基于VirtuoZo的近景普通數(shù)碼影像的三維建模

韓東亮，黃潤(rùn)秋，王鳳艷

(1.吉林大學(xué)地球探測(cè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130026；2.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059)

基于VirtuoZo的近景普通數(shù)碼影像的三維建模

韓東亮1，黃潤(rùn)秋2，王鳳艷1

(1.吉林大學(xué)地球探測(cè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130026；2.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059)

針對(duì)近景普通數(shù)碼影像，應(yīng)用數(shù)字近景攝影測(cè)量方法，基于VirtuoZo數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站，結(jié)合長(zhǎng)春市楊家溝采石場(chǎng)，進(jìn)行了高大巖體邊坡三維模型的建立；通過對(duì)野外測(cè)量控制點(diǎn)坐標(biāo)與三維模型解譯量測(cè)的控制點(diǎn)坐標(biāo)的比較分析，進(jìn)一步評(píng)定了模型的點(diǎn)位測(cè)量精度，驗(yàn)證了基于VirtuoZo的近景普通數(shù)碼影像三維建模的可靠性。

三維建模；數(shù)字近景攝影測(cè)量；VirtuoZo；精度

一、引 言

近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與電子信息科技的發(fā)展，以及數(shù)字圖像處理、模式識(shí)別和計(jì)算機(jī)視覺等學(xué)科的迅猛發(fā)展，數(shù)字近景攝影測(cè)量以其遙測(cè)、全面、可靠、快速、低強(qiáng)度、高精度等優(yōu)點(diǎn)而廣泛地應(yīng)用于國(guó)民生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域，如文物測(cè)繪[1]、隧道斷面研究[2]、礦山地表塌陷區(qū)監(jiān)測(cè)[3]、地質(zhì)產(chǎn)狀測(cè)定[4]等。VirtuoZo作為數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的產(chǎn)品，促使攝影測(cè)量生產(chǎn)方式完全改變并實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站VirtuoZo是適普軟件有限公司與武漢大學(xué)遙感學(xué)院共同研制的全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)，它是一個(gè)全軟件化設(shè)計(jì)、功能齊全、高度智能化的全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)。此系統(tǒng)利用數(shù)字影像或數(shù)字化影像完成攝影測(cè)量作業(yè)，由計(jì)算機(jī)視覺代替人眼的立體量測(cè)與識(shí)別，可進(jìn)行影像匹配、核線采樣、生成數(shù)字高程模型、制作正射影像、生成等高線、圖廓整飾等工作。針對(duì)普通數(shù)碼影像的近景攝影測(cè)量，VirtuoZo提供的近景攝影測(cè)量模塊V-ClosePhoto，通過少量野外控制點(diǎn)，迅速、準(zhǔn)確地建立野外實(shí)體的三維模型，為野外數(shù)據(jù)的采集提供了有效途徑。

本文以長(zhǎng)春市凈月潭楊家溝廢棄采石場(chǎng)為研究對(duì)象，遵循控制測(cè)量—數(shù)碼攝影—模型建立—信息解譯的過程思路，結(jié)合VirtuoZo的近景模塊與交互式圖形系統(tǒng)(interactive graphics system，IGS)量測(cè)模塊對(duì)高大巖體邊坡影像進(jìn)行三維建模與信息解譯，通過量測(cè)模型控制點(diǎn)的三維坐標(biāo)，與野外實(shí)測(cè)對(duì)比，應(yīng)用測(cè)量誤差理論，評(píng)定了模型的點(diǎn)位測(cè)量精度，驗(yàn)證了基于VirtuoZo的近景普通數(shù)碼影像三維建模的可靠性。

二、基于VirtuoZo的近景普通數(shù)碼影像三維建模流程

與航空影像相比，使用非量測(cè)相機(jī)拍攝的近景影像，經(jīng)吉林大學(xué)自編相機(jī)標(biāo)定及影像校正軟件處理后參與模型建立，因此不需要建立相機(jī)檢校參數(shù)文件，只在設(shè)置測(cè)區(qū)時(shí)將影像類型選為非量測(cè)相機(jī)影像。建模流程如圖1所示，同時(shí)，在近景普通數(shù)碼影像處理時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1)引入影像文件后轉(zhuǎn)換影像格式，未知影像像素大小的情況下可填－1，由軟件自動(dòng)識(shí)別影像分辨率。

2)無須內(nèi)定向。

3)為達(dá)到較好的匹配結(jié)果，應(yīng)采取半自動(dòng)的方式進(jìn)行相對(duì)定向、絕對(duì)定向。

4)模型的絕對(duì)定向至少需要6個(gè)控制點(diǎn)才能完成，最好布設(shè)8個(gè)及以上[5]的絕對(duì)定向控制點(diǎn)。

5)模型建立后應(yīng)在立體顯示窗口下查看模型，如與野外實(shí)際存在差別應(yīng)返回相對(duì)定向界面對(duì)精度較差的定向點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整。

6)IGS數(shù)字化測(cè)圖模塊下裝載已建立的三維模型，對(duì)野外采集的所有控制點(diǎn)進(jìn)行量測(cè)，未參與建模的控制點(diǎn)作為檢查點(diǎn)，對(duì)模型精度進(jìn)行評(píng)定。

圖1 VirtuoZo針對(duì)普通數(shù)碼影像近景攝影測(cè)量數(shù)據(jù)處理流程

三、應(yīng)用實(shí)例

長(zhǎng)春市楊家溝采石場(chǎng)位于E125°28′33″、N43°48′39″，邊坡上部覆蓋第四紀(jì)土壤，巖性多為砂巖和凝灰?guī)r。采石使邊坡巖體大量出露，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石被節(jié)理切割成塊狀，地表水沿裂隙下滲，具有潛在的滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害隱患，需要進(jìn)行邊坡工程地質(zhì)條件調(diào)查，獲取大量巖體結(jié)構(gòu)面信息，以評(píng)價(jià)邊坡的穩(wěn)定性。下面論述采用數(shù)字近景攝影測(cè)量，基于VirtuoZo建立邊坡三維模型獲取邊坡信息。

1.準(zhǔn)備工作

(1)控制測(cè)量及控制點(diǎn)文件的建立

以楊家溝采石場(chǎng)東坡為例，應(yīng)用免棱鏡全站儀完成野外控制測(cè)量工作。控制點(diǎn)整體上遵循環(huán)繞目標(biāo)、適當(dāng)加密的原則均勻布設(shè)；巖體表面局部點(diǎn)位遵循清晰易辨、易于瞄準(zhǔn)的原則選取。取兩次測(cè)量的平均值作為控制測(cè)量最終結(jié)果(見表1)，經(jīng)計(jì)算，控制測(cè)量點(diǎn)位中誤差為4.8 mm。將測(cè)得的控制點(diǎn)個(gè)數(shù)、點(diǎn)號(hào)、坐標(biāo)分別錄入記事本文件中，并將TXT后綴改為軟件識(shí)別的CTL格式，完成控制點(diǎn)文件的建立(如圖2所示)。

表1 控制點(diǎn)坐標(biāo)全站儀測(cè)量與立體模型解譯成果對(duì)照表m

(2)邊坡影像獲取及校正

使用Canon 50D單反數(shù)碼相機(jī)拍攝邊坡影像，采用近似正直攝影方式，保證影像的重疊度大于80%且至少包含6個(gè)及以上控制點(diǎn)，環(huán)繞采石場(chǎng)東、北、西3坡共拍攝7組像對(duì)。采用吉林大學(xué)自編軟件對(duì)相機(jī)進(jìn)行了標(biāo)定，標(biāo)定參數(shù)見表2，并進(jìn)行影像校正，東坡E-1校正后，左、右影像如圖3所示。

圖2 東坡E-1控制點(diǎn)文件

表2 Canon 50D單反數(shù)碼相機(jī)標(biāo)定參數(shù)結(jié)果

圖3 東坡E-1像對(duì)畸變校正后左、右影像

2.巖體邊坡三維模型建立

按照?qǐng)D1所示流程，結(jié)合建立的控制點(diǎn)文件及校正后的邊坡影像，建立采石場(chǎng)東坡的三維模型，定向結(jié)果及精度分別如圖4、圖5所示。在IGS數(shù)字化測(cè)圖模塊下對(duì)控制點(diǎn)進(jìn)行解譯量測(cè)，并與野外實(shí)測(cè)控制點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)比，結(jié)果見表1。

圖4 東坡E-1像對(duì)定向示意圖

圖5 東坡E-1像對(duì)相對(duì)定向、絕對(duì)定向精度結(jié)果

3.三維模型精度評(píng)定

在東坡E-1像對(duì)建立的三維模型中，免棱鏡全站儀測(cè)量了17個(gè)控制點(diǎn)，根據(jù)控制點(diǎn)的精度及分布特征選取10個(gè)控制點(diǎn)作為三維模型建立的絕對(duì)定向點(diǎn)(見表1黑體點(diǎn)號(hào))，其余控制點(diǎn)作為檢查點(diǎn)，分別與模型解譯的控制點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比(見表1)。同理，根據(jù)免棱鏡全站儀的控制測(cè)量成果(共130個(gè)控制點(diǎn))，對(duì)拍攝的7組像對(duì)分別選取絕對(duì)定向點(diǎn)(77個(gè))與檢查點(diǎn)(53個(gè))，并利用VirtuoZo數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站建立邊坡三維模型，測(cè)取控制點(diǎn)的三維坐標(biāo)，與野外測(cè)得的控制點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析，誤差分布的柱狀圖及高斯函數(shù)曲線擬合如圖6所示，數(shù)學(xué)期望E(X)＝0.002，方差D(X)＝0.000 122，誤差呈正態(tài)分布，符合偶然誤差特性，可運(yùn)用測(cè)量誤差基本理論評(píng)定三維模型的精度。衡量精度的基本指標(biāo)[6]是被測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)中誤差(mX，mY，mZ)及點(diǎn)位中誤差mP。

圖6 誤差分布柱狀圖及曲線擬合

由式(1)對(duì)三維模型進(jìn)行精度評(píng)定

式中，n為檢驗(yàn)點(diǎn)個(gè)數(shù)；ΔXi、ΔYi、ΔZi分別為檢驗(yàn)點(diǎn)攝影測(cè)量坐標(biāo)與實(shí)測(cè)坐標(biāo)的差值，見表3。

表3 基于控制點(diǎn)的模型精度評(píng)定m

通過免棱鏡全站儀與三維模型解譯的控制點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)比分析，此三維模型在各個(gè)方向及點(diǎn)位的精度均在2.5 cm以內(nèi)，滿足依據(jù)三維模型進(jìn)一步解譯巖體邊坡結(jié)構(gòu)面幾何信息(跡線、產(chǎn)狀)的要求[7]。

四、結(jié)束語(yǔ)

本文以高大陡立邊坡為例，針對(duì)近景普通數(shù)碼影像，基于VirtuoZo數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站，建立了邊坡巖體的三維模型，并評(píng)定了模型的精度。研究表明：采用免棱鏡全站儀進(jìn)行邊坡控制測(cè)量，點(diǎn)位精度在5 mm內(nèi)；用Canon 50D單反數(shù)碼相機(jī)(有效像素1510萬(wàn))拍攝的數(shù)碼影像，經(jīng)校正處理后建立的巖體三維模型，點(diǎn)位精度在2.5 cm以內(nèi)，能夠滿足進(jìn)一步巖體結(jié)構(gòu)面信息解譯的需要，由此可見基于VirtuoZo的近景普通數(shù)碼影像三維建模的可靠性，對(duì)今后的工程應(yīng)用具有重要意義。隨著計(jì)算機(jī)視覺的不斷發(fā)展，以及數(shù)碼相機(jī)分辨率的日益提高，數(shù)字近景攝影測(cè)量技術(shù)的三維建模將向著速度更快、精度更高、信息量更豐富、成本更低廉的方向不斷發(fā)展，數(shù)字近景攝影測(cè)量學(xué)也將具有更為廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。

[1] 陳建華，潘慶林.靈山大佛數(shù)字近景攝影測(cè)量[J].工程勘探，1998(5)：17-20.

[2] 田愛軍.隧道斷面數(shù)字近景攝影測(cè)量系統(tǒng)研究開發(fā)[D].北京：北京交通大學(xué)，2007.

[3] 盛業(yè)華，趙曉虎，宋金玲.礦山地表塌陷區(qū)的數(shù)字地面攝影測(cè)量監(jiān)測(cè)技術(shù)[C]∥第六屆全國(guó)礦山測(cè)量學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集.[S.l.]：中國(guó)測(cè)繪學(xué)會(huì)礦山測(cè)量專業(yè)委員會(huì)，2007.

[4] 王樹根，朱宜萱.用近景攝影測(cè)量測(cè)定地質(zhì)產(chǎn)狀的作業(yè)方法[J].測(cè)繪通報(bào)，1993(5)：17-20，29.

[5] 王鳳艷.數(shù)字近景攝影測(cè)量快速獲取巖體裂隙信息的工程應(yīng)用[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2006.

[6] 馮文灝.近景攝影測(cè)量[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2002.

[7] 王鳳艷，陳劍平，付學(xué)慧，等.基于VirtuoZo的巖體結(jié)構(gòu)面幾何信息獲取研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27(1)：169-171.

[8] 張祖勛，張劍清.數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量學(xué)[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，1997.

2014高校GIS論壇在武漢舉行

[本刊訊]11月8日，2014高校GIS論壇在武漢隆重舉行，來自全國(guó)30多所高校的1000多名專家學(xué)者與青年學(xué)子參加了此次論壇。

8日上午的主論壇上，吳信才教授作了題為《眾智共享夢(mèng)云騰空——地理信息創(chuàng)新發(fā)展的思考》的主題報(bào)告；孫志鴻教授、周啟鳴教授、李滿春教授、謝忠教授分別就臺(tái)灣GIS教育與智慧城市的發(fā)展、海外高等院校本科GIS教育與課程設(shè)置現(xiàn)狀、寓教于研的GIS人才培養(yǎng)、地理信息創(chuàng)新服務(wù)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用模式及實(shí)踐作了相關(guān)報(bào)告。本屆論壇也有互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)加盟，百度、嘀嘀打車所帶來的互聯(lián)網(wǎng)思維也啟發(fā)了與會(huì)者對(duì)地理信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式的思索與探討。此外，吳立新教授主持了題為《移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)代GIS服務(wù)創(chuàng)新與發(fā)展》的圓桌論壇，各位嘉賓對(duì)GIS如何探索服務(wù)創(chuàng)新與發(fā)展展開激烈討論，把現(xiàn)場(chǎng)氣氛推向高潮。

論壇期間舉行的各種獎(jiǎng)項(xiàng)評(píng)選結(jié)果也在現(xiàn)場(chǎng)揭曉，9人獲得“高校GIS創(chuàng)新人物獎(jiǎng)”，10人分享“高校GIS新銳獎(jiǎng)”，10人摘取“高校GIS新秀獎(jiǎng)”，10篇論文入選“優(yōu)秀論文”，10所實(shí)驗(yàn)室折取“MapGIS優(yōu)秀實(shí)驗(yàn)室”桂冠。

(本刊編輯部)

3D Model Establishment of Close Range Common Digital Images Based on VirtuoZo

HAN Dongliang，HUANG Runqiu，WANG Fengyan

P231.5

B

0494-0911(2014)11-0021-04

2013-11-26

國(guó)家自然科學(xué)基金(41072196)；成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(SKLGP2013K018)；中國(guó)博士后科學(xué)基金(20090451125)

韓東亮(1988—)，男，回族，吉林長(zhǎng)春人，碩士，主要研究方向?yàn)楣こ虦y(cè)量、近景攝影測(cè)量等。

王鳳艷

韓東亮，黃潤(rùn)秋，王鳳艷.基于VirtuoZo的近景普通數(shù)碼影像的三維建模[J].測(cè)繪通報(bào)，2014(11)：21-24.

10.13474/j.cnki.11-2246.2014.0354