基于VirtuoZo的近景普通数码影像的三维建模

韩东亮，黄润秋，王凤艳

(1.吉林大学地球探测科学与技术学院，吉林 长春 130026；2.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059)

基于VirtuoZo的近景普通数码影像的三维建模

韩东亮1，黄润秋2，王凤艳1

(1.吉林大学地球探测科学与技术学院，吉林 长春 130026；2.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059)

针对近景普通数码影像，应用数字近景摄影测量方法，基于VirtuoZo数字摄影测量工作站，结合长春市杨家沟采石场，进行了高大岩体边坡三维模型的建立；通过对野外测量控制点坐标与三维模型解译量测的控制点坐标的比较分析，进一步评定了模型的点位测量精度，验证了基于VirtuoZo的近景普通数码影像三维建模的可靠性。

三维建模；数字近景摄影测量；VirtuoZo；精度

一、引 言

近年来，随着计算机技术与电子信息科技的发展，以及数字图像处理、模式识别和计算机视觉等学科的迅猛发展，数字近景摄影测量以其遥测、全面、可靠、快速、低强度、高精度等优点而广泛地应用于国民生产和经济建设的各个领域，如文物测绘[1]、隧道断面研究[2]、矿山地表塌陷区监测[3]、地质产状测定[4]等。VirtuoZo作为数字摄影测量的产品，促使摄影测量生产方式完全改变并实现跨越式发展。数字摄影测量工作站VirtuoZo是适普软件有限公司与武汉大学遥感学院共同研制的全数字摄影测量系统，它是一个全软件化设计、功能齐全、高度智能化的全数字摄影测量系统。此系统利用数字影像或数字化影像完成摄影测量作业，由计算机视觉代替人眼的立体量测与识别，可进行影像匹配、核线采样、生成数字高程模型、制作正射影像、生成等高线、图廓整饰等工作。针对普通数码影像的近景摄影测量，VirtuoZo提供的近景摄影测量模块V-ClosePhoto，通过少量野外控制点，迅速、准确地建立野外实体的三维模型，为野外数据的采集提供了有效途径。

本文以长春市净月潭杨家沟废弃采石场为研究对象，遵循控制测量—数码摄影—模型建立—信息解译的过程思路，结合VirtuoZo的近景模块与交互式图形系统(interactive graphics system，IGS)量测模块对高大岩体边坡影像进行三维建模与信息解译，通过量测模型控制点的三维坐标，与野外实测对比，应用测量误差理论，评定了模型的点位测量精度，验证了基于VirtuoZo的近景普通数码影像三维建模的可靠性。

二、基于VirtuoZo的近景普通数码影像三维建模流程

与航空影像相比，使用非量测相机拍摄的近景影像，经吉林大学自编相机标定及影像校正软件处理后参与模型建立，因此不需要建立相机检校参数文件，只在设置测区时将影像类型选为非量测相机影像。建模流程如图1所示，同时，在近景普通数码影像处理时应注意以下几点：

1)引入影像文件后转换影像格式，未知影像像素大小的情况下可填－1，由软件自动识别影像分辨率。

2)无须内定向。

3)为达到较好的匹配结果，应采取半自动的方式进行相对定向、绝对定向。

4)模型的绝对定向至少需要6个控制点才能完成，最好布设8个及以上[5]的绝对定向控制点。

5)模型建立后应在立体显示窗口下查看模型，如与野外实际存在差别应返回相对定向界面对精度较差的定向点进行调整。

6)IGS数字化测图模块下装载已建立的三维模型，对野外采集的所有控制点进行量测，未参与建模的控制点作为检查点，对模型精度进行评定。

图1 VirtuoZo针对普通数码影像近景摄影测量数据处理流程

三、应用实例

长春市杨家沟采石场位于E125°28′33″、N43°48′39″，边坡上部覆盖第四纪土壤，岩性多为砂岩和凝灰岩。采石使边坡岩体大量出露，岩体节理裂隙发育，岩石被节理切割成块状，地表水沿裂隙下渗，具有潜在的滑坡、泥石流等地质灾害隐患，需要进行边坡工程地质条件调查，获取大量岩体结构面信息，以评价边坡的稳定性。下面论述采用数字近景摄影测量，基于VirtuoZo建立边坡三维模型获取边坡信息。

1.准备工作

(1)控制测量及控制点文件的建立

以杨家沟采石场东坡为例，应用免棱镜全站仪完成野外控制测量工作。控制点整体上遵循环绕目标、适当加密的原则均匀布设；岩体表面局部点位遵循清晰易辨、易于瞄准的原则选取。取两次测量的平均值作为控制测量最终结果(见表1)，经计算，控制测量点位中误差为4.8 mm。将测得的控制点个数、点号、坐标分别录入记事本文件中，并将TXT后缀改为软件识别的CTL格式，完成控制点文件的建立(如图2所示)。

表1 控制点坐标全站仪测量与立体模型解译成果对照表m

(2)边坡影像获取及校正

使用Canon 50D单反数码相机拍摄边坡影像，采用近似正直摄影方式，保证影像的重叠度大于80%且至少包含6个及以上控制点，环绕采石场东、北、西3坡共拍摄7组像对。采用吉林大学自编软件对相机进行了标定，标定参数见表2，并进行影像校正，东坡E-1校正后，左、右影像如图3所示。

图2 东坡E-1控制点文件

表2 Canon 50D单反数码相机标定参数结果

图3 东坡E-1像对畸变校正后左、右影像

2.岩体边坡三维模型建立

按照图1所示流程，结合建立的控制点文件及校正后的边坡影像，建立采石场东坡的三维模型，定向结果及精度分别如图4、图5所示。在IGS数字化测图模块下对控制点进行解译量测，并与野外实测控制点坐标对比，结果见表1。

图4 东坡E-1像对定向示意图

图5 东坡E-1像对相对定向、绝对定向精度结果

3.三维模型精度评定

在东坡E-1像对建立的三维模型中，免棱镜全站仪测量了17个控制点，根据控制点的精度及分布特征选取10个控制点作为三维模型建立的绝对定向点(见表1黑体点号)，其余控制点作为检查点，分别与模型解译的控制点坐标进行对比(见表1)。同理，根据免棱镜全站仪的控制测量成果(共130个控制点)，对拍摄的7组像对分别选取绝对定向点(77个)与检查点(53个)，并利用VirtuoZo数字摄影测量工作站建立边坡三维模型，测取控制点的三维坐标，与野外测得的控制点进行对比分析，误差分布的柱状图及高斯函数曲线拟合如图6所示，数学期望E(X)＝0.002，方差D(X)＝0.000 122，误差呈正态分布，符合偶然误差特性，可运用测量误差基本理论评定三维模型的精度。衡量精度的基本指标[6]是被测点的坐标中误差(mX，mY，mZ)及点位中误差mP。

图6 误差分布柱状图及曲线拟合

由式(1)对三维模型进行精度评定

式中，n为检验点个数；ΔXi、ΔYi、ΔZi分别为检验点摄影测量坐标与实测坐标的差值，见表3。

表3 基于控制点的模型精度评定m

通过免棱镜全站仪与三维模型解译的控制点坐标对比分析，此三维模型在各个方向及点位的精度均在2.5 cm以内，满足依据三维模型进一步解译岩体边坡结构面几何信息(迹线、产状)的要求[7]。

四、结束语

本文以高大陡立边坡为例，针对近景普通数码影像，基于VirtuoZo数字摄影测量工作站，建立了边坡岩体的三维模型，并评定了模型的精度。研究表明：采用免棱镜全站仪进行边坡控制测量，点位精度在5 mm内；用Canon 50D单反数码相机(有效像素1510万)拍摄的数码影像，经校正处理后建立的岩体三维模型，点位精度在2.5 cm以内，能够满足进一步岩体结构面信息解译的需要，由此可见基于VirtuoZo的近景普通数码影像三维建模的可靠性，对今后的工程应用具有重要意义。随着计算机视觉的不断发展，以及数码相机分辨率的日益提高，数字近景摄影测量技术的三维建模将向着速度更快、精度更高、信息量更丰富、成本更低廉的方向不断发展，数字近景摄影测量学也将具有更为广阔的发展空间和应用前景。

[1] 陈建华，潘庆林.灵山大佛数字近景摄影测量[J].工程勘探，1998(5)：17-20.

[2] 田爱军.隧道断面数字近景摄影测量系统研究开发[D].北京：北京交通大学，2007.

[3] 盛业华，赵晓虎，宋金玲.矿山地表塌陷区的数字地面摄影测量监测技术[C]∥第六届全国矿山测量学术讨论会论文集.[S.l.]：中国测绘学会矿山测量专业委员会，2007.

[4] 王树根，朱宜萱.用近景摄影测量测定地质产状的作业方法[J].测绘通报，1993(5)：17-20，29.

[5] 王凤艳.数字近景摄影测量快速获取岩体裂隙信息的工程应用[D].长春：吉林大学，2006.

[6] 冯文灏.近景摄影测量[M].武汉：武汉大学出版社，2002.

[7] 王凤艳，陈剑平，付学慧，等.基于VirtuoZo的岩体结构面几何信息获取研究[J].岩石力学与工程学报，2008，27(1)：169-171.

[8] 张祖勋，张剑清.数字摄影测量学[M].武汉：武汉大学出版社，1997.

2014高校GIS论坛在武汉举行

[本刊讯]11月8日，2014高校GIS论坛在武汉隆重举行，来自全国30多所高校的1000多名专家学者与青年学子参加了此次论坛。

8日上午的主论坛上，吴信才教授作了题为《众智共享梦云腾空——地理信息创新发展的思考》的主题报告；孙志鸿教授、周启鸣教授、李满春教授、谢忠教授分别就台湾GIS教育与智慧城市的发展、海外高等院校本科GIS教育与课程设置现状、寓教于研的GIS人才培养、地理信息创新服务关键技术应用模式及实践作了相关报告。本届论坛也有互联网企业加盟，百度、嘀嘀打车所带来的互联网思维也启发了与会者对地理信息产业发展模式的思索与探讨。此外，吴立新教授主持了题为《移动网络时代GIS服务创新与发展》的圆桌论坛，各位嘉宾对GIS如何探索服务创新与发展展开激烈讨论，把现场气氛推向高潮。

论坛期间举行的各种奖项评选结果也在现场揭晓，9人获得“高校GIS创新人物奖”，10人分享“高校GIS新锐奖”，10人摘取“高校GIS新秀奖”，10篇论文入选“优秀论文”，10所实验室折取“MapGIS优秀实验室”桂冠。

(本刊编辑部)

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

国家自然科学基金(41072196)；成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室开放基金(SKLGP2013K018)；中国博士后科学基金(20090451125)

韩东亮(1988—)，男，回族，吉林长春人，硕士，主要研究方向为工程测量、近景摄影测量等。

王凤艳

韩东亮，黄润秋，王凤艳.基于VirtuoZo的近景普通数码影像的三维建模[J].测绘通报，2014(11)：21-24.

10.13474/j.cnki.11-2246.2014.0354