基于SLAM和傾斜攝影測量的工業園區室內外一體化三維實景建模與技術應用研究

張小宏 趙生良 陳豐田

1. 青海省地礦測繪院，青海西寧 810012； 2. 青海省高原測繪地理信息新技術重點實驗室，青海西寧 810012

傾斜攝影測量技術自2010年引進到國內后，近幾年經歷了快速的發展，為了降低傾斜影像的獲取成本和周期，同時也能拓展傾斜攝影的應用領域，國內在引進和開發基于有人機的傾斜航攝儀的同時，同步開展了適宜在無人機、動力三角翼、直升機上進行搭載的輕量化、微型化傾斜航攝儀的研發工作。目前傾斜攝影測量已經在技術裝備、建模軟件、技術方法、技術流程等諸多方面取得顯著的突破。但受到傾斜攝影傳感器拍攝角度的影響，貼近地面、屋檐下沿、異性結構以及建筑物內部，無法獲得高精度的紋理數據，制作的三維模型與實際情況差異較大，精細程度難以滿足三維空間管理的需求，并且難以實現室內外的單體建模。

本文將結合基于SLAM的移動測量與傾斜攝影兩種技術手段，探索一種新型的室內外一體化三維建模解決方案，并基于這種新方法制作的三維模型進行應用分析。

1 基于SLAM算法和傾斜攝影測量三維建模

1.1 傾斜攝影測量

傾斜攝影技術是國際地理信息領域近年發展起來的一項高新技術。它克服了傳統航攝技術只能從單一角度拍攝的局限性，通過對地物進行多角度拍攝，可獲取同一地物的多幅傾斜影像。

圖1 正射影像傾斜影像

相對于正射影像，傾斜影像能讓用戶從多個角度觀察地物，更加真實的反映地物的實際情況，還能直接基于影像進行各種量測，如高度、長度、面積、及實際坐標等。因此，傾斜影像極大的彌補了基于正射影像的應用的不足，為用戶提供了更豐富的地理信息，更友好體驗。

1.2 基于SLAM算法的室內移動測量

SLAM（Simultaneous Localization and Mapping），也稱為CML（Concurrent Mapping and Localization），即時定位與地圖構建，或并發建圖與定位。SLAM的基本工作原理是：機器人在未知環境中從一個未知位置開始移動，在移動過程中根據位置估計和地圖進行自身定位，同時在自身定位的基礎上建造增量式地圖，實現機器人的自主定位和導航。

近年來，國際國內多家研究機構、企業投入研發力量，將SLAM技術引進到三維測圖領域，并且將核心算法進行改進，制作成可移動測量的激光掃描設備，它能在室內、地下等空間內獲取點云實現三維建模取得了突破性的進展。

基于實時定位與制圖（SLAM）的室內空間三維數據采集技術將結合激光掃描技術與移動測量技術的優勢，形成一項全新的三維移動測量技術。該技術實現在沒有GPS的的環境下，僅依靠技術設備自身的SLAM算法，實現室內三維激光點云數據的采集，為后續的三維建模供了基礎數據。

圖2 三維激光點云數據

在獲取室內空間的三維激光點云后，建模技術人員可根據高精度的三維點云進行室內單體化三維模型制作。而在實際的應用和管理中，單體化的三維模型才能作為獨立的對象進行管理，可單獨賦予屬性，并且在管理環節中可實現節點化。

圖3 青海海西州某化工廠傾斜攝影大場景三維模型

2 室內外一體化三維建模

首先，使用工業園區范圍內的大場景傾斜影像數據，基于SMART 3D三維建模軟件進行傾斜攝影三維建模。

針對需要進行特殊管理的建筑物，制作更加精細的單體化三維模型。采用傾斜相機垂直鏡頭獲取的影像數據制作目標管理區域數字高程模型DEM及重點建筑物二維平面圖（即地籍圖的一部分），利用二維平面圖與地形數據快速制作建筑物三維模型，并且基于傾斜影像進行側面紋理和屋頂紋理貼圖，達到制作單體化三維建筑模型的目的。

而對于建筑物內部進行管理的精細化管理建筑，則采用三維激光點云數據，使用3D MAX軟件進行室內三維模型制作。

3 基于室內外一體化三維模型技術應用研究

對于實現了單體化的三維模型而言，可基于單體化的三維模型進行對象化的管理。單體化三維模型將視野范圍內的所有關注的對象進行分層存儲，為工業園區規劃輔助和決策提供基礎數據。

基于單體化的三維模型，可進行建筑物及周邊的重要部件信息調查，并對三維空間數據進行應用和管理。比如基于三維空間數據，進行建筑物周邊的道路、井蓋、路燈、市政環境、園林綠化、公共設施等部件普查，并且在三維空間中進行標識，可對重點關注的部件進行建模表示，形成部件普查三維數據庫。

針對建筑物內部的三維空間管理和應用，可基于單體化的三維模型進行室內安全通道、消防設施、照明等規劃和管理。并且可實現從高空漫游，到低空巡查，再到地面行走，并將視角轉換到室內環境，進行空地一體化、室內室外一體化的三維瀏覽和管理。

而針對工業園區室內或者室外的重點設施設備，在三維模型制作過程中，已經實現單體化的模型制作?；趩误w化的設施設備三維模型，可將設施設備的運維流程集成到三維模型中。園區設施設備資產是工業園區資產的主要構成項目，是進行生產經營活動的主要勞動資料。確保這些設施設備資產信息的完整，不斷提高設備利用率和完好率，充分發揮設施設備資產的效能，監督并促進資產的妥善運維和合理使用，是設施設施資產管理工作的根本任務。

通過單體化的三維模型再現工業園區重要設施設備、管線網絡，為可視化設施、管線提供數據基礎。在管理系統中可以管理設計階段相關工程圖紙，如暖通，給排水和電力照明等設備信息。實現在設施運維管理階段實時查詢設計，施工階段的工程圖紙。方便運維人員定位查找相關設備。

4 結語

本文結合傾斜攝影測量三維建模和基于SLAM三維移動掃描建模這兩種比較成熟的三維建模技術，將二者進行組合應用。按照新的技術流程、技術方法，制作多元化的三維模型數據。并探索大場景三維模型和單體化三維模型的應用環境和應用方式。技術流程和應用領域將是一個極大的拓展。