基于航空傾斜攝影的一體化建模技術(shù)探討

龐清艷

摘 要：傾斜攝影測(cè)量以其獨(dú)特的視角，獲取了更加豐富的地物信息，使得基于傾斜影像的三維實(shí)景建模成為可能。本文闡述基于SLAM和傾斜攝影測(cè)量的室內(nèi)外一體化三維實(shí)景建模的技術(shù)方法和流程，并結(jié)合這種新型技術(shù)手段制作的三維模型的潛在應(yīng)用價(jià)值進(jìn)行分析，總結(jié)出一套新的三維模型制作、技術(shù)應(yīng)用解決方案。

關(guān)鍵詞：傾斜攝影 SLAM 三維實(shí)景建模 模型對(duì)象化

中圖分類號(hào)：P236 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）12（a）-00-02

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)自2010年引進(jìn)到國內(nèi)后，近幾年經(jīng)歷了快速的發(fā)展，為了降低傾斜影像的獲取成本和周期，同時(shí)拓展傾斜攝影的應(yīng)用領(lǐng)域，國內(nèi)在引進(jìn)和開發(fā)基于有人機(jī)的傾斜航攝儀的同時(shí)，同步開展了適宜在無人機(jī)、動(dòng)力三角翼、直升機(jī)上進(jìn)行搭載的輕量化、微型化傾斜航攝儀的研發(fā)工作。傾斜攝影測(cè)量已經(jīng)在技術(shù)裝備、建模軟件、技術(shù)方法、技術(shù)流程等諸多方面取得顯著的突破。傾斜攝影測(cè)量以其獨(dú)特的數(shù)據(jù)獲取視角，采集了比傳統(tǒng)垂直攝影更加豐富的地物信息。但受到傾斜攝影傳感器拍攝角度的影響，貼近地面、屋檐下沿、異性結(jié)構(gòu)以及存在遮擋的地物，無法獲得高精度的紋理數(shù)據(jù)，制作的三維模型與實(shí)際情況差異較大，精細(xì)程度難以滿足三維空間管理的需求。

近年來，隨著移動(dòng)測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展，基于SLAM的三維移動(dòng)測(cè)量技術(shù)以其高精度、無依托的技術(shù)特點(diǎn)，能方便快捷的獲取室內(nèi)、室外高精度的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，基于所獲取的連續(xù)點(diǎn)云制作高精度三維模型。而移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)一般在地面或者車載運(yùn)行，對(duì)于室內(nèi)或者貼近地面區(qū)域的構(gòu)筑物，可制作高精度的三維模型。而建筑物高層、頂部及建筑群整體的地形地貌卻難以表達(dá)。

在實(shí)際的應(yīng)用和管理需求中，往往會(huì)有一些特定的管理對(duì)象需要高精度的空間數(shù)據(jù)作為支撐。而針對(duì)特定的對(duì)象進(jìn)行管理時(shí)，要求該對(duì)象獨(dú)立于三維空間中，即管理對(duì)象單體化、分層化。而采用傾斜攝影的方式制作的三維模型只能表達(dá)建筑物外立面、大場(chǎng)景的三維效果，對(duì)于建筑物底部、內(nèi)部及存在遮擋的地物，則可利用三維移動(dòng)掃描技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和模型制作。對(duì)于建筑物整體或者大場(chǎng)景的表達(dá)，則直接使用傾斜攝影三維模型；而針對(duì)需要進(jìn)行對(duì)象化、單體化的管理對(duì)象和室內(nèi)空間，則基于三維移動(dòng)掃描技術(shù)制作單體化的三維模型。

對(duì)于大場(chǎng)景的三維模型制作，我們可采用五拼鏡頭的傾斜攝影相機(jī)獲取高分辨率傾斜影像，并制作大場(chǎng)景范圍內(nèi)的三維模型。五拼相機(jī)中自帶有一個(gè)垂直的相機(jī)，可獲取測(cè)區(qū)范圍內(nèi)高精度的垂直攝影影像，為后續(xù)制作地形地貌數(shù)據(jù)提供基礎(chǔ)。傾斜攝影的影像數(shù)據(jù)可為后續(xù)點(diǎn)云建模數(shù)據(jù)提供墻面、屋頂紋理貼圖。

本文將結(jié)合基于SLAM的移動(dòng)測(cè)量與傾斜攝影兩種技術(shù)手段，探索一種新型的室內(nèi)外一體化三維建模解決方案，并基于這種新方法制作的三維模型進(jìn)行應(yīng)用分析。

1 基于SLAM算法和傾斜攝影測(cè)量三維建模

1.1 SLAM算法

SLAM（Simultaneous Localization and Mapping）的基本工作原理是：機(jī)器人在未知環(huán)境中從一個(gè)未知位置開始移動(dòng)，在移動(dòng)過程中根據(jù)位置估計(jì)和地圖進(jìn)行自身定位，同時(shí)在自身定位的基礎(chǔ)上建造增量式地圖，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主定位和導(dǎo)航。由于其重要的理論與應(yīng)用價(jià)值，被很多學(xué)者認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)真正全自主移動(dòng)機(jī)器人的關(guān)鍵。

多年來，該技術(shù)一直應(yīng)用于機(jī)器人自主定位領(lǐng)域。近年來，國際國內(nèi)多家研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)投入研發(fā)力量，將SLAM技術(shù)引進(jìn)到三維測(cè)圖領(lǐng)域，并且將核心算法進(jìn)行改進(jìn)、包裝，制作成可移動(dòng)測(cè)量的激光掃描設(shè)備，在室內(nèi)移動(dòng)測(cè)量、地下空間三維建模等領(lǐng)域取得了突破性的進(jìn)展。

基于SLAM的三維移動(dòng)掃描系統(tǒng)無須GPS等輔助技術(shù)便可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)三維掃描?；趯?shí)時(shí)定位與制圖（SLAM）的室內(nèi)空間三維數(shù)據(jù)采集技術(shù)將結(jié)合激光掃描技術(shù)與移動(dòng)測(cè)量技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，形成一項(xiàng)全新的三維移動(dòng)測(cè)量技術(shù)。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)在沒有GPS和復(fù)雜慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的環(huán)境下，僅依靠技術(shù)設(shè)備自身配置的簡(jiǎn)單慣性測(cè)量裝置，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)三維數(shù)據(jù)的快速、便捷、低成本的采集。

基于SLAM的三維移動(dòng)掃描技術(shù)在獲取掃描空間的三維激光點(diǎn)云后，建模技術(shù)人員可根據(jù)高精度的三維點(diǎn)云進(jìn)行單體化三維模型制作。而在實(shí)際的應(yīng)用和管理中，單體化的三維模型才能作為獨(dú)立的對(duì)象進(jìn)行管理，可單獨(dú)賦予屬性，并且在管理環(huán)節(jié)中可實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)化。

1.2 傾斜攝影測(cè)量

傾斜攝影技術(shù)是國際地理信息領(lǐng)域近年發(fā)展起來的一項(xiàng)高新技術(shù)。它克服了傳統(tǒng)航攝技術(shù)只能從單一角度拍攝的局限性，通過對(duì)地物進(jìn)行多角度拍攝，可獲取同一地物的多幅傾斜影像。

傾斜影像的出現(xiàn)將用戶引入了一個(gè)更加符合人眼視覺的直觀世界。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)的反映地物的實(shí)際情況，還能直接基于影像進(jìn)行各種量測(cè)，如高度、長(zhǎng)度、面積、及實(shí)際坐標(biāo)等。因此，傾斜影像極大的彌補(bǔ)了基于正射影像的應(yīng)用的不足，為用戶提供了更豐富的地理信息，更友好體驗(yàn)，成本更低廉，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于應(yīng)急指揮、國土安全、城市管理等行業(yè)。

2 基于室內(nèi)外一體化三維模型技術(shù)應(yīng)用研究

對(duì)于實(shí)現(xiàn)了單體化的三維模型而言，可基于單體化的三維模型進(jìn)行對(duì)象化的管理。單體化三維模型將視野范圍內(nèi)的所有關(guān)注的對(duì)象進(jìn)行分層存儲(chǔ)，為城鎮(zhèn)、工業(yè)園區(qū)規(guī)劃輔助和決策提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。通過多項(xiàng)技術(shù)的組合，可以顛覆城鎮(zhèn)、工業(yè)園區(qū)三維空間管理行業(yè)傳統(tǒng)的模型展示、設(shè)計(jì)、規(guī)劃等方式。

一方面，可基于傾斜攝影測(cè)量制作的大場(chǎng)景三維模型進(jìn)行實(shí)景展示?？梢允褂萌S數(shù)據(jù)處理軟件直接讀取大場(chǎng)景或者某一個(gè)獨(dú)棟建筑物的三維模型，并進(jìn)行漫游、瀏覽和查詢檢索等。亦可基于三維模型數(shù)據(jù)，錄制三維漫游視頻，制作成城鎮(zhèn)或者工業(yè)園區(qū)宣傳、展示視頻。讓觀看者以獨(dú)特的視野來了解發(fā)展現(xiàn)狀和未來的規(guī)劃，如圖1所示。

另一方面，可基于單體化的三維模型，進(jìn)行建筑物及周邊的重要部件信息調(diào)查，并基于三維空間數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)用和管理。比如基于三維空間數(shù)據(jù)，進(jìn)行建筑物周邊的道路、井蓋、路燈、市政環(huán)境、園林綠化、公共設(shè)施等部件普查，并且在三維空間中進(jìn)行標(biāo)識(shí)，可對(duì)重點(diǎn)關(guān)注的部件進(jìn)行建模表示，形成部件普查三維數(shù)據(jù)庫。

針對(duì)建筑物內(nèi)部的三維空間管理和應(yīng)用，可基于單體化的三維模型進(jìn)行室內(nèi)安全通道、消防設(shè)施、照明等規(guī)劃和管理。并且可實(shí)現(xiàn)從高空漫游，到低空巡查，再到地面行走，并將視角轉(zhuǎn)換到室內(nèi)環(huán)境，進(jìn)行空地一體化、室內(nèi)室外一體化的三維漫游和管理，如圖2所示。

基于三維空間數(shù)據(jù)，采用CAD/BIM/GIS等不同管理模型進(jìn)行三維管理，數(shù)據(jù)格式可在不同的管理平臺(tái)中進(jìn)行便捷的轉(zhuǎn)換。

基于三維空間數(shù)據(jù)，可建立建筑物、建筑物周邊及建筑物內(nèi)部精確的空間清冊(cè)。可針對(duì)匯總統(tǒng)計(jì)的建筑物面積、空間分布及實(shí)際管理需求，在后臺(tái)的管理系統(tǒng)或者管理數(shù)據(jù)庫中，創(chuàng)建空間分配與管理標(biāo)準(zhǔn)，按照管理的對(duì)象進(jìn)行空間單元?jiǎng)澐郑谌S空間數(shù)據(jù)分析各部門空間占用情況，生成不同類別的空間使用明細(xì)，并且對(duì)空間占用情況進(jìn)行優(yōu)化和布局，對(duì)業(yè)務(wù)流程和工作場(chǎng)所進(jìn)行三維可視化管理。

3 結(jié)語

本文結(jié)合傾斜攝影測(cè)量三維建模和基于SLAM三維移動(dòng)掃描建模這兩種比較成熟的三維建模技術(shù)，將二者進(jìn)行組合應(yīng)用。按照新的技術(shù)流程、技術(shù)方法，制作多元化的三維模型數(shù)據(jù)。并探索大場(chǎng)景三維模型和單體化三維模型的應(yīng)用環(huán)境和應(yīng)用方式。技術(shù)流程和應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑹且粋€(gè)極大的拓展，技術(shù)創(chuàng)新性良好。并且結(jié)合國內(nèi)外的試驗(yàn)情況，技術(shù)可操作性強(qiáng)，作者也將根據(jù)實(shí)際工作情況進(jìn)行進(jìn)一步的探討和研究。

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