基于航空倾斜摄影的一体化建模技术探讨

庞清艳

摘 要：倾斜摄影测量以其独特的视角，获取了更加丰富的地物信息，使得基于倾斜影像的三维实景建模成为可能。本文阐述基于SLAM和倾斜摄影测量的室内外一体化三维实景建模的技术方法和流程，并结合这种新型技术手段制作的三维模型的潜在应用价值进行分析，总结出一套新的三维模型制作、技术应用解决方案。

关键词：倾斜摄影 SLAM 三维实景建模 模型对象化

中图分类号：P236 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）12（a）-00-02

倾斜摄影测量技术自2010年引进到国内后，近几年经历了快速的发展，为了降低倾斜影像的获取成本和周期，同时拓展倾斜摄影的应用领域，国内在引进和开发基于有人机的倾斜航摄仪的同时，同步开展了适宜在无人机、动力三角翼、直升机上进行搭载的轻量化、微型化倾斜航摄仪的研发工作。倾斜摄影测量已经在技术装备、建模软件、技术方法、技术流程等诸多方面取得显著的突破。倾斜摄影测量以其独特的数据获取视角，采集了比传统垂直摄影更加丰富的地物信息。但受到倾斜摄影传感器拍摄角度的影响，贴近地面、屋檐下沿、异性结构以及存在遮挡的地物，无法获得高精度的纹理数据，制作的三维模型与实际情况差异较大，精细程度难以满足三维空间管理的需求。

近年来，随着移动测量技术的不断发展，基于SLAM的三维移动测量技术以其高精度、无依托的技术特点，能方便快捷的获取室内、室外高精度的三维点云数据，基于所获取的连续点云制作高精度三维模型。而移动测量系统一般在地面或者车载运行，对于室内或者贴近地面区域的构筑物，可制作高精度的三维模型。而建筑物高层、顶部及建筑群整体的地形地貌却难以表达。

在实际的应用和管理需求中，往往会有一些特定的管理对象需要高精度的空间数据作为支撑。而针对特定的对象进行管理时，要求该对象独立于三维空间中，即管理对象单体化、分层化。而采用倾斜摄影的方式制作的三维模型只能表达建筑物外立面、大场景的三维效果，对于建筑物底部、内部及存在遮挡的地物，则可利用三维移动扫描技术进行数据采集和模型制作。对于建筑物整体或者大场景的表达，则直接使用倾斜摄影三维模型；而针对需要进行对象化、单体化的管理对象和室内空间，则基于三维移动扫描技术制作单体化的三维模型。

对于大场景的三维模型制作，我们可采用五拼镜头的倾斜摄影相机获取高分辨率倾斜影像，并制作大场景范围内的三维模型。五拼相机中自带有一个垂直的相机，可获取测区范围内高精度的垂直摄影影像，为后续制作地形地貌数据提供基础。倾斜摄影的影像数据可为后续点云建模数据提供墙面、屋顶纹理贴图。

本文将结合基于SLAM的移动测量与倾斜摄影两种技术手段，探索一种新型的室内外一体化三维建模解决方案，并基于这种新方法制作的三维模型进行应用分析。

1 基于SLAM算法和倾斜摄影测量三维建模

1.1 SLAM算法

SLAM（Simultaneous Localization and Mapping）的基本工作原理是：机器人在未知环境中从一个未知位置开始移动，在移动过程中根据位置估计和地图进行自身定位，同时在自身定位的基础上建造增量式地图，实现机器人的自主定位和导航。由于其重要的理论与应用价值，被很多学者认为是实现真正全自主移动机器人的关键。

多年来，该技术一直应用于机器人自主定位领域。近年来，国际国内多家研究机构、企业投入研发力量，将SLAM技术引进到三维测图领域，并且将核心算法进行改进、包装，制作成可移动测量的激光扫描设备，在室内移动测量、地下空间三维建模等领域取得了突破性的进展。

基于SLAM的三维移动扫描系统无须GPS等辅助技术便可实现室内三维扫描。基于實时定位与制图（SLAM）的室内空间三维数据采集技术将结合激光扫描技术与移动测量技术的优势，形成一项全新的三维移动测量技术。该技术实现在没有GPS和复杂惯性导航系统的环境下，仅依靠技术设备自身配置的简单惯性测量装置，实现室内三维数据的快速、便捷、低成本的采集。

基于SLAM的三维移动扫描技术在获取扫描空间的三维激光点云后，建模技术人员可根据高精度的三维点云进行单体化三维模型制作。而在实际的应用和管理中，单体化的三维模型才能作为独立的对象进行管理，可单独赋予属性，并且在管理环节中可实现节点化。

1.2 倾斜摄影测量

倾斜摄影技术是国际地理信息领域近年发展起来的一项高新技术。它克服了传统航摄技术只能从单一角度拍摄的局限性，通过对地物进行多角度拍摄，可获取同一地物的多幅倾斜影像。

倾斜影像的出现将用户引入了一个更加符合人眼视觉的直观世界。相对于正射影像，倾斜影像能让用户从多个角度观察地物，更加真实的反映地物的实际情况，还能直接基于影像进行各种量测，如高度、长度、面积、及实际坐标等。因此，倾斜影像极大的弥补了基于正射影像的应用的不足，为用户提供了更丰富的地理信息，更友好体验，成本更低廉，目前已经广泛应用于应急指挥、国土安全、城市管理等行业。

2 基于室内外一体化三维模型技术应用研究

对于实现了单体化的三维模型而言，可基于单体化的三维模型进行对象化的管理。单体化三维模型将视野范围内的所有关注的对象进行分层存储，为城镇、工业园区规划辅助和决策提供基础数据。通过多项技术的组合，可以颠覆城镇、工业园区三维空间管理行业传统的模型展示、设计、规划等方式。

一方面，可基于倾斜摄影测量制作的大场景三维模型进行实景展示。可以使用三维数据处理软件直接读取大场景或者某一个独栋建筑物的三维模型，并进行漫游、浏览和查询检索等。亦可基于三维模型数据，录制三维漫游视频，制作成城镇或者工业园区宣传、展示视频。让观看者以独特的视野来了解发展现状和未来的规划，如图1所示。

另一方面，可基于单体化的三维模型，进行建筑物及周边的重要部件信息调查，并基于三维空间数据进行应用和管理。比如基于三维空间数据，进行建筑物周边的道路、井盖、路灯、市政环境、园林绿化、公共设施等部件普查，并且在三维空间中进行标识，可对重点关注的部件进行建模表示，形成部件普查三维数据库。

针对建筑物内部的三维空间管理和应用，可基于单体化的三维模型进行室内安全通道、消防设施、照明等规划和管理。并且可实现从高空漫游，到低空巡查，再到地面行走，并将视角转换到室内环境，进行空地一体化、室内室外一体化的三维漫游和管理，如图2所示。

基于三维空间数据，采用CAD/BIM/GIS等不同管理模型进行三维管理，数据格式可在不同的管理平台中进行便捷的转换。

基于三维空间数据，可建立建筑物、建筑物周边及建筑物内部精确的空间清册。可针对汇总统计的建筑物面积、空间分布及实际管理需求，在后台的管理系统或者管理数据库中，创建空间分配与管理标准，按照管理的对象进行空间单元划分，基于三维空间数据分析各部门空间占用情况，生成不同类别的空间使用明细，并且对空间占用情况进行优化和布局，对业务流程和工作场所进行三维可视化管理。

3 结语

本文结合倾斜摄影测量三维建模和基于SLAM三维移动扫描建模这两种比较成熟的三维建模技术，将二者进行组合应用。按照新的技术流程、技术方法，制作多元化的三维模型数据。并探索大场景三维模型和单体化三维模型的应用环境和应用方式。技术流程和应用领域将是一个极大的拓展，技术创新性良好。并且结合国内外的试验情况，技术可操作性强，作者也将根据实际工作情况进行进一步的探讨和研究。

参考文献

[1] 彭文俊.基于无人机倾斜摄影测量技术的三维建模[J].工程技术：全文版，2017，1（6）：33-36.

[2] 华泰天宇公司.SLAM技术在城市地下综合管廊信息化建设中的应用[eb/ol].智慧市政网，2016-10-22.

[3] 汪彬.基于倾斜摄影的三维城市建模[J].地球，2015（1）： 55-59.