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(nèi)外一體化三維實景建模的技術(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用價值進行分析，總結(jié)出一套新的三維模型制作、技術(shù)應用解決方案。

關(guān)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(shù)自2010年引進到國內(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，同時拓展傾斜攝影的應用領(lǐng)域，國內(nèi)在引進和開發(fā)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(fā)工作。傾斜攝影測量已經(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。傾斜攝影測量以其獨特的數(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(shù)的不斷發(fā)展，基于SLAM的三維移動測量技術(shù)以其高精度、無依托的技術(shù)特點，能方便快捷的獲取室內(nèi)、室外高精度的三維點云數(shù)據(jù)，基于所獲取的連續(xù)點云制作高精度三維模型。而移動測量系統(tǒng)一般在地面或者車載運行，對于室內(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。

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(shù)據(jù)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(nèi)部及存在遮擋的地物，則可利用三維移動掃描技術(shù)進行數(shù)據(jù)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(nèi)空間，則基于三維移動掃描技術(shù)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(nèi)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(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的移動測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(huán)境中從一個未知位置開始移動，在移動過程中根據(jù)位置估計和地圖進行自身定位，同時在自身定位的基礎(chǔ)上建造增量式地圖，實現(xiàn)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(xiàn)真正全自主移動機器人的關(guān)鍵。

多年來，該技術(shù)一直應用于機器人自主定位領(lǐng)域。近年來，國際國內(nèi)多家研究機構(gòu)、企業(yè)投入研發(fā)力量，將SLAM技術(shù)引進到三維測圖領(lǐng)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(nèi)移動測量、地下空間三維建模等領(lǐng)域取得了突破性的進展。

基于SLAM的三維移動掃描系統(tǒng)無須GPS等輔助技術(shù)便可實現(xiàn)室內(nèi)三維掃描?；趯崟r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)與移動測量技術(shù)的優(yōu)勢，形成一項全新的三維移動測量技術(shù)。該技術(shù)實現(xiàn)在沒有GPS和復雜慣性導航系統(tǒng)的環(huán)境下，僅依靠技術(shù)設備自身配置的簡單慣性測量裝置，實現(xiàn)室內(nèi)三維數(shù)據(jù)的快速、便捷、低成本的采集。

基于SLAM的三維移動掃描技術(shù)在獲取掃描空間的三維激光點云后，建模技術(shù)人員可根據(jù)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(huán)節(jié)中可實現(xiàn)節(jié)點化。

1.2 傾斜攝影測量

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(xiàn)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(jīng)廣泛應用于應急指揮、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)應用研究

對于實現(xiàn)了單體化的三維模型而言，可基于單體化的三維模型進行對象化的管理。單體化三維模型將視野范圍內(nèi)的所有關(guān)注的對象進行分層存儲，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、設計、規(guī)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?？梢允褂萌S數(shù)據(jù)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(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)進行應用和管理。比如基于三維空間數(shù)據(jù)，進行建筑物周邊的道路、井蓋、路燈、市政環(huán)境、園林綠化、公共設施等部件普查，并且在三維空間中進行標識，可對重點關(guān)注的部件進行建模表示，形成部件普查三維數(shù)據(jù)庫。

針對建筑物內(nèi)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(nèi)安全通道、消防設施、照明等規(guī)劃和管理。并且可實現(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等不同管理模型進行三維管理，數(shù)據(jù)格式可在不同的管理平臺中進行便捷的轉(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?？舍槍R總統(tǒng)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(tǒng)或者管理數(shù)據(jù)庫中，創(chuàng)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(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，并且對空間占用情況進行優(yōu)化和布局，對業(yè)務流程和工作場所進行三維可視化管理。

3 結(jié)語

本文結(jié)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(shù)，將二者進行組合應用。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)。并探索大場景三維模型和單體化三維模型的應用環(huán)境和應用方式。技術(shù)流程和應用領(lǐng)域?qū)⑹且粋€極大的拓展，技術(shù)創(chuàng)新性良好。并且結(jié)合國內(nèi)外的試驗情況，技術(shù)可操作性強，作者也將根據(jù)實際工作情況進行進一步的探討和研究。

參考文獻

[1] 彭文俊.基于無人機傾斜攝影測量技術(shù)的三維建模[J].工程技術(shù)：全文版，2017，1（6）：33-36.

[2] 華泰天宇公司.SLAM技術(shù)在城市地下綜合管廊信息化建設中的應用[eb/ol].智慧市政網(wǎng)，2016-10-22.

[3] 汪彬.基于傾斜攝影的三維城市建模[J].地球，2015（1）： 55-59.