基于SLAM和倾斜摄影测量的工业园区室内外一体化三维实景建模与技术应用研究
2018-04-24张小宏赵生良陈丰田
张小宏 赵生良 陈丰田
1. 青海省地矿测绘院，青海西宁 810012； 2. 青海省高原测绘地理信息新技术重点实验室，青海西宁 810012
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，同时也能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。目前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。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、异性结构以及建筑物内部，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，并且难以实现室内外的单体建模。
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 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。
图1 正射影像倾斜影像
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。
1.2 基于SLAM算法的室内移动测量
SLAM（Simultaneous Localization and Mapping），也称为CML（Concurrent Mapping and Localization），即时定位与地图构建，或并发建图与定位。SLAM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。
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，制作成可移动测量的激光扫描设备，它能在室内、地下等空间内获取点云实现三维建模取得了突破性的进展。
基于实时定位与制图（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的的环境下，仅依靠技术设备自身的SLAM算法，实现室内三维激光点云数据的采集，为后续的三维建模供了基础数据。
图2 三维激光点云数据
在获取室内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室内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。
图3 青海海西州某化工厂倾斜摄影大场景三维模型
2 室内外一体化三维建模
首先，使用工业园区范围内的大场景倾斜影像数据，基于SMART 3D三维建模软件进行倾斜摄影三维建模。
针对需要进行特殊管理的建筑物，制作更加精细的单体化三维模型。采用倾斜相机垂直镜头获取的影像数据制作目标管理区域数字高程模型DEM及重点建筑物二维平面图（即地籍图的一部分），利用二维平面图与地形数据快速制作建筑物三维模型，并且基于倾斜影像进行侧面纹理和屋顶纹理贴图，达到制作单体化三维建筑模型的目的。
而对于建筑物内部进行管理的精细化管理建筑，则采用三维激光点云数据，使用3D MAX软件进行室内三维模型制作。
3 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，为工业园区规划辅助和决策提供基础数据。
基于单体化的三维模型，可进行建筑物及周边的重要部件信息调查，并对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浏览和管理。
而针对工业园区室内或者室外的重点设施设备，在三维模型制作过程中，已经实现单体化的模型制作。基于单体化的设施设备三维模型，可将设施设备的运维流程集成到三维模型中。园区设施设备资产是工业园区资产的主要构成项目，是进行生产经营活动的主要劳动资料。确保这些设施设备资产信息的完整，不断提高设备利用率和完好率，充分发挥设施设备资产的效能，监督并促进资产的妥善运维和合理使用，是设施设施资产管理工作的根本任务。
通过单体化的三维模型再现工业园区重要设施设备、管线网络，为可视化设施、管线提供数据基础。在管理系统中可以管理设计阶段相关工程图纸，如暖通，给排水和电力照明等设备信息。实现在设施运维管理阶段实时查询设计，施工阶段的工程图纸。方便运维人员定位查找相关设备。
4 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。
