倾斜摄影技术发展与应用前景

本文主要介绍我国倾斜摄影技术发展和应用现状，主要分为以下几方面：

                  1.倾斜摄影测量的由来

                  2.倾斜摄影测量技术的发展

                  3.倾斜摄影测量技术的应用

                  4.中国倾斜摄影测量技术的现状和展望

1.倾斜摄影的由来

    倾斜摄影的产生和发展与人们喜爱的摄影是密不可分的。著名法国摄影师纳达尔是航空照相史上的第一人。出于好奇的缘故，1856年,拍摄了第一张航空影像，拉开了人类对地观测与遥感的序幕，同时也拉开了倾斜摄影的序幕。

（1）倾斜摄影技术特点

       倾斜摄影是在摄影测量技术发展和人们需求增加的基础上发展起来的。传统的竖直摄影只能获取地物顶部信息，对于地物侧面信息则无法获得；倾斜影像能让用户从多个角度观察被制作建筑，更加真实地反映地物的实际情况，极大地弥补了基于正射影像分析应用的不足; 通过配套软件的应用，可直接利用成果影像进行包括高度、长度、面积、角度、坡度等属性的量测，扩展了倾斜摄影技术在行业中的应用; 针对各种 3 维数字城市应用，利用航空摄影大规模成图的特点，加上从倾斜影像批量提取及贴纹理的方式，能够有效地降低城市 3 维建模成本。

       倾斜摄影与竖直摄影基本原理相同，但其与竖直摄影相比仍面临不少难题，如：建筑物在倾斜影像中几何变形、数据遮挡、数据冗余、影响匹配以及多视角影像联合平差等。

（2）倾斜摄影的意义

    倾斜摄影测量不仅能够真实地反应地物情况，而且可通过先进的定位技术，嵌入精确的地理信息、更丰富的影像信息、更高级的用户体验，极大地提高了航摄影像处理的速度。倾斜影像技术的应用，使目前高昂的 3 维城市建模成本大幅降低，大大提高 3 维城市建模的速度。

（3）倾斜摄影关键技术

A.多视影像联合平差——由粗到精的金字塔匹配策略，进行自由网光束法平差；

B.多视影像密集匹配——引入计算机视觉技术，实现多基元、多视影像匹配技术；

C.数字表面模型生成——高密度DSM滤波融合技术。

2.倾斜摄影技术的发展

（1） 倾斜摄影测量技术构成

  1）飞行平台

包括有人飞机和无人机，如中国的运十二、运五；LT-150型无人机等。

  2）倾斜相机

     目前主流的倾斜相机都采用下视、前视、后视、左视、右视五个将镜头结构来获取地物倾斜影像，主要的倾斜相机有UCO（UltraCam Osprey）倾斜相机、PentaView 倾斜相机、Midas 倾斜相机、Penta DigiCAM倾斜相机、RCD30 oblique倾斜相机等。

   3）倾斜影像的处理

基于二维影像量测数据处理技术和三维城市建模数据处理技术

基于二维影像测量数据处理技术生产流程图：

三维城市建模数据处理技术：该技术可分为区域整体三维建模方法（法国）和个体独立三维建模方法（中国）。

     A.区域整体三维建模方法生产路线图：

     B.个体独立三维建模方法生产流程图：

（2）倾斜摄影关键要素

1）大重叠度飞行

倾斜摄影获取的影像存在严重的地无遮挡现象，尤其是建筑物密集区域。为了获取全方位无信息盲点的倾斜影像应采取大重叠飞行观测方式。

2）各个子镜头相对位置检校（Boresight检校）

       倾斜相机均配备高精度的POS系统。POS系统——指将GPS系统和惯性测量单元（IMU，Inertial Measurement Uint）集成直接对相机进行定姿定位的一种高精度测量系统。

倾斜相机的坐标轴和POS系统的坐标轴，并不完全平行。POS系统测量的角度并不是倾斜相机的角度。因此，需要通过解析计算出倾斜相机坐标轴和POS系统坐标轴之间的旋转角度，我们称之为倾斜相机的Boresight的检校

Boresight检校的基本原理是通过一组特殊的飞行方案，获取一组航片。经过空中三角测量平差后，得到每张航片的位置和姿态。与POS系统测定的位置和姿态进行对比分析，求解出Boresight的最或是值。

3.倾斜摄影技术应用

倾斜摄影测量应用范围相当广泛，可以延伸到公众生活中的方方面面，例如：政府方面的税收评估、公共安全、执法行动、规划发展、消防；公共事业方面的灾害评估、环保、紧急救助；企业方面的保险、房地产；以及公众方面的位置服务、互联网应用、旅游等。

倾斜摄影技术对于发展智慧城市有很大的推动力，其提供的一系列的地物信息，可以构建三维城市模型，为智能化的管理提供了便利条件。

一．基于倾斜摄影技术快速建立城市3维模型

（1）城市基础信息搜集

1）数字线划图

数字线划图( DLG) 是城市基本图件的最主要形式，是进行规划、设计、管理等工作的基础。城市的 DLG 包含了城市房屋的外框信息和高程信息，以及屋顶的矢量信息，内业人员可以通过房屋的外框和屋顶坐标等信息，快速生成白模。

2） 城市测区划分

将相似的或相同区域的模型划分为一个测区，统一进行模型命名和纹理编号，便于项目管理和相似纹理共享。

3）地物倾斜影像

地物倾斜影像是由倾斜摄影得到的地物影像，包含地物的属性信息，可将同一地物的影像保存在同一个文件夹内。

4） 地物属性表

地物属性表记录地物的实际名称，对应的模型名称、纹理编号，以及航高、航速、航向重叠、旁向重叠、坐标等信息。

5）结合表

结合表是模型的分图依据，记录了某个模型具体由哪个作业员制作，哪个检查员检查，以及模型名称、纹理编号、坐标等信息。

（2）建筑模型细部分析

通过倾斜影像和 DLG，对地面建筑进行自动提取，快速建立白模，此时的白模已经初步具备建筑的外框、高程等信息，再经过内业人员对倾斜影像的具体细部分析，构建出建筑的屋顶、阳台、观景台、飘窗、女儿墙、老虎窗、门斗等细部信息，合成精细白模，经过建筑细部分析后合成的精细白模。

 （3）模型纹理制作

利用图像处理软件，结合倾斜影像，对地面建筑细部进行纹理划分，由于纹理可以重复变换，因此只制作具有代表性的建筑物纹理即可。内业人员能够在最多 8 张倾斜影像上找到建筑物的某个细节纹理，通过变换、消失点等方式精确制作建筑物的纹理，完成模型纹理制作工序。

 （4）模型贴图

利用 3 维处理软件的 UVW 贴图功能，结合相关的脚本语言，将纹理根据编号快速贴到建筑物上。

二．倾斜摄影应用在“智慧城市”

       倾斜摄影能够广泛应用于城市规划、建设和管理等各个方面，尤其在公共安全与应急反恐方面具有其他数据源不可替代的价值。倾斜影像能够使指挥决策者看到比正射影像更多的环境信息，从而更好辅助决策。相比只能看到屋顶的正射影像，倾斜影像可看到房屋侧面的紧急出口。倾斜影像上任意点之间可以进行准确量算，比如计算通视距离、设计制高点和狙击方案等。这些事发地周围的详细信息，在应急行动中关乎人员及财产的安全，有时甚至能起到决定性的作用。

       美国“9·11”恐怖袭击发生后，美国军方立刻使用倾斜摄影测量技术获取了五角大楼影像，迅速了解现场情况，并制定了最合理的执行方案。目前，该技术已经在美国警方普及应用，帮助后方指挥人员掌握最细致的案发地情况，以便发出合理的指令。这样不仅提高了执行效率，而且提高了警务人员的安全性，取得了良好的效果。美国国家地理空间情报局（NGA）认为：一幅图像胜过千言万语，惟有图像的方式才能做到赋予领导者敏锐的洞察力。

 

4.我国倾斜摄影技术发展现状和展望

       自从2010年以来，我国多家研究机构进行了大量的探索和尝试，并获得了丰富的经验和相关技术。全国有很多UFactory案例，如：乌鲁木齐三维自动化建模等。

国产AMC580相机航空倾斜摄影情况

测区		烟台	台州	上海陆家嘴
面积（km2）		100	300	40
分辨率（m）		0.09	0.09	0.085
重叠度（%）	航向	65	75	80
	旁向	40	40	65

 

（1）目前面临的问题有：

    1）数据获取效率较低，尚未形成规模；

    2）数据处理技术尚不成熟，处于探索阶段；

    3）产品模式单一、有待深入推广应用；

（2）我国倾斜摄影技术未来展望

       倾斜摄影测量技术无疑将会在我国地理信息产业中扮演更加重要的角色。

       倾斜影像不仅能够真实地反应地物情况，而且还通过采用先进的定位技术，嵌入精确的地理信息，使用户获得更高级，更为逼真的用户体验，极大地扩展了遥感影像的应用领域。同时，倾斜摄影测量技术使得目前高昂的三维城市建设成本将得以大大降低。而三维城市效果也更为逼真。