近景攝影測量在地下三維重建中的應用

白洪偉, 李　進, 穆　星, 吳滿意

(1. 宿州學院 安徽省煤礦勘探工程技術(shù)研究中心, 安徽 宿州　234000;2. 國家測繪地理信息局第一地形測量隊, 陜西 西安　710054)

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近景攝影測量在地下三維重建中的應用

白洪偉1, 李進1, 穆星1, 吳滿意2

(1. 宿州學院 安徽省煤礦勘探工程技術(shù)研究中心, 安徽 宿州234000;2. 國家測繪地理信息局第一地形測量隊, 陜西 西安710054)

摘要:針對近景攝影測量技術(shù)在一般的地表建筑物測量中運用較多,但在地下建筑物的重建中應用較少的狀況,認為其原因是地下建筑物的拍攝難度相對較大.根據(jù)相關(guān)的攝影測量知識,利用數(shù)碼相機、全站儀相結(jié)合的方法對地下停車場的三維建模進行研究,并取得了階段性成果,為今后近景攝像測量技術(shù)在地下通道三維重建的研究和應用打下良好的基礎(chǔ).

關(guān)鍵詞:近景攝影測量; 三維建模; 應用研究; 地下停車場

近些年來,隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應用、數(shù)字圖像處理技術(shù)的不斷提高、攝影測量內(nèi)外業(yè)新儀器的問世、攝影材質(zhì)的改善,數(shù)字攝影測量的精度和應用領(lǐng)域都有了較大的提高.攝影測量按照研究對象可分為地形攝影測量和非地形攝影測量,數(shù)字近景攝影測量屬于非地形攝影測量,它是攝影測量與遙感學科的一個重要分支,其目的是通過攝影測量的方法,研究目標物體的外形、尺寸以及運動狀態(tài)等.

近景攝影測量也叫做CRP技術(shù),是運用攝影和圖像處理的手段來獲取目標各種形態(tài)的一門技術(shù).根據(jù)攝影距離的大小可以將攝影測量劃分為很多種類,小于100m的叫做近景攝影測量[1-3].現(xiàn)如今,近景攝影測量已經(jīng)廣泛地應用于各種領(lǐng)域,用戶可以根據(jù)不同的需求和實際情況來選擇近景攝影測量系統(tǒng).

在我國,近景攝影測量技術(shù)近些年來發(fā)展迅速.國內(nèi)一些學者進行了一系列重點研究,包括如何將普通的數(shù)碼相機與全站儀相結(jié)合從而建立一個全新的系統(tǒng),以及利用相關(guān)的測量技術(shù)建立監(jiān)測系統(tǒng)[4-6].

1基于數(shù)字近景攝影測量三維模型建立

數(shù)字近景攝影測量三維空間模型的建立,即利用非量測數(shù)碼相機對研究對象進行影像獲取,通過數(shù)碼相機的檢校、影像數(shù)據(jù)預處理、影像同名特征提取及匹配、數(shù)據(jù)編輯、真實紋理粘貼等步驟,建立可量測的三維立體模型的過程.

1.1共線以及共面方程式

將同一條直線上物點和像點的中心投影變換方程,即:

(1)

式中,ai,bi,ci(i=1,2,3)是由三個外方位角元素所生成的3×3正交旋轉(zhuǎn)矩陣R的一個元素,x、y為以像主點為原點的像點坐標,及相應地面點坐標X、Y,像片主距f,外方位線元素Xs、Ys、Zs。

經(jīng)簡化得:

(2)

誤差方程:

(3)

運用空間后方交會，根據(jù)三個已知點的坐標和像點坐標,經(jīng)過一系列的計算可以得出像片的六個外方位元素。同樣，可以運用空間前方交會的方法，根據(jù)內(nèi)、外方位元素計算得出相關(guān)地面點的空間坐標。

共面方程式可以用向量表示為:

(4)

誤差方程式為:

(5)

其中:v是將像點的坐標消除誤差后得到的矩陣;Δ是相對定向過程的待定參數(shù)(Δω,Δφ,Δκ,by,bz)矩陣。

1.2非量測數(shù)碼相機檢校

在影像重建三維立體模型的過程中，數(shù)碼相機檢校是其必不可少的環(huán)節(jié)。通過相機檢?？纱_定三維物方空間坐標系與相機二維圖像坐標系之間的變換關(guān)系，即給出非量測數(shù)碼相機的內(nèi)方位元素及其鏡頭畸變( 徑向、切向) 的模型參數(shù)。

對于相機檢校，攝影測量與計算機視覺進行了廣泛的研究，其中比較有代表性的為平面模板相機檢校法，即利用旋轉(zhuǎn)矩陣的正交條件及非線性最優(yōu)化進行相機的檢校。該方法要求相機在兩個以上不同方位拍攝一個平面模板的圖像，它具有簡單方便、成本低、穩(wěn)定性好的特點[7]。

1.3地下停車場三維模型的建立

1.3.1地下停車場的特點

伴隨著城市交通的發(fā)展,大量的地下停車場應需而建.它們具有以下特點:

(1) 大多數(shù)光線較為昏暗,測量工作需要特殊的照明設(shè)施;

(2) 車輛眾多,來往密集,不利于儀器的架設(shè),觀測條件不容樂觀;

(3) 提高了城市用地利用效率,能夠分擔車輛的擁堵;

(4) 受場地限制,實際的施工作業(yè)面較小,不能動用大型機械.

1.3.2AutoCAD軟件建模

CAD又稱作計算機輔助設(shè)計,最早出現(xiàn)在1960年.CAD軟件在繪圖方面應用廣泛,它能有效地處理三維繪圖過程中所遇到的很多問題.AutoCAD在三維建模中應用廣泛,有以下兩種技術(shù):

(1) 線框與表面描述建模技術(shù).該技術(shù)中,必須先建立一個目標的大概框架,然后在目標體的表面建立立體模型.該項技術(shù)在建模過程中表現(xiàn)直觀,但操作步驟繁瑣.

(2) 實心體造型建模技術(shù).是通過對目標的求合、切割、求交等一系列的解算步驟來構(gòu)建模型.該種建模技術(shù)步驟較為簡捷,但建模過程中涉及的數(shù)據(jù)非常多,對計算機硬件設(shè)施要求較高.

綜上所述,在建模過程中,應該就實際情況選取較為簡單且效率相對較高的技術(shù).AutoCAD軟件具有很強的圖形處理能力,但是它在三維圖形處理方面不能達到足夠的精度要求.這種情況下,可以用Auto LISP對其進行彌補,不但提高了建模的精度,也提高了建模的效率.

1.3.3建模流程及結(jié)果

目前,有許多近景攝影測量系統(tǒng)可根據(jù)不同用途和實際情況供用戶選擇.近景攝影測量系統(tǒng)都包含數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理、成果輸出的軟件和設(shè)備.最簡單的數(shù)據(jù)獲取設(shè)備可以是一臺數(shù)碼照相機,用于獲取物體影像數(shù)據(jù).

在三維建模過程中,結(jié)合攝影測量相關(guān)知識,可以從兩張或多張重疊的像片中找出同名點,并提取其測量數(shù)據(jù),其主要流程見圖1.

圖1　三維建模的主要流程

(1) 特征提取與影像匹配.文章實驗選取樓道拍攝的像片進行特征提取和影像匹配,如圖2所示.

圖2　特征提取過程

(2) 相對控制.在相對定向的過程中,可以確定像片相對位置,從而建立一個與地面相類似的模型.上述過程可以經(jīng)過一系列的計算得出每個模型點坐標,然而必須對已經(jīng)建立的立體模型作三維的旋轉(zhuǎn)、平移和縮放,才可以得知立體模型在空間坐標系中的具體位置以及大小、形態(tài).由于攝影測量坐標系的位置具有不確定性和任意性,所以必須引入相關(guān)控制點,見表1和圖3.

表1　四個已知點的坐標

(3) 建模成果.從實際拍攝的眾多像片中選取5幅影像,并從中獲取一組樓道影像,對其進行一系列的操作,包括特征點的提取、影像匹配、平差及相對控制,此后得到如圖4所示的建模成果.

圖3　相對控制的已知點

圖4　三維立體模型

1.3.4測量精度評定

對已經(jīng)建好的樓道三維模型,輸入控制點的坐標定向后,可以測量計算出其長、寬、高、面積、體積等信息.

為了使實驗結(jié)果達到相應的精度要求,需要對測量的結(jié)果進行精度評定.通過全站儀測定的已知點坐標計算出線段的長度,并將其與三維模型上量取的長度進行比較.全站儀的觀測和特征點的位置提取的精確程度在很大程度上影響三維模型量取的線段精度.測量結(jié)果與實際測量結(jié)果對比如表2所示.

表2　測量結(jié)果與實際結(jié)果對比表

2三維建模實驗分析

(1) 相機的檢校過程決定著整個實驗結(jié)果的精度,所以相機的檢校過程稱為實驗中的一項重點.在平面上拍攝網(wǎng)絡模塊的時候,要保證其所有邊緣角落的頂點都在相機的拍攝范圍內(nèi).

(2) 不同相機的參數(shù)各不相同,即使是同一類型的相機也有差別.在實驗過程中,要保證檢校時的相機和實驗拍攝影像時的相機相同,且為了減小相機所帶來的誤差,提高實驗過程的準確性,實驗過程中不能改變其焦距.

(3) 一般情況下,在特征提取過程中,為了保證接下來影像匹配的精度,每一幅影像上選出的特征點不得少于三個,所選取的特征點應該涵蓋整個測量范圍.

(4) 由于相機拍攝時容易收到外界光感的影響,在拍攝的過程中應調(diào)整好合理的角度,這樣能夠盡量有效地減小建模時的誤差.

(5) 對實驗過程中建立的三維模型,發(fā)現(xiàn)平差前和平差后都不能有效進行紋理映射,通過不斷驗證發(fā)現(xiàn)這種問題具有隨機性,經(jīng)過分析可能存在的原因有以下幾種:①在相機的檢校過程中,由于外界條件的干擾,使得檢校的相機存在較大的誤差,從而導致拍攝的像片存在偏差.②對樓道進行拍攝時,選取的拍攝角度不夠合理,受外界光感因素影響,后續(xù)的建模也產(chǎn)生較大偏差.③特征點提取時過于局限,選取的點的位置不具有代表性.

3結(jié)論

為了確保建模成果的精度,進行了簡單的數(shù)據(jù)精度評定.由于實驗過程中的測量數(shù)據(jù)中誤差控制在0.015 m以下,所以可以認為該項實驗具有一定的可行性.

出于對停車場復雜環(huán)境條件的考慮,如光線昏暗、車輛眾多,遵循實驗由簡單到復雜的原則,本文是從一個較為簡單的實驗出發(fā).所以要建立復雜的地下停車場三維模型,需要進一步的努力和研究.目前,由于地下建筑物的三維重建必須在其內(nèi)部進行,使得攝影測量過程中容易產(chǎn)生較大的誤差.而地下建筑物存在一定的客觀約束條件,所以數(shù)字近景攝影測量技術(shù)在地下建筑物的重建中應用較少.如何有效地減小這種誤差,值得進一步去研究.

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【責任編輯: 祝穎】

Application of Close Range Photogrammetry in Underground 3D reconstruction

BaiHongwei1,LiJing1,MuXing1,WuManyi2

(1. hui Province Coal Mine Exploration Engineering Technology Research Center, Suzhou University, Suzhou 234000, China; 2. The First Topographic Surveying Brigade of SBSM, Xi`an 710054, China)

Abstract:Close range photography measurement technology is used mostly in general surface measurement of buildings, but seldom used in the reconstruction of underground buildings. That is because the underground building is relatively difficult to shoot. Based on the relevant knowledge of photogrammetry, a simple research is made on the 3D modeling of the underground parking lot by using digital camera and total station; and initial results are achieved.

Key words:close range photogrammetry; 3D modeling; application research; underground parking lot

文章編號:2095-5456(2016)03-0223-04

收稿日期:2015-11-06

基金項目:衛(wèi)星測繪技術(shù)與應用國家測繪地理信息局重點實驗室經(jīng)費資助項目(KLSMTA-201304); 資源三號影像全色與多光譜影像融合方法比較研究(KLSMTA-201304); 宿州學院安徽省煤礦勘探工程技術(shù)研究中心開放課題資助(2013YKF04); 宿州學院教研項目(szxyjyxm201419); 安徽省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目(AH201510379046,AH201510379084).

作者簡介:白洪偉(1987-),男,安徽宿州人,宿州學院助教,碩士.

中圖分類號:P 234.1

文獻標志碼:A