馬力鶴,朱彥博,山 嵐,陳美云

(1.甘肅交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,甘肅 蘭州 730070;2.中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司,陜西 西安 710065)

隨著測繪科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，傾斜攝影測量技術(shù)[1-5]也得到快速發(fā)展。目前，基于傾斜攝影測量技術(shù)的室外三維實景建模應(yīng)用[6-8]較為廣泛，室內(nèi)三維實景建模應(yīng)用和室內(nèi)外聯(lián)合三維實景建模應(yīng)用較少。但基于三維激光掃描技術(shù)[9-11]進行室內(nèi)三維建模和室內(nèi)外聯(lián)合三維建模技術(shù)應(yīng)用較為廣泛。本文基于傾斜攝影測量技術(shù)進行室內(nèi)外聯(lián)合三維實景建模方法的研究。

1 研究概況

1.1 研究對象簡介

本文研究對象是一座機電工廠，該機電工廠室外場景內(nèi)地物較為復(fù)雜，多為構(gòu)造復(fù)雜的電力設(shè)備和建筑物。室內(nèi)場景內(nèi)空間較為空曠，多為中小型機械設(shè)備。通往室內(nèi)外的大門較為寬敞，適合實驗研究。

1.2 研究技術(shù)流程

基于傾斜攝影測量的室內(nèi)外三維實景模型重建主要分為室內(nèi)三維實景模型重建和室外三維實景模型重建，并對其建模結(jié)果進行精度評定。具體的技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 基于傾斜攝影測量的三維實景模型重建技術(shù)流程圖

2 室內(nèi)外數(shù)據(jù)采集

2.1 室內(nèi)外影像采集

室內(nèi)外影像采集使用不同的拍攝方法，其中室內(nèi)影像采用地面拍攝，室外影像采用空中拍攝的方法。

2.1.1 室內(nèi)影像采集

室內(nèi)影像采集使用的是佳能Canon EOS 6D MarkⅡ數(shù)碼相機，有效像素為2 620萬，傳感器尺寸為35.9 mm×24 mm，畫幅為全畫幅，如圖2所示。

圖2 室內(nèi)影像采集設(shè)備

室內(nèi)影像采集是通過室內(nèi)傾斜環(huán)繞拍攝的方法，分為4個傾斜環(huán)繞方向和一個垂直環(huán)繞方向拍攝，其中連接室內(nèi)墻面的墻角進行近距離加密拍攝，以便于進行室內(nèi)三維實景建模的重建。拍攝影像尺寸為6 240×4 160像素，共拍攝653張，其中刪除4張由于模糊、過度曝光等原因拍攝的影像，參與室內(nèi)實驗研究的影像共649張。

2.1.2 室外影像采集

室外影像采集使用的是大疆精靈DJI Phantom 4 Pro 無人機,有效像素為2 000萬,傳感器尺寸為13.2 mm×8.8 mm,衛(wèi)星定位模塊為GPS/GLONASS雙模，如圖3所示。

圖3 室外影像采集設(shè)備

室外影像采集是通過室外傾斜拍攝的方法，分為4個傾斜方向和一個垂直方向拍攝，其中連接室內(nèi)外的位置進行近距離加密拍攝，以便于進行室內(nèi)外三維實景建模的重建。拍攝影像尺寸為4 096×2 160像素，共拍攝537張，其中，刪除7張由于起飛冗余拍攝、過度曝光等原因拍攝的影像，參與室內(nèi)實驗研究的影像共530張。

2.2 室內(nèi)外像控點采集

室內(nèi)外像控點采集使用不同的測量方法，其中室內(nèi)像控點采集使用的是傳統(tǒng)的測量方法，室外像控點采集使用的是目前常用的GNSS RTK測量方法。

2.2.1 室內(nèi)像控點采集

室內(nèi)像控點采集使用的是拓普康Topcon -MS05A全站儀,測角精度為±0.5″，免棱鏡測距范圍為0.3～40 m ，免棱鏡測距精度(ISO17123-4：2001)為(1.0+1ppm×D)mm。

室內(nèi)像控點采集時，將室外的控制點通過全站儀引測到室內(nèi)進行像控點測量，采集的像控點選擇在室內(nèi)有明顯特征、有利于連接室內(nèi)外構(gòu)建模型的點位上，共架設(shè)2測站，采集像控點24個。

2.2.2 室外像控點采集

室外像控點采集使用的是中海達HI·TARGET V30 GNSS RTK系統(tǒng)，RTK平面定位精度為(10+1ppm×D)mm，高程定位精度為(20+1ppm×D)mm。

室外像控點采集時，將GNSS RTK系統(tǒng)上的坐標(biāo)系通過七參數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換到與室外控制點的坐標(biāo)系一致。采集的像控點選擇在室外高差變化較大、有利于連接室內(nèi)外構(gòu)建模型的點位上，共采集16個像控點，其中，10個為平面控制點，6個為高程控制點。

3 室內(nèi)外三維實景模型重建

3.1 空中三角測量計算

空中三角測量計算是室內(nèi)外三維實景模型重建的核心工作，主要分為四個部分：影像導(dǎo)入、像控點導(dǎo)入、標(biāo)記像控點和計算。

3.1.1 影像導(dǎo)入

首先篩選數(shù)碼相機拍攝的室內(nèi)影像和無人機拍攝的室外影像，將冗余、模糊和曝光過度的影像進行刪除，以避免空中三角測量計算錯誤或失敗。然后新建一工程，將室內(nèi)影像和室外影像分別導(dǎo)入Smartd 3D軟件中。

3.1.2 像控點導(dǎo)入

像控點導(dǎo)入之前，需要將全站儀測量的室內(nèi)像控點和GNSS RTK系統(tǒng)測量的室外像控點進行格式轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成Smart 3D軟件可識別的統(tǒng)一格式(點名XYZ),其中像控點坐標(biāo)的分隔符只能識別用空格代替的分隔符。

3.1.3 標(biāo)記像控點

室內(nèi)外像控點標(biāo)記工作要分別進行。首先選中室外像控點坐標(biāo)，在無人機拍攝的室外影像上進行標(biāo)記像控點。然后選中室內(nèi)像控點坐標(biāo)，再在數(shù)碼相機拍攝的室內(nèi)影像上進行標(biāo)記像控點。其中，每個像控點要標(biāo)記在5張影像上，以便于將無人機拍攝的5個方向的影像和數(shù)碼相機拍攝的5個方向的影像有效地連接在一起。像控點標(biāo)記完成后軟件自動檢查像控點標(biāo)記工作的殘差，以便于進行標(biāo)記工作的精度檢查。

3.1.4 計算

空中三角測量計算實際上也是平差的過程。首先新建一區(qū)塊，然后選擇空中三角測量計算的定位模式，定位模式為具有地理參考坐標(biāo)系，選擇該定位模式是為了利用控制點對塊進行精確方位調(diào)整。

在空中三角測量運算過程中，軟件會顯示空三丟失照片的數(shù)量。如果丟失照片過多，可以取消此次空三運算，刪除這個空三區(qū)塊，選擇不同的設(shè)置重新執(zhí)行空中三角測量。如果輸入照片的重疊率不夠或者某些設(shè)置不正確(比如像方坐標(biāo)系等)，那么空中三角測量操作有可能失敗。

3.2 室內(nèi)外三維實景模型重建

室內(nèi)外三維實景模型的重建效果如圖4、圖5、圖6所示。由此可見，數(shù)碼相機拍攝的室內(nèi)影像聯(lián)合無人機拍攝的室外影像進行三維實景模型重建效果較為理想。

圖4 室內(nèi)局部三維實景模型

圖5 室外局部三維實景模型

圖6 室內(nèi)外局部三維實景模型

室內(nèi)三維實景模型整體較為完整，但是由于拍攝的角度和影像重疊度較小的影響，致使局部細節(jié)模型存在著缺陷(變形、拉花等問題)，影響建模的效果和建模的精度。

室外三維實景模型整體較為完整，但是由于室外的局部電力設(shè)備構(gòu)造較為復(fù)雜，對重建的室外三維模型的視覺效果和建模精度影響較大。致使放大后室外電力設(shè)備三維實景模型顯得較為粗糙。

連接室內(nèi)外三維實景模型的部位較為完整，除了存在由于使用不同的相機傳感器原因造成的色差外，其它的連接部位將室內(nèi)和室外模型融合的較為完整。

4 室內(nèi)外三維實景模型精度評定

室內(nèi)外三維實景模型精度評定的檢查點、線主要選擇在室內(nèi)和室外具有明顯特征的位置上。另外，根據(jù)室內(nèi)外三維實景模型的區(qū)域大小，選擇平面和高程檢查點共40個，選擇檢查線20條。

評定方法主要是對三維實景模型上測量點的坐標(biāo)和測量線的尺寸與實物全站儀、GNSS RTK系統(tǒng)測量的點坐標(biāo)和線尺寸進行對比，對比的平面、高程和邊長的誤差分布統(tǒng)計分別如表1、表2和表3所示。其中三維實景模型和實物測量的點、線數(shù)值均為三次測量的平均值。

表1 平面檢查點誤差分布統(tǒng)計

表2 高程檢查點誤差分布統(tǒng)計

表3 邊長檢查線誤差分布統(tǒng)計

通過對表1 、表2和表3的數(shù)據(jù)分析得出平面檢查點中誤差為0.03，高程檢查點中誤差為0.05，邊長檢查中誤差為0.04。在對室內(nèi)和室外的點、線進行檢查時發(fā)現(xiàn)，室外的檢查點、線的差值明顯大于室內(nèi)檢查點、線的差值。由此可見，室外三維實景模型的精度相對于室內(nèi)三維實景模型的精度較差。

5 結(jié) 論

綜合上述分析得到：

基于傾斜攝影測量重建的室內(nèi)外三維實景模型完整性較好，建模精度較高，滿足相關(guān)領(lǐng)域的三維建模精度要求。

針對室內(nèi)場景和室外場景選擇合理的儀器和方法在實驗中起著重要作用。實驗中還存在以下幾個問題：

(1)是否可采用三維激光掃描技術(shù)將室內(nèi)外構(gòu)造復(fù)雜局部較為精確地重建。

(2)如何將室內(nèi)外連接部分的色差消除，更好地融為一體。