倾斜摄影构筑测绘地理信息应用新模式
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这是一个巨变的时代，在每一个看似普通的日子里，这个世界的深处都在进行着一场革命，互联网技术、大数据、工业4.0等底层技术正在颠覆这个世界原来的面貌。在测绘地理信息领域，倾斜摄影技术的出现和快速发展，正在发挥着颠覆性的变化。倾斜摄影技术在大幅度降低三维建模成本的同时极大提升了三维建模的效率，大规模的城市三维建模将成为可能；所具备的快速还原真实现状的特性，又为智慧城市下一步深入应用插上了“真实、准确”的翅膀。运用倾斜摄影技术，基础测绘工作也将从陆军全面走向空军，传统测绘风里来雨里去的作业方式即将成为历史。对于测绘地理信息相关单位，13年开始研究和应用倾斜摄影技术是先驱，14年开始是先进，15年若仍然没动就已经落伍了。
本文将简要介绍倾斜摄影技术的方方面面，并重点探讨倾斜摄影技术将在多个行业应用中发挥，最后分析倾斜摄影下一步可能的发展方向及其需要解决的问题。
(一)什么是倾斜摄影
倾斜摄影技术是国际测绘领域近些年发展起来的一项高新技术。它改变了以往航空摄影测量只能使用单一相机从垂直角度拍摄地物的局限，通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从垂直、侧视和前后视等不同角度采集影像，获取地面物体更为完整准确的信息(如图1)。以倾斜摄影技术来获取影像数据作为素材，进行人工或自动化加工处理后得到的三维模型数据的过程，称之为“倾斜摄影建模”。得到的三维模型，称为“倾斜摄影模型”。
图1. 倾斜摄影航拍示意图
(二)倾斜摄影技术特点及其优势
传统的三维建模方式以人工建模为主。人工建模虽然具备效果绚丽、不受时空限制等优点，但其投入巨大、费时费力、无法全面真实反映现实世界、且精度难以保证等缺点，成为三维GIS进一步发展应用的瓶颈。
基于倾斜摄影获取的影像数据，可通过专业的自动化建模软件生产三维模型。自动化建模工艺流程一般会经过多视角影像的几何校正、联合平差等处理流程，运算生成基于影像的超高密度点云，点云经过抽稀后构建三角面片的模型骨架，再自动贴合拍摄的倾斜影像，由此生成高精度和高分辨率的三维模型。
倾斜摄影建模由于通过飞行器采集倾斜影像，通过软件计算自动生成模型，极大减少了人工的投入，成本大大降低，大致为人工建模的1/2到1/3。倾斜摄影在获取了倾斜影像之后，主要是通过计算机实现自动化建模，其生产效率可以达到每平方公里费时三小时，即50平方公里可以在一周之内生产完毕。单从建模阶段同人工建模每人月0.2-0.3平方公里的效率相比较，两者生产效率可达到1:600。
倾斜摄影由于航摄时可搭载高精度的定位设备，以及通过地面控制点的辅助，其平面和水平误差可控制在20-30厘米，甚至在15厘米之内，达到大比例尺地图的精度要求。对比人工建模依赖底图的平面精度和人工判断误差高达数米的高程精度，具备明显的优势。倾斜摄影建模由于是在航拍影像的基础上，通过计算机自动构建的，不会存在人工建模时人为的选择性构建和修饰过程，可以还原真实世界的完整面貌，实现全要素覆盖的三维建模。
综上所述，倾斜摄影自动化建模由于其技术机制，对比传统的人工建模方式，具备高效率、高精度、高真实感、低成本 “三高一低”优势，将极大改变三维地理信息应用的现状，构筑出广阔的应用新前景。
(三)倾斜摄影国内外发展情况
倾斜摄影技术最初起源于国外，引发国内外广泛关注的是苹果公司收购C3公司采用的自动建模技术，之后倾斜摄影相机、倾斜摄影自动化建模软件分别得到快速发展。相机包括以色列VisionMap公司的A3系统，徕卡公司的RCD30和微软公司的UCO等；自动化建模软件包括AirBus公司的“街景工厂”，被Bentley收购的Smart3DCapture等。
2013年，国家测绘地理信息局集中采购了三套“街景工厂”，并发给黑龙江、陕西、四川三个国家直属局，加上河北省测绘院自行采购的“街景工厂”，这些测绘单位作为倾斜摄影领域的先行者，对倾斜摄影技术做了有效的探索和验证，并由此激发了国内市场，引得众多测绘相关单位纷纷效仿，极大地促进了倾斜摄影技术在国内的应用发展。与此同时，倾斜摄影航摄仪、倾斜建模和修补软件、三维GIS应用平台等相关软硬件产品也在国内如火如荼的发展起来。
事实上，随着国内倾斜摄影热潮的不断掀起，目前国内的数据生产和应用已经走在了国际先进行列。由于中国特殊的地理国情，国外软件产品已经开始积极寻求改变以适应日益增长变化的国内市场需求。中国将是倾斜摄影应用的大载体，相信在不远的将来，中国也将成为倾斜摄影技术发展的有力推动者。
(一)倾斜摄影产业链组成
倾斜摄影技术涉及到多个领域，包括软硬件、航飞、建模和应用等多个环节。从上下游产业链的角度可以划分五个主要环节，如图2所示：
倾斜摄影航摄平台
飞行平台
倾斜摄影相机
倾斜摄影航飞
倾斜摄影数据处理
三维GIS平台
行业应用
图2. 倾斜摄影产业链组成
具体包括：
1)倾斜摄影航摄平台的研制，主要包括飞行平台(如动力三角翼、无人机等)和倾斜摄影相机两大块；
2)倾斜摄影航飞，即具体承担航飞的实施，以获取倾斜影像数据；
3)倾斜摄影数据处理，主要包括基于倾斜影像的全自动或人工干预建模，以及大比例尺地形图测绘等，同时也能提供传统的4D产品(DSM、TDOM、DEM、DLG等)；
4)支持倾斜摄影数据成果的三维GIS平台的研制；
5)基于倾斜摄影数据成果和三维GIS平台的应用开发。
(二)倾斜摄影应用关键技术
倾斜摄影产业链中涉及诸多技术环节，除了硬件设备的研发，软件方面的关键技术集中于自动化建模技术和平台应用技术。目前自动化建模技术主要掌握在国外，国内有企业和科研院所正在攻关中，但尚未达到国产替代的程度。平台应用技术上国产软件则已经走到世界的前列，具体包括：海量数据加载技术、单体化技术、效果修补技术等。
海量数据加载技术指的是倾斜摄影模型数据量往往非常庞大，一平方公里的数据量在0.5-2GB之间，这样中小城市的建成区就能达到几十乃至上百GB。不过好在倾斜摄影自动化建模软件可以输出标准的OSGB格式，且数据本身就自导了LOD。利用数据自带的LOD，超图软件通过直接读取OSGB，并运用LOD来优化调度，做到再大的数据量也可以实现瞬间加载，性能非常流畅。
单体化技术是倾斜摄影模型由于生产工艺问题，最后的成果是连片的三角面片，并没有把建筑物等模型单独提取出来。而这样的数据只能用来看看，无法进行GIS的管理与应用。而尝试把建筑物进行物理分割，则又会造成效果差、打破原有LOD结构导致性能急剧下降等问题。可行的办法是叠加需要管理的建筑物的矢量底面数据，运用三维渲染技术，动态实现倾斜摄影模型上的高亮选中效果(如图3)。如此就打开了用于看的三维倾斜模型和用于分析管理的二维矢量底面之间的通道。基于此，还能轻松实现包括图查属性、属性插图、空间查询、专题图制作等一系列GIS能力，为倾斜摄影模型的深入应用打开了大门。
图3. 倾斜摄影模型的单体化
第三个关键技术是效果修补。倾斜摄影模型是软件算法自动生成，由于算法限制和拍摄角度等原因造成表面不够平整、底商效果不佳等问题，和人工建模存在明显差距。天际航软件可人工干预休整倾斜模型表面，以及参照街景影像修缮底商效果。超图软件则可通过自带水面符号弥补倾斜模型的水面空洞，还原波光粼粼的水面效果；以及通过配置点和三维符号来提供更好的树木等小品效果。
倾斜摄影技术优势体现在和人工建模的对比的三维模型构建上。倾斜摄影自动化建模所具备的“三高一低”(高效率、高精度、高真实感、低成本)的优势，将极大改变测绘地理信息在多个行业的应用，构筑出广阔的应用新模式。
(一)倾斜摄影在智慧城市中的应用
智慧的基础是真实，倾斜摄影为智慧城市的应用插上了“真实”的翅膀。具体而言，倾斜摄影在智慧城市中的应用可包括：
1、分类查询
通过配套矢量底面实现需要管理的各类地物的单体化，并赋予相应的属性信息。然后通过类别、区域、关键字等予以查询统计。
2、规划压平，方案对比
在规划应用中，可以在倾斜摄影模型上绘制特定区域，把该区域内的倾斜模型压平，以模拟拆迁后的状况。可提供多套方案的浏览、对比，辅助领导决策不同建设方案与当前城市实景的匹配度。
3、规划设计
支持直接在三维场景中添加规划的建筑、植被等设计数据，方便规划设计人员形成初步规划方案。
4、日照分析
规划新建一栋高楼，分析判断是否会造成原有小区居民楼日照时间达不到住建部的相关规定。
5、控高分析
利用规划城市的控高数据对实际城市建筑进行比对，直观标明超高建筑并显示其属性信息。
6、摄像头监控
可以运用倾斜摄影模型上标注摄像头的位置和朝向来确定所覆盖的程度，以及是否和应该在哪些位置增加新的摄像头。
7、地表开挖，地上地下一体化
支持把倾斜摄影模型的地表开挖，查看地下管线等设施的状态，实现地上地下一体化。
8、淹没分析
根据监测点水位数据，结合倾斜摄影模型分析出城市积水区域及面积以及受淹的建筑。
(二)倾斜摄影在智慧旅游中的应用
对于自然风光的三维建模，一直是一个难题，人工建模很难还原出大范围的自然风景，而用地形和影像则时效性和精细程度往往都达不到还原出风景的美观程度。而倾斜摄影技术由于其高分辨率和高真实感，能真实立体的还原自然风景的状况(如图4)。有利于景区特别是地质遗迹的保护、科普知识的宣传和直观展示自然风光，从而吸引游客前往观赏。
自然风景的倾斜摄影数据制作上往往分辨率高、数据量大，对三维GIS平台的支撑能力和稳定性提出了更高的要求。
图4. 倾斜摄影技术还原真实的自然风景(图为湖南崀山骆驼峰)
(三)倾斜摄影在不动产登记中的应用
3月，《不动产登记暂行条例》正式施行，无人机与倾斜摄影、三维建模技术相结合，成为最新的市场热点。由于具备快速高效低廉的特点，无人机与倾斜摄影、三维建模技术组成的“三剑客”，极有可能颠覆传统测绘行业，在国土资源、农业、工业等众多领域发挥作用。
经过验证，给予倾斜摄影技术获取的模型点平面位置精度、高程精度误差均小于0.15米，完全满足《1:500外业数字测图技术规程》需求。
无人机倾斜摄影用于不动产登记，通过获取正射影像图，建立三维模型，辅助外业指界签字调查，图上进行坐标量测，形成矢量图形，辅助外业进行修补测工作等一系列工作，极大程度上提高了不动产登记的效率。
(四)倾斜摄影在精细管理中的应用
在城市精细化管理中，管理到每一栋建筑物的粒度往往是不够的，而是要求能精细到楼房的每一层、甚至每一户房间。这就对三维模型提出了更高的要求，人工建模即便能实现，代价也是巨大的，需要对每一户房间单独建模才行。
倾斜摄影模型加上带有高度信息的分层分户图，可以做到每个建筑物每层楼甚至每一户房间的管理，包括查询和各类统计分析能力，再关联上户籍和人口信息库，这样户籍信息管理就可以和真实世界关联在一起，而不再只是数据库中孤立的信息了(如图5)。
图5. 基于倾斜摄影模型的精细化管理
(五)倾斜摄影在应急救援中的应用
应急救援行业是为了预防和控制潜在的事故或紧急情况发生时，迅速有序的做出应急准备和响应，最大限度地减轻可能产生的事故后果。在做出应急决策时，首要条件是对发生事故的位置的地形地貌有一个全面了解，遥感影像满足要求，因现场环境情况的变化，对影像数据的获取时间、范围、精度、生产效率及分析应用都有极高的要求，而倾斜摄影不论在起飞场地、飞行时间上，还是在数据生产效率、数据精度等方面都完全满足应急救援的需求。
例如在地震救灾中，抗震救灾指挥部除了可以利用遥感现势图研判灾害形势外，还多了一个救援利器——震区三维实景图，通过切换各种视角，实现了对震区各个方位的观测，为制定下一步的救援方案以及防止次生灾害的发生提供了极大便利。震区三维实景图就是利用倾斜摄影测量技术及自动建模技术快速生成三维模型，为救援实施提供了依据。
(六)倾斜摄影在其他领域的应用
综合倾斜摄影建模的诸多优势，还可以在其他领域开创出多种新的应用。
在电力巡检、移动基站选址等应用中，需要真实的、带有建筑等全要素的三维地表信息作为基础底图参考，用传统地形加影像的方式很难达到其精度要求，并且也无法做到全要素覆盖，那么倾斜摄影模型就非常符合这类应用的需要。
在城乡拆迁重建时，也可以利用倾斜摄影建模来完整准确的获取拆迁前各类建筑的真实状况，以作为后续赔偿乃至纠纷发生时的客观依据。
倾斜摄影模型实质上就是带有建筑物等各类地物的数字地表模型，完全可以取代传统地形加影像所发挥的作用，且精度更高、时效性更强。例如露天煤矿的容量统计、推平山头或填平山谷所需要的土方量计算，都可以基于倾斜摄影模型来完成。甚至还有人尝试基于倾斜模型来评估农作物的生长情况，从而预估其产量。
可以预测，随着倾斜摄影技术的进一步发展，精度、效率、成本上的优势进一步增强，原有的很多应用都将迁移到倾斜摄影技术上，并且还将继续开拓出更多新的应用模式。
(一)倾斜摄影进一步发展和应用展望
倾斜摄影开启了一扇前景无限广阔的大门，虽然我们现在就已经可以把倾斜摄影应用到多个新领域;其实我们只要稍加发挥想象力，倾斜摄影后续还可以挖掘出更多的宝藏。
1、互联网应用
在互联网应用上，我们再环顾四周，无论是Google Earth还是诺基亚出售的heremap，其欧美国家主要城市区，展现出来的都是通过倾斜摄影技术所制作的真三维模型。超图软件近期已经研制出基于HTML5+WebGL三维无插件客户端，互联网应用的一大瓶颈已经消除.相信随着倾斜模型的保密性问题解决，以及4G乃至5G网络的发展，中国互联网地图很快就会从2维和2.5维地图升级为三维地图，互联网地图的应用又将得到迎来又一次升级换代。手机地图上所见即所得的真三维场景将进一步降低地图使用的门槛，大幅度提高用户体验，下至三岁小孩、上至八十岁老人，都能轻松使用。
2、 自动驾驶和无人机快递
我们进一步设想，随着微型无人机的快速发展，人人的手提包中都将有一个玩具无人机。在不久的未来，三维模型数据也将由专业机构才能生产、转变为人人都能制作的UGC(用户生产内容)模式。网络上共享的三维模型，将极大的丰富。而随着倾斜摄影技术精度的进一步提高和倾斜模型数据的极大丰富，基于完全符合现实状况的三维倾斜模型将进一步提升汽车自动驾驶能力，自动驾驶使得开车不再成为烦恼而是成为一种享受。而基于倾斜模型数据的无人机快递，将再一次颠覆物流行业，使得互联网购物的体验进一步增强。
3、沉浸式三维体验
效果更好的倾斜摄影真实模型，结合三维眼罩等虚拟现实装备的发展，随时随地、自由的选择世界任意地点进行自由翱翔也将成为可能。届时，“黑客帝国”中的场景将不再是科幻。
对于倾斜摄影技术本身，也有科学家在探讨是否能采用卫星实现倾斜影像的获取。若能实现，则又是倾斜摄影技术上的一大突破。
(二)倾斜摄影进一步发展需要的问题
虽然倾斜摄影技术在近年来获得了快速发展和推广，但也应清楚的认识到倾斜摄影的进一步发展仍有不少需要解决的问题。这里既包括技术本身的问题，也包括相关技术乃至技术之外的问题。
1、国产自动化建模软件亟待突破
倾斜摄影技术的一个关键环节是自动化建模软件。国内主要普遍采用的是从法国引入的街景工厂和Smart3D。虽有不少国内企事业单位在从事这方面研究，但目前仅有无限界公司一家拥有完全自主核心技术的全自动三维建模系统，为打破该技术国际垄断奠定了一定的基础。
2、模型效果仍需提高
在建模的效果上，天际航等软件可以通过人工干预予以部分修补。但更经济和更多的效果提升还需要倾斜影像拍摄过程和自动化建模算法的提高。包括：对容易出现漂浮在半空的树干、电线杆等较为细碎物体上的处理能力;对于拍摄不到的位置会出现空洞和板结的处理能力;对于建筑物的底商效果，除了人工干预修补，能否加入街景数据建模以取得更好效果也是一个重要课题。
3、建模精度需要进一步增强
在建模精度上，虽然现在精度已经不错，但若要作为自动驾驶的数据基础，则还需要进一步提升。例如对于车辆是否开上去的马路牙子，则必须精确到厘米级别。而对于地下通道和地下车库的建模能力，也是必须考虑在内的。
4、亟待矢量底面的自动化提取能力
倾斜模型的GIS应用，获取建筑物对应的矢量面是一个绕不过去的坎。通过自动化建模软件配套生成的正射影像来人工勾画虽然是一个办法，但毕竟费时费力。已有厂商在研究在倾斜模型之上自动提取矢量面，但成果尚不成熟。
5、互联网应用尚需多方位突破
倾斜模型的高精度特性，要进行互联网公众应用就必须解决数据保密性的问题。由于倾斜摄影技术在国内也是近年来新出现和发展起来的，对于导航电子地图已经成熟的数据保密办法和脱密方法，尚未对应到倾斜模型数据上。政策上的空白也是导致该领域观望不前的重要原因。而倾斜影像航摄采集最大的政策因素是空域的申请和使用，特别是频频出现事故的低空飞行无人机，亟待进行低空空域管理改革。
(三)倾斜摄影联盟的成立及其作用
面对倾斜摄影给三维空间信息产业带来的发展机遇，2014年6月，由十家倾斜摄影产业链中的企事业单位发起成立了全国倾斜摄影技术联盟。联盟成员通过共同努力，使倾斜摄影技术快速地在智慧城市、智慧景区、智慧农场、城市规划、应急救援、公安反恐、不动产登记、文物保护、工程测量、竣工测量、军事国防等行业和领域得到广泛使用。2015年4月开始，联盟启动百城巡展活动，目的是深度推广倾斜摄影技术，使其更好地服务于各行各业，同时与业界分享联盟成员所探索创新的成果，为倾斜摄影技术在全国的推广使用起到的非常积极的作用。
倾斜摄影作为在传统航空摄影之上发展起来的新技术，由于其增加了不同角度的相机拍摄，使得采集的信息更全面，并在自动化建模软件的支撑下能快速、低成本的构建出逼真的三维模型；从而使得倾斜摄影技术得到蓬勃发展，并具备广泛的应用前景。可以说，倾斜摄影开辟了一条地理信息应用的新道路，在这条大道上，还将不断的有新的应用模式被发掘出来。
在这样一个技术大变革的时代，在倾斜摄影技术蓬勃发展的时代，倾斜摄影产业链上的所有成员，都将抓住历史机遇，奋勇争先，努力创新，为改进倾斜摄影技术环节上的点点滴滴贡献自己的一份力量，为倾斜摄影技术更好更快地应用到地理信息产业和社会生活的方方面面贡献自己的一份力量。
作者简介
曾志明：北京超图软件股份有限公司平台软件研发中心副总经理
来源：《测绘地理信息蓝皮书》（版权归原作者和刊发媒体所有）
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编辑：冯昭懿 李秀娟
审核：林佳璐 李茂永
指导：万剑华教授(微信号wjh18266613129)
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