基于航空傾斜攝影的一體化建模技術探討

龐清艷

摘 要：傾斜攝影測量以其獨特的視角，獲取了更加豐富的地物信息，使得基于傾斜影像的三維實景建模成為可能。本文闡述基于SLAM和傾斜攝影測量的室內外一體化三維實景建模的技術方法和流程，并結合這種新型技術手段制作的三維模型的潛在應用價值進行分析，總結出一套新的三維模型制作、技術應用解決方案。

關鍵詞：傾斜攝影 SLAM 三維實景建模 模型對象化

中圖分類號：P236 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）12（a）-00-02

傾斜攝影測量技術自2010年引進到國內后，近幾年經歷了快速的發展，為了降低傾斜影像的獲取成本和周期，同時拓展傾斜攝影的應用領域，國內在引進和開發基于有人機的傾斜航攝儀的同時，同步開展了適宜在無人機、動力三角翼、直升機上進行搭載的輕量化、微型化傾斜航攝儀的研發工作。傾斜攝影測量已經在技術裝備、建模軟件、技術方法、技術流程等諸多方面取得顯著的突破。傾斜攝影測量以其獨特的數據獲取視角，采集了比傳統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、異性結構以及存在遮擋的地物，無法獲得高精度的紋理數據，制作的三維模型與實際情況差異較大，精細程度難以滿足三維空間管理的需求。

近年來，隨著移動測量技術的不斷發展，基于SLAM的三維移動測量技術以其高精度、無依托的技術特點，能方便快捷的獲取室內、室外高精度的三維點云數據，基于所獲取的連續點云制作高精度三維模型。而移動測量系統一般在地面或者車載運行，對于室內或者貼近地面區域的構筑物，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。

在實際的應用和管理需求中，往往會有一些特定的管理對象需要高精度的空間數據作為支撐。而針對特定的對象進行管理時，要求該對象獨立于三維空間中，即管理對象單體化、分層化。而采用傾斜攝影的方式制作的三維模型只能表達建筑物外立面、大場景的三維效果，對于建筑物底部、內部及存在遮擋的地物，則可利用三維移動掃描技術進行數據采集和模型制作。對于建筑物整體或者大場景的表達，則直接使用傾斜攝影三維模型；而針對需要進行對象化、單體化的管理對象和室內空間，則基于三維移動掃描技術制作單體化的三維模型。

對于大場景的三維模型制作，我們可采用五拼鏡頭的傾斜攝影相機獲取高分辨率傾斜影像，并制作大場景范圍內的三維模型。五拼相機中自帶有一個垂直的相機，可獲取測區范圍內高精度的垂直攝影影像，為后續制作地形地貌數據提供基礎。傾斜攝影的影像數據可為后續點云建模數據提供墻面、屋頂紋理貼圖。

本文將結合基于SLAM的移動測量與傾斜攝影兩種技術手段，探索一種新型的室內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行應用分析。

1 基于SLAM算法和傾斜攝影測量三維建模

1.1 SLAM算法

SLAM（Simultaneous Localization and Mapping）的基本工作原理是：機器人在未知環境中從一個未知位置開始移動，在移動過程中根據位置估計和地圖進行自身定位，同時在自身定位的基礎上建造增量式地圖，實現機器人的自主定位和導航。由于其重要的理論與應用價值，被很多學者認為是實現真正全自主移動機器人的關鍵。

多年來，該技術一直應用于機器人自主定位領域。近年來，國際國內多家研究機構、企業投入研發力量，將SLAM技術引進到三維測圖領域，并且將核心算法進行改進、包裝，制作成可移動測量的激光掃描設備，在室內移動測量、地下空間三維建模等領域取得了突破性的進展。

基于SLAM的三維移動掃描系統無須GPS等輔助技術便可實現室內三維掃描。基于實時定位與制圖（SLAM）的室內空間三維數據采集技術將結合激光掃描技術與移動測量技術的優勢，形成一項全新的三維移動測量技術。該技術實現在沒有GPS和復雜慣性導航系統的環境下，僅依靠技術設備自身配置的簡單慣性測量裝置，實現室內三維數據的快速、便捷、低成本的采集。

基于SLAM的三維移動掃描技術在獲取掃描空間的三維激光點云后，建模技術人員可根據高精度的三維點云進行單體化三維模型制作。而在實際的應用和管理中，單體化的三維模型才能作為獨立的對象進行管理，可單獨賦予屬性，并且在管理環節中可實現節點化。

1.2 傾斜攝影測量

傾斜攝影技術是國際地理信息領域近年發展起來的一項高新技術。它克服了傳統航攝技術只能從單一角度拍攝的局限性，通過對地物進行多角度拍攝，可獲取同一地物的多幅傾斜影像。

傾斜影像的出現將用戶引入了一個更加符合人眼視覺的直觀世界。相對于正射影像，傾斜影像能讓用戶從多個角度觀察地物，更加真實的反映地物的實際情況，還能直接基于影像進行各種量測，如高度、長度、面積、及實際坐標等。因此，傾斜影像極大的彌補了基于正射影像的應用的不足，為用戶提供了更豐富的地理信息，更友好體驗，成本更低廉，目前已經廣泛應用于應急指揮、國土安全、城市管理等行業。

2 基于室內外一體化三維模型技術應用研究

對于實現了單體化的三維模型而言，可基于單體化的三維模型進行對象化的管理。單體化三維模型將視野范圍內的所有關注的對象進行分層存儲，為城鎮、工業園區規劃輔助和決策提供基礎數據。通過多項技術的組合，可以顛覆城鎮、工業園區三維空間管理行業傳統的模型展示、設計、規劃等方式。

一方面，可基于傾斜攝影測量制作的大場景三維模型進行實景展示。可以使用三維數據處理軟件直接讀取大場景或者某一個獨棟建筑物的三維模型，并進行漫游、瀏覽和查詢檢索等。亦可基于三維模型數據，錄制三維漫游視頻，制作成城鎮或者工業園區宣傳、展示視頻。讓觀看者以獨特的視野來了解發展現狀和未來的規劃，如圖1所示。

另一方面，可基于單體化的三維模型，進行建筑物及周邊的重要部件信息調查，并基于三維空間數據進行應用和管理。比如基于三維空間數據，進行建筑物周邊的道路、井蓋、路燈、市政環境、園林綠化、公共設施等部件普查，并且在三維空間中進行標識，可對重點關注的部件進行建模表示，形成部件普查三維數據庫。

針對建筑物內部的三維空間管理和應用，可基于單體化的三維模型進行室內安全通道、消防設施、照明等規劃和管理。并且可實現從高空漫游，到低空巡查，再到地面行走，并將視角轉換到室內環境，進行空地一體化、室內室外一體化的三維漫游和管理，如圖2所示。

基于三維空間數據，采用CAD/BIM/GIS等不同管理模型進行三維管理，數據格式可在不同的管理平臺中進行便捷的轉換。

基于三維空間數據，可建立建筑物、建筑物周邊及建筑物內部精確的空間清冊。可針對匯總統計的建筑物面積、空間分布及實際管理需求，在后臺的管理系統或者管理數據庫中，創建空間分配與管理標準，按照管理的對象進行空間單元劃分，基于三維空間數據分析各部門空間占用情況，生成不同類別的空間使用明細，并且對空間占用情況進行優化和布局，對業務流程和工作場所進行三維可視化管理。

3 結語

本文結合傾斜攝影測量三維建模和基于SLAM三維移動掃描建模這兩種比較成熟的三維建模技術，將二者進行組合應用。按照新的技術流程、技術方法，制作多元化的三維模型數據。并探索大場景三維模型和單體化三維模型的應用環境和應用方式。技術流程和應用領域將是一個極大的拓展，技術創新性良好。并且結合國內外的試驗情況，技術可操作性強，作者也將根據實際工作情況進行進一步的探討和研究。

參考文獻

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