倾斜摄影室内三维实景模型重建及精度分析（CC+杰魔）
摘要：研究倾斜摄影测量联合传统测量的室内三维实景模型重建方法及精度分析。倾斜摄影测量使用普通相机采集多视角的影像，传统测量使用免棱镜全站仪采集测区的像控点，两种技术相结合构建室内三维实景模型。研究结果表明：倾斜摄影测量联合传统测量构建的室内三维实景模型成本较低、精度较高，并且能真实、完整的还原测区场景。为工程建设和测绘工作等领域提供有价值的参考数据。
关键词：倾斜摄影测量；传统测量；室内三维实景模型；精度分析
引言
目前，传统的室内三维建模方法为3DMAX软件人工建模，这种方法效率和精度较低，不能真实、完整的还原室内场景。近年来，随着科学技术水平的不断提高，室内三维建模主要采用三维激光扫描和SLAM移动测量技术，这两种技术虽然精度高，采集的点云效果好。但是价格昂贵，成本较高，并且点云构建的三维模型后期还需贴纹理图，增加了冗余的工作量。为此，针对目前研究现状，本文提出了一种基于倾斜摄影测量和传统测量相结合的一种室内三维模型构建的方法。该方法成本较低、精度较高，并且能真实、完整的还原测区场景。
本文研究对象为笔者所在单位的一间空置房间，房间长约8.130ｍ，宽约6.650ｍ，高约2.780ｍ，建筑面积约54.065ｍ2，该房间内物品种类较多，摆放杂乱，无强烈的光照照射。
2.1 传统测量的数据采集
数据采集使用的是拓普康MS05A全站仪，
测角精度（ISO17123－3：2001）为±0.5″，
免棱镜测距范围为0.3～40ｍ，
免棱镜测距精度（ISO17123－4：2001）为（1.0＋1ppm×D）ｍｍ。
数据采集时，全站仪的整平误差X为0.1″、Y为0.1″，测量方式为免棱镜测量。
为了本次实验方便，坐标系设为独立坐标系，设置的原点坐标X，Y，Z为（20.0000，20.0000，10.0000），
另外如果需要工程坐标系，可以从室外引进工程坐标系。采集的像控点布置在房间具有明显特征的点位上，共采集17个，每个点全站仪自动测量三次取平均值，
图1 为采集的像控点位置示意图
2.2 倾斜摄影测量的数据采集
数据采集使用的照相机型号为MeizuE2，像素为1200万，焦距为4ｍｍ，光圈值为f/22，测光模式为偏中心平均。
影像尺寸为1536＊2048像素，水平和垂直分辨率为96dpi。
本次采用倾斜摄影的方式共采集多视角影像194张，其中193参与模型重建，3张照片由于曝光过度、模糊等原因未能参与模型重建。
拍摄点位如图2、图3、图4所示，黑点为影像的位置，椭圆表示位置不确定性。
图２ 俯视图（ｘｙ平面）的点位（左）
图３ 侧视图（ｚｙ平面）的点位（右）
图４ 前视图（ｘｚ平面）的点位
3.1传统测量的数据处理
全站仪采集的像控点坐标格式为（点号，X，Y，Z），由于ContextCapture软件导入的像控点X、Y坐标格式与全站仪采集的像控点X、Y坐标格式相反，因此在空中三角测量计算之前需要将全站仪坐标格式变换为（点号，Y，X，Z）。
3.2 倾斜摄影测量的数据处理
3.2.1空中三角测量计算
将相机采集的多视角影像导入ContextCapture软件中直接进行空中三角测量计算结果较差如图5所示，出现断层和错位等现象。
图6是加入像控点后的空中三角测量结果，共添加17个像控点，确保每个像控点刺在4张影像以上，自动连接点数量为12608个，匹配结果较为完整，平均地面分辨率为0.00688单位／像素。
3.2.2 室内三维实景模型的重建
空中三角测量计算完成后，选择合适的空间框架，空间框架为构建室内三维实景模型的空间范围。其中空间框架范围尺寸为7.80401ｍ＊9.2924ｍ＊3.88911ｍ（宽＊长＊高），空间框架范围坐标见表1。
图５ 无像控点的空中三角测量计算
图６ 加像控点的空中三角测量计算
三维实景模型的重建效果如图7，分别为不同视角的三维实景模型效果图。由此可见，不同视角的三维实景模型存在着一些质量缺陷。例如冗余、畸变和空洞等，影响着三维实景模型的结构质量和观感质量。
图７ 修整前三维实景模型
3.2.3 室内三维实景模型的修整
由于生成的三维实景模型存在着结构和外观的质量缺陷。为此，将构建的三维实景模型导入到修模软件Geomagic studio中进行冗余、畸变和空洞等缺陷的修整。
修整完成后再次导入到ContextCapture软件中进行纹理的映射。修整的效果如图8，分别为不同视角的三维实景模型效果图。
图８ 修整后三维实景模型
由于一个完整的室内三维模型是封闭的，室内的场景是看不到，因此将这个封闭的三维实景模型在一定的高度进行剖切，本文的剖切高度为随机剖切。图9分别是不同视角的三维实景模型剖切顶面的效果图。
图９ 不同视角室内三维实景模型
4.1 特征点、线的精度分析
为了对比分析实物与模型的点位和尺寸的精度，本文分别对实物和模型选取17个特征点和10条特征线。实物测量为全站仪（经过检校的全站仪）测量，模型测量为专业软件上选点测量，实物和模型测量为3次测量取得平均值，其中3次测量的2个数据相差不超过0.001ｍ，否则重新测量。特征点、特征线精度分析见表2、表3。
由表2、表3测量数据计算得到模型点位测量中误差和量边测量中误差分别为1.62cｍ和0.51cｍ，满足测绘工作的基本要求。
4.2 三维模型精度分析
室内三维实景模型的顶部（天花板）和底部（地板）的重建效果较为真实和完整，部分三维模型的墙面经过精确的平面拟合，也较为真实和完整，另外，室内物品位置摆放的精确性和物品本身结构的完整性都在室内三维实景模型上得到展现。
联合倾斜摄影测量和传统测量重建的室内三维实景模型效果较好、精度较高，并且能真实、完整的还原测区现场场景。但是，由于本次实验采用的影像采集设备像素较低，拍摄的影像重叠率较低，重建的室内三维实景模型效果不是很理想，建议使用更高像素的影像采集设备和采集更高重叠率的影像来构建室内三维实景模型。
- END -