰式开关的伸缩触发杆，接通激光发射器和抽气泵电源，抽气泵不断抽出吸盘内空气，使标靶因气压差被固定在吸盘上不会脱离掉落，然后揭开海绵双面胶背面的贴纸，露出粘性表面；

第3、无人飞行器起飞并根据激光发射器发出的激光束的引导使吸盘逐渐接近古建筑上正确的位置，在吸盘即将接触古建筑之前，前伸的伸缩触发杆率先触碰缩入，从而断开激光发射器和抽气泵电源，因吸盘和抽气管内还处于低压状态，标靶还会在吸盘上保持片刻，此时间内飞行器继续前进使得标靶接触到建筑，因海绵双面胶的粘性远大于吸盘内剩余的微弱气压差产生的吸力，因此标靶将被粘在建筑上，脱离吸盘完成布设，无人飞行器后退飞离建筑；

第4、无人飞行器是“一次轻微触碰”完成单个标靶布设，以同样的方法重复这一过程能够在建筑上部不同部位完成多个、多种标靶的布设。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于该方法还包括：对于砖石表面，揭开海绵双面胶贴纸后，在其中心涂抹UHU胶，以增加粘力，消除建筑表面灰尘的干扰。