高科技构筑逼真效果——无人机倾斜摄影技术在实景三维建模的应用及展望
三维建模作为“数字城市”地理空间框架建设工程的一个重要组成部分，直观且真实地还原城市风貌，为城市的规划建设，以及民众生活带来便利。倾斜摄影作为一个重要的信息获取技术，运用图片结合技术，整合当前城市建筑、树木特征点，勾勒出属于城市的3D信息。
倾斜摄影测量技术是一种新型的高科技技术，主要应用在影视拍摄以及测绘领域中。倾斜摄影主要依托无人机为载体实现应用价值，运用CMOS传感器技术进行信息的获取，得到最原始的数据。由于影像信息通常会有畸变，需要后台进行影像的拼接，图片的处理。无人机遥感技术作为一种新兴遥感技术，具有时效性、成本低廉以及安全等优势，通过高度的变化来实现图片大小的伸缩。同时，在一些需要精密的运用场所运用相关的焦距变化使得图片的局部信息更加细腻。还可以通过获取卫星的GPS信息之后，相应的得出当前的位置、高度等一些关键信息，实现照片的全面性。
下图为倾斜摄影测量方案：基于五目摄像头的图像获取方式。
一、倾斜影像的四大特点
相对于正射影像，倾斜影像能让用户从多个角度观察地面上的各种建筑、自然景象等，更加真实反应实际物体的情况，由于倾斜摄影能增加侧面的深度信息，并且结合GPS相关技术支持，能够有效弥补了正射影像应用的不足。
通过配套软件的应用，可基于成果影像进行高度、长度、面积、角度、坡度等的测量。
针对各种三维数字城市应用，利用航空摄影大规模成像的特点，加上从倾斜影像批量提取及贴纹理的方式，能够有效降低城市三维建模成本。
倾斜影像的数据格式可采用成熟稳定的技术进行网络分享，通过发送图像的数据，可更快、更加便捷地进行共享应用。
二、倾斜摄影数据加工的关键技术
多视影像包含垂直摄影数据、倾斜摄影数据，而部分传统空中三角测量系统无法较好地处理倾斜摄影数据。因此多视影像联合平差需充分考虑影像间的几何变形和遮挡关系。结合POS系统提供的多视影像外方位元素，采取由粗到精的金字塔匹配策略在每级影像上进行同名点自动匹配和自由网光束法平差，得到较好的同名点匹配结果。同时，建立连接点和连接线、控制点坐标、GPS/IMU辅助数据的多视影像自检校区域网平差的误差方程，通过联合解算，确保平差结果的精度。
影像匹配是摄影测量的基本问题之一，多视影像具有覆盖范围大、角度多方向、影像重叠等特点。因此如何在匹配过程中充分考虑冗余信息，快速准确获取多视影像上的同名点坐标，如何将这些信息完整地整合在一起，并且对信息的提取都能保证完全无误是影响匹配的重中之重。
由于单独使用一种匹配基元或匹配策略往往难以获取建模需要的同名点，随着多影像、计算机视觉、深度学习等方向的兴起。在该领域的研究已取得很大进展，例如建筑物侧面的自动识别与提取。通过搜索多视影像上的特征如建筑物边缘、墙面边缘和纹理来确定建筑物的二维矢量数据集影像上不同视角的二维特征可以转化为三维特征，在确定墙面时进行平面扫描和分割，获取建筑物的侧面结构，再通过对侧面进行重构，提取出建筑物屋顶的高度和轮廓。
多视影像密集匹配能得到高精度高分辨率的数字表面模型DSM，已经成为新一代空间数据基础设施的重要内容，充分表达地表建筑物、桥梁、树木等一些物体的起伏特征，由于多角度倾斜影像之间的尺度、角度、特征点差异较大，加上较严重的遮挡和阴影等问题，基于倾斜影像的DSM自动获取存在新的难点。可以根据自动空三解算出来的各影像外方位元素，分析与选择合适的影像匹配单元进行特征匹配和逐像素级的密集匹配，并引入并行算法，提高计算效率。在获取高密度DSM数据后，进行滤波处理，并将不同匹配单元进行融合，形成统一的DSM。
多视影像真正射纠正涉及物方连续的数字高程模型和大量离散分布粒度差异很大的地物对象，以及海量的像方多角度影像，具有典型的数据密集和计算密集特点。因此多视影像的真正射纠正，可分为物方和像方同时进行。在有DSM的基础上根据物方连续地形和离散地物对象的几何特征，通过轮廓提取、面片拟合、屋顶重建等方法提取物方语义信息，同时在多视影像上通过影像分割、边缘提取、纹理聚类等方法获取像方语义信息，再根据联合平差和密集匹配的结果建立物方和像方的同名点对应关系，继而建立全局优化采样策略和顾及几何辐射特性的联合纠正，同时进行整体匀光处理，实现多视影像的真正射纠正，可以设置若干影响因子并给予一定的权值，将建筑的各个墙面进行平面扫描和分割，获取建筑物的侧面结构并且对侧面进行重构，提取出建筑物屋顶的高度和轮廓。
三、相关案例解说
通过航拍倾斜摄影，基本可以辨识出建筑的特征和造型。但相对而言，细节的处理还是存在相对较大的差异性，虽然可以通过几何校正、联合平差等处理流程，但对于建筑而言还需要精度更高的仪器测量。综合考虑后，测绘院采用三维激光扫描，获取点云数据、高度信息、轮廓信息等，针对倾斜摄影获取的图像信息、激光雷达获取的点云数据，对整个巴黎圣母院进行了精确还原和记录，便于后续对巴黎圣母院进行重新修建，误差可控制在5毫米左右。
楼房违建、非法排污、违法占地等一些现象普遍存在于生活中，倾斜摄影三维信息系统可以通过遥感影像获取实际地物的用地信息，通过软件、深度学习等一些信息的提取，与规划信息实施对比，从而可以直观、有效、及时、快捷的获取城市违法占地、非法排污、黑点工程等改变土地用地的区域、类型、面积及公布特征，有利于解决目前执法过程中的困难。此外还可以应用于统计高度变化，进行阈值分割，计算形态参数，过滤出建筑变化区域。
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四、未来展望
目前对大数据的需求正在增加，而随着无人机的日渐发展，无人机灵活、便捷、快速地特点逐步呈现，在实际的测量工作中已经实现了相当可观的效果。随着技术的进一步发展，接下来的测量将会更加精准、便捷、高效。使用者将获得的数据转换为不同的数据格式后，可对数据进行矢量计算等操作，能够实现不同工程需要。通过无人机、传感器、算法等技术的不断升级，未来将会在更多的应用场景中见证它强有力的作用。
参考文献：
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[7]无人机航测技术在违法建筑变化检测中的应用—航天数维高新技术股份有限公司
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责任编辑：林冬娜、邓小云
文章作者：邹向浩
文章审核：黄雯欣
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