1、总第 134 期倾斜摄影测量技术在室内三维模型构建中的应用及精度分析胡贵平（江西省地质工程（集团）公司 江西南昌 330001）摘要：为构建低成本、高精度室内实景三维模型，提出基于倾斜摄影测量原理，采用普通数码相机获取待测室内多视角影像，结合免棱镜获取测区像控点，使用专业三维建模软件构建室内实景三维模型。实验结果表明，采用倾斜摄影测量技术构建室内三维模型是高效可行的。通过模型构建与纠偏，可精确地真实还原测区实景特征，采用对检测点位及特征线精度分析，模型精度满足相关测量规范要求。关键词：倾斜摄影测量；传统测量；三维模型；精度分析Application and Accuracy Analysis
2、of Tilt PhotogrammetryTechnology in Indoor 3D Model ConstructionHU Guiping(Jiangxi Ceo-Engineering(Group)Corporation,Nanchang 330001,China)Abstract:In order to reduce cost and improve accuracy,based on the principle of tilt photogrammetry,an ordinary digitalcamera is used to obtain the indoor multi-
3、angle image.Combined with the prism free image control point of the surveying area,professional 3D modeling software is used to build indoor real scene.The tilt photogrammetry technology is proved efficient andfeasible in building the indoor 3D model.Through model construction and correction,the rea
4、l scene characteristics of thesurveying area can be accurately and truly restored.The model accuracy meets the requirements of relevant surveyingspecifications.Keyword:Tilt Photogrammetry;Traditional Surveying;3D Model;Accuracy Analysis作者简介：胡贵平（1968-），男,研究生,高级工程师,主要从事测绘工程和工程管理工作。E-mail:1引言随着智慧城市的兴起，
5、室内和地下建筑物的空间定位越来越多向三维方向发展，如大型厂房、综合商场以及古建筑室内三维建模等。现阶段，建筑物三维 建 模 主 要 通 过 差 分 DGPS(Different globalpositioning system)和惯性导航系统 IMU(Inertialmeasurement unit)组合进行测量工作，并通过传感器获取扫描数据，使用该方法建模必须接收 GPS 系统信号，在室内和地下工作时具有局限性1。传统的室内三维建模方式多采用 3D-MAX 为主，该方式建模需要大量的人力且模型精度较低，不能满足高精度定位的要求。随着测绘地理信息和计算机技术的不断发展，SLAM（Simulta
6、neous localization and mapping）同步定位、建图技术及三维激光扫描技术逐步应用于室内测量工作，虽然其测量精度较高，但后期建模有大量的补贴纹理工作，用时较长且成本较高2。倾斜摄影测量技术可从多个角度对地物进行测量，能够更加真实地反映测量物体的三维模型和表面纹理，目前多与无人机相结合，进行室外建模工作。本文所研究的是在传统测量技术的基础上，结合倾斜摄影测量技术构建室内实景三维模型。2数据的获取倾斜摄影测量技术在室内三维模型构建中的应用及精度分析172022 年第 4 期江西测绘江西测绘江西测绘江西测绘研究试验对象是某大型厂房中的一个车间。其厂房内无强光照射；长、宽、高为
7、 24.25m18.23m8.21m，放置的设备较多，主要用途为安装大型质检设备进行产品的检验。2.1传统测量像控点布设采用传统的全站仪进行控制点布设，仪器选择托普康 MS1005 型全站仪，该仪器为双光学系统，测角精度为0.5，测距精度为0.5mm，本文采用免棱镜测量方法进行点位布设，测距范围为 0.5100m，其测量精度为(1.0+1 ppmD)mm。厂房进行像控点布设，采用免棱镜方式开展3-4，为测量工作方便，设立厂房内独立坐标系统，其原点坐标设置为（50.0000,50.0000,10.0000），其 X、Y、Z轴方向分别对应厂房长宽高方向。若需要与其他车间测量项目进行匹配，则可采用从
8、室外引入工程坐标系的方式开展。在测量像控点时，需将像控点布设于房间内特征明显的点位上5。像控点坐标采集时，全站仪的整平误差 x 和 y 都为 0.1，采集控制点限差在误差范围内，取 3 次测量的平均值为测量值，本次测量共计采集 19 个控制点。2.2室内倾斜摄影测量采集数据室内倾斜摄影测量采用的相机型号为佳能 EOSM50，像素为 2400 万，传感器尺寸为 2214mm，对焦点数为 9 点，支持防机身抖动，画幅为全画幅。摄影方式采用多角度倾斜摄影，共计采集相片 203 张，其中 2 张出现模糊现象，采用 201 张相片参与室内三维模型重建。从俯视图、侧视图以及前视图三个角度对像片拍摄位置进行
9、描述，如图 1 所示，椭圆中心实点为拍摄位置，外圈椭圆表示位置的误差。图 1 拍摄点位展示图3数据处理与模型构建3.1像控点坐标处理选择 ContextCapture（以下简称“CC”）为本次实景建模软件，该软件可以将简单的照片或者点云数据无缝重建，构建实景三维模型，其精度依赖于照片精度和分辨率6。采用 CC 软件进行空中三角测量时，特别要注意的是：需将点位 X 坐标与 Y 坐标调换，使坐标满足 CC 软件格式要求。3.2倾斜摄影测量数据处理用 CC 软件处理获取的多视角相片，若采用无控制点直接进行空中三角测量工作，相片拼接会出现错位和断层现象。将布设的 19 个控制点添加到三角测量解析过程中
10、，每张照片上至少有 4 个像控点，经 CC 软件处理，201 张照片中共计得到 13652 个连接点，相片连接结果较为完整，分辨率范围为0.023m 至 0.028m。图 2 为像片匹配过程中，由无控制点到添加控制点过程，可以明显看出像片匹配连接的变化。图 2 无控制点到添加像控点匹配结果3.3构建模型空间框架选择是构建实景三维模型的关键步骤，根据车间的大小，选择合适的框架范围7，其长、宽、高分别为 26.50211 m19.3254 m9.5687 m，框架的坐标范围如表 1 所示。表 1 构建三维模型空间框架重建后的模型如图 3 所示，从多个角度对模型进行观测，可以明显地看出自动构建的模型
11、出现明显的形状畸变、表面缺失现象，直接影响模型质量。产生空洞的主要原因是墙面为纯色，自身特征点较少，使用 CC 软件进行空三解算时很难提取墙面的特征点8，更为严重的可能因为两张相片连接点不足，导致相片无法匹配链接。图 3 多视角展示初始模型框架坐标值最小值/m最大值/m32.8552959.357438.359857.6852XYZ5.666715.235418总第 134 期3.4模型修整使用 Dp Modeler V2.3 软件对缺陷模型进行修整，对墙体表面的畸变拉伸处理，磨平凹凸不平处，删除冗余位置9。将修整完成的模型导入 CC 软件中再次进行纹理映射，其结果如图 4 所示。图 4 多视
12、角展示修整后的模型从展示效果可以明显看出，修整后的模型消除了畸变空洞，整体更加精细规整，与实际厂房基本一致。对于上述展示的模型仅能从厂房外观进行展示，不能看到内部场景，因此选择从不同的视角和高度对模型进行剖切，如图 5 所示。厂房内部设施一目了然，可以从多视角对模型进行全方位观测。图 5 多视角观测模型的内部特征4精度分析对建模精度进行分析，采用实测坐标值与对应模型特征点坐标值对比并计算其中误差的方式验证建模精度。在本次研究过程中，在厂房内均匀布设了19 个控制点，在其中选择了 10 个控制点作为检查点，各方向残差如表 2 所示。表 2 检查点 X、Y、Z 的方向残差表对表 2 进行分析可知，
13、新建模型与实测坐标相比，二者各方向差值绝对值均未超过 0.03m，对模型的各方向的差值中误差及平面中误差进行计算计算公式如式 1 所示。m=nms=mx2+my2（1）式 1 中，m 为模型各方向中误差；ms为平面中误差；为各方向残差值。计算结果如表 3 所示。表 3 坐标点精度检测分析表 2 和表 3 数据，通过实测控制点与模型点对比数据可知，X 方向最大残差值为-0.0225m，Y方向最大残差值为-0.0292m，Z 方向最大残差值为0.0290m，计算得出 X 方向中误差为 0.0124m，Y 方向中误差为 0.0179m，平面中误差为 0.0218m，高程中误差为 0.0219m，模型
14、的中误差满足 三维地理信息模型数据产品规范 相关限差要求。采用观测特征线的方法进一步检测模型精度，采用检校过的钢尺对实际厂房进行测量，模型上特征线则采用拉线测量方法，二者均采用 3 次测量取平均值的方法确保测量结果的准确性10，若其中两次测量结果相差 0.001m，则重新测量，直到 3 次测量结果满足要求为止。选取 5 条特征线对比模型与实际厂房差值如表 4 所示。表 4 模型与实际厂房特征线差值表对表 4 分析可知，选取的特征线实测长度与模型长度差值最大值为 0.005m，同样满足 三维地理信息模型数据产品规范 相关限差要求。通过模型精度分析可知，建模精度完全满足规范要求和使用生产要求，以倾
15、斜摄影测量技术为基础，开展室内三维模型构建，不仅模型外表有较好的重构效果，内部物体的精确位置和结构也能清楚地展现，可获得高质量的三维模型成果。5结束语采用基于倾斜摄影测量与传统测量相结合的技术手段构建室内三维空间模型，能真实地还原实测地物，并且其精度满足相关测量规范要求。在本文研究过程中，相机的分辨率及拍摄照片的数量直接影响模型的效果和精度，可通过选择像素更高的相机来进一步优化模型。与其他室内三维建模技术方法相比，倾斜摄影测量方法具有效率高、成本低的优点号Rx/mRy/mRz/m0.0211-0.01700.02900.0112-0.00290.00200.007-0.02410.00360.
16、0021-0.0085-0.0206-0.0171-0.0123-0.0283P1P2P3P4P5-0.0083-0.0283-0.0251P6P7-0.0071-0.00710.0289P10-0.02250.00250.0281P8-0.002-0.02010.0015P9-0.0018-0.02920.0215点类型X方向中误差/mY方向中误差/m控制点0.01240.0179平面中误差/m0.0218高程中误差/m0.0219线号L1L212.2378.69712.2328.695实际特征线长度模型特征线长度差值0.0050.003L310.23010.231-0.001L4L58.6389.3288.6359.3230.0030.005倾斜摄影测量技术在室内三维模型构建中的应用及精度分析192022 年第 4 期江西测绘江西测绘江西测绘江西测绘势，为室内三维模型的构建提供了新的技术手段。参考文献：1谭金石,黄正忠.基于倾斜摄影测量技术的实景三维建模及精度评估J.现代测绘,2015,38(5):21-24.2危双丰,刘振彬,赵江洪,等.SLAM室内三维重建技术综述J.测绘科学,
