基于VirtuoZo的近景普通數碼影像的三維建模

韓東亮，黃潤秋，王鳳艷

(1.吉林大學地球探測科學與技術學院，吉林 長春 130026；2.成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059)

基于VirtuoZo的近景普通數碼影像的三維建模

韓東亮1，黃潤秋2，王鳳艷1

(1.吉林大學地球探測科學與技術學院，吉林 長春 130026；2.成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059)

針對近景普通數碼影像，應用數字近景攝影測量方法，基于VirtuoZo數字攝影測量工作站，結合長春市楊家溝采石場，進行了高大巖體邊坡三維模型的建立；通過對野外測量控制點坐標與三維模型解譯量測的控制點坐標的比較分析，進一步評定了模型的點位測量精度，驗證了基于VirtuoZo的近景普通數碼影像三維建模的可靠性。

三維建模；數字近景攝影測量；VirtuoZo；精度

一、引 言

近年來，隨著計算機技術與電子信息科技的發展，以及數字圖像處理、模式識別和計算機視覺等學科的迅猛發展，數字近景攝影測量以其遙測、全面、可靠、快速、低強度、高精度等優點而廣泛地應用于國民生產和經濟建設的各個領域，如文物測繪[1]、隧道斷面研究[2]、礦山地表塌陷區監測[3]、地質產狀測定[4]等。VirtuoZo作為數字攝影測量的產品，促使攝影測量生產方式完全改變并實現跨越式發展。數字攝影測量工作站VirtuoZo是適普軟件有限公司與武漢大學遙感學院共同研制的全數字攝影測量系統，它是一個全軟件化設計、功能齊全、高度智能化的全數字攝影測量系統。此系統利用數字影像或數字化影像完成攝影測量作業，由計算機視覺代替人眼的立體量測與識別，可進行影像匹配、核線采樣、生成數字高程模型、制作正射影像、生成等高線、圖廓整飾等工作。針對普通數碼影像的近景攝影測量，VirtuoZo提供的近景攝影測量模塊V-ClosePhoto，通過少量野外控制點，迅速、準確地建立野外實體的三維模型，為野外數據的采集提供了有效途徑。

本文以長春市凈月潭楊家溝廢棄采石場為研究對象，遵循控制測量—數碼攝影—模型建立—信息解譯的過程思路，結合VirtuoZo的近景模塊與交互式圖形系統(interactive graphics system，IGS)量測模塊對高大巖體邊坡影像進行三維建模與信息解譯，通過量測模型控制點的三維坐標，與野外實測對比，應用測量誤差理論，評定了模型的點位測量精度，驗證了基于VirtuoZo的近景普通數碼影像三維建模的可靠性。

二、基于VirtuoZo的近景普通數碼影像三維建模流程

與航空影像相比，使用非量測相機拍攝的近景影像，經吉林大學自編相機標定及影像校正軟件處理后參與模型建立，因此不需要建立相機檢校參數文件，只在設置測區時將影像類型選為非量測相機影像。建模流程如圖1所示，同時，在近景普通數碼影像處理時應注意以下幾點：

1)引入影像文件后轉換影像格式，未知影像像素大小的情況下可填－1，由軟件自動識別影像分辨率。

2)無須內定向。

3)為達到較好的匹配結果，應采取半自動的方式進行相對定向、絕對定向。

4)模型的絕對定向至少需要6個控制點才能完成，最好布設8個及以上[5]的絕對定向控制點。

5)模型建立后應在立體顯示窗口下查看模型，如與野外實際存在差別應返回相對定向界面對精度較差的定向點進行調整。

6)IGS數字化測圖模塊下裝載已建立的三維模型，對野外采集的所有控制點進行量測，未參與建模的控制點作為檢查點，對模型精度進行評定。

圖1 VirtuoZo針對普通數碼影像近景攝影測量數據處理流程

三、應用實例

長春市楊家溝采石場位于E125°28′33″、N43°48′39″，邊坡上部覆蓋第四紀土壤，巖性多為砂巖和凝灰巖。采石使邊坡巖體大量出露，巖體節理裂隙發育，巖石被節理切割成塊狀，地表水沿裂隙下滲，具有潛在的滑坡、泥石流等地質災害隱患，需要進行邊坡工程地質條件調查，獲取大量巖體結構面信息，以評價邊坡的穩定性。下面論述采用數字近景攝影測量，基于VirtuoZo建立邊坡三維模型獲取邊坡信息。

1.準備工作

(1)控制測量及控制點文件的建立

以楊家溝采石場東坡為例，應用免棱鏡全站儀完成野外控制測量工作?？刂泣c整體上遵循環繞目標、適當加密的原則均勻布設；巖體表面局部點位遵循清晰易辨、易于瞄準的原則選取。取兩次測量的平均值作為控制測量最終結果(見表1)，經計算，控制測量點位中誤差為4.8 mm。將測得的控制點個數、點號、坐標分別錄入記事本文件中，并將TXT后綴改為軟件識別的CTL格式，完成控制點文件的建立(如圖2所示)。

表1 控制點坐標全站儀測量與立體模型解譯成果對照表m

(2)邊坡影像獲取及校正

使用Canon 50D單反數碼相機拍攝邊坡影像，采用近似正直攝影方式，保證影像的重疊度大于80%且至少包含6個及以上控制點，環繞采石場東、北、西3坡共拍攝7組像對。采用吉林大學自編軟件對相機進行了標定，標定參數見表2，并進行影像校正，東坡E-1校正后，左、右影像如圖3所示。

圖2 東坡E-1控制點文件

表2 Canon 50D單反數碼相機標定參數結果

圖3 東坡E-1像對畸變校正后左、右影像

2.巖體邊坡三維模型建立

按照圖1所示流程，結合建立的控制點文件及校正后的邊坡影像，建立采石場東坡的三維模型，定向結果及精度分別如圖4、圖5所示。在IGS數字化測圖模塊下對控制點進行解譯量測，并與野外實測控制點坐標對比，結果見表1。

圖4 東坡E-1像對定向示意圖

圖5 東坡E-1像對相對定向、絕對定向精度結果

3.三維模型精度評定

在東坡E-1像對建立的三維模型中，免棱鏡全站儀測量了17個控制點，根據控制點的精度及分布特征選取10個控制點作為三維模型建立的絕對定向點(見表1黑體點號)，其余控制點作為檢查點，分別與模型解譯的控制點坐標進行對比(見表1)。同理，根據免棱鏡全站儀的控制測量成果(共130個控制點)，對拍攝的7組像對分別選取絕對定向點(77個)與檢查點(53個)，并利用VirtuoZo數字攝影測量工作站建立邊坡三維模型，測取控制點的三維坐標，與野外測得的控制點進行對比分析，誤差分布的柱狀圖及高斯函數曲線擬合如圖6所示，數學期望E(X)＝0.002，方差D(X)＝0.000 122，誤差呈正態分布，符合偶然誤差特性，可運用測量誤差基本理論評定三維模型的精度。衡量精度的基本指標[6]是被測點的坐標中誤差(mX，mY，mZ)及點位中誤差mP。

圖6 誤差分布柱狀圖及曲線擬合

由式(1)對三維模型進行精度評定

式中，n為檢驗點個數；ΔXi、ΔYi、ΔZi分別為檢驗點攝影測量坐標與實測坐標的差值，見表3。

表3 基于控制點的模型精度評定m

通過免棱鏡全站儀與三維模型解譯的控制點坐標對比分析，此三維模型在各個方向及點位的精度均在2.5 cm以內，滿足依據三維模型進一步解譯巖體邊坡結構面幾何信息(跡線、產狀)的要求[7]。

四、結束語

本文以高大陡立邊坡為例，針對近景普通數碼影像，基于VirtuoZo數字攝影測量工作站，建立了邊坡巖體的三維模型，并評定了模型的精度。研究表明：采用免棱鏡全站儀進行邊坡控制測量，點位精度在5 mm內；用Canon 50D單反數碼相機(有效像素1510萬)拍攝的數碼影像，經校正處理后建立的巖體三維模型，點位精度在2.5 cm以內，能夠滿足進一步巖體結構面信息解譯的需要，由此可見基于VirtuoZo的近景普通數碼影像三維建模的可靠性，對今后的工程應用具有重要意義。隨著計算機視覺的不斷發展，以及數碼相機分辨率的日益提高，數字近景攝影測量技術的三維建模將向著速度更快、精度更高、信息量更豐富、成本更低廉的方向不斷發展，數字近景攝影測量學也將具有更為廣闊的發展空間和應用前景。

[1] 陳建華，潘慶林.靈山大佛數字近景攝影測量[J].工程勘探，1998(5)：17-20.

[2] 田愛軍.隧道斷面數字近景攝影測量系統研究開發[D].北京：北京交通大學，2007.

[3] 盛業華，趙曉虎，宋金玲.礦山地表塌陷區的數字地面攝影測量監測技術[C]∥第六屆全國礦山測量學術討論會論文集.[S.l.]：中國測繪學會礦山測量專業委員會，2007.

[4] 王樹根，朱宜萱.用近景攝影測量測定地質產狀的作業方法[J].測繪通報，1993(5)：17-20，29.

[5] 王鳳艷.數字近景攝影測量快速獲取巖體裂隙信息的工程應用[D].長春：吉林大學，2006.

[6] 馮文灝.近景攝影測量[M].武漢：武漢大學出版社，2002.

[7] 王鳳艷，陳劍平，付學慧，等.基于VirtuoZo的巖體結構面幾何信息獲取研究[J].巖石力學與工程學報，2008，27(1)：169-171.

[8] 張祖勛，張劍清.數字攝影測量學[M].武漢：武漢大學出版社，1997.

2014高校GIS論壇在武漢舉行

[本刊訊]11月8日，2014高校GIS論壇在武漢隆重舉行，來自全國30多所高校的1000多名專家學者與青年學子參加了此次論壇。

8日上午的主論壇上，吳信才教授作了題為《眾智共享夢云騰空——地理信息創新發展的思考》的主題報告；孫志鴻教授、周啟鳴教授、李滿春教授、謝忠教授分別就臺灣GIS教育與智慧城市的發展、海外高等院校本科GIS教育與課程設置現狀、寓教于研的GIS人才培養、地理信息創新服務關鍵技術應用模式及實踐作了相關報告。本屆論壇也有互聯網企業加盟，百度、嘀嘀打車所帶來的互聯網思維也啟發了與會者對地理信息產業發展模式的思索與探討。此外，吳立新教授主持了題為《移動網絡時代GIS服務創新與發展》的圓桌論壇，各位嘉賓對GIS如何探索服務創新與發展展開激烈討論，把現場氣氛推向高潮。

論壇期間舉行的各種獎項評選結果也在現場揭曉，9人獲得“高校GIS創新人物獎”，10人分享“高校GIS新銳獎”，10人摘取“高校GIS新秀獎”，10篇論文入選“優秀論文”，10所實驗室折取“MapGIS優秀實驗室”桂冠。

(本刊編輯部)

3D Model Establishment of Close Range Common Digital Images Based on VirtuoZo

HAN Dongliang，HUANG Runqiu，WANG Fengyan

P231.5

B

0494-0911(2014)11-0021-04

2013-11-26

國家自然科學基金(41072196)；成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室開放基金(SKLGP2013K018)；中國博士后科學基金(20090451125)

韓東亮(1988—)，男，回族，吉林長春人，碩士，主要研究方向為工程測量、近景攝影測量等。

王鳳艷

韓東亮，黃潤秋，王鳳艷.基于VirtuoZo的近景普通數碼影像的三維建模[J].測繪通報，2014(11)：21-24.

10.13474/j.cnki.11-2246.2014.0354