倾斜摄影测量技术应用及展望

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导读

倾斜摄影测量技术作为一个新兴的技术方法在三维建模和工程测量中有广泛的前景，文中分析了倾斜摄影测量技术的发展概况、基本原理及外业数据获取，探讨了影像数据的匹配、正射影像纠正以及平差等处理的关键问题并进行总结，详细地介绍了无人机用于倾斜摄影测量的现状及其优越性，对目前倾斜摄影测量精度、存在问题及未来发展进行了描述，通过本文可以快速地了解倾斜摄影测量的技术，并为三维建模提供了一个快速、高效的新方法，展现了倾斜摄影测量技术在测绘领域的巨大潜力。但国内倾斜摄影测量技术仍处于实验和推广阶段，同时还存在一些因素限制其发展，仍需要进一步的研究。

关键词：倾斜摄影测量技术;影像匹配;三维建模;无人机

倾斜摄影测量技术是近年来发展起来的一项新的测量技术。它改变了以往航测遥感影像只能从垂直方向拍摄的局限性，倾斜摄影测量技术通过多台传感器从不同的角度进行数据的采集，快速、高效获取丰富的数据信息，真实地反映地面的客观情况，满足人们对三维信息的需求。目前，倾斜摄影测量技术已经应用于实际的生产实践。

本文针对倾斜摄影测量的发展及应用现状、特点、影像的匹配以及摄影测量技术的优势等问题进行了详细的描述，并对数据的处理过程以及存在的问题进行总结。倾斜摄影测量技术作为新兴的高科技成果，它的出现满足了人们的需求，具有广泛应用前景。

1、倾斜摄影测量概述

1.1倾斜摄影测量技术

通过在同一飞行平台上搭载5台传感器，同时从一个垂直、四个倾斜五个不同的角度采集影像，拍摄相片时，同时记录航高，航速，航向和旁向重叠，坐标等参数，然后对倾斜影像进行分析和整理。在一个时段，飞机连续拍摄几组影像重叠的照片，同一地物最多能够在3张相片上被找到，这样内业人员可以比较轻松地进行建筑物结构分析，并且能选择最为清晰的一张照片进行纹理制作。向用户提供真实直观的实景信息。影像数据不仅能够真实地反映地物情况，而且可通过先进的定位技术，嵌入地理信息、影像信息，获得更高的用户体验，极大地拓展遥感影像的应用范围。

1.2倾斜摄影技术特点

1.2.1反映地物真实情况并且能对地物进行量测

倾斜摄影测量所获得三维数据可真实地反映地物的外观、位置、高度等属性，增强了三维数据所带来的真实感，弥补了传统人工模型仿真度低的缺点。增强了倾斜摄影技术的应用。

1.2.2高性价比

倾斜摄影测量数据是带有空间位置信息的可量测的影像数据，能同时输出DSM、DOM、DLG等数据成果。可在满足传统航空摄影测量的同时获得更多的数据。同时使用倾斜影像批量提取及贴纹理的方式，能够有效地降低城市三维建模成本。

1.2.3高效率

倾斜摄影测量技术借助无人机等飞行载体可以快速采集影像数据，实现全自动化的三维建模。实验数据证明：1～2年的中小城市人工建模工作，借助倾斜摄影测量技术只需3～5个月就可完成。

1.3倾斜摄影测量的关键技术

1.3.1多视影像联合平差

　　多视影像不仅包含垂直摄影数据，还包括倾斜摄影数据，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、GPU/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。

1.3.2多视影像密集匹配

　　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，分辨率高等特点。因此，如何在匹配过程中充分考虑冗余信息，快速准确地获取多视影像上的同名点坐标，进而获取地物的三维信息，是多视影像匹配的关键。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，因此，近年来随着计算机视觉发展起来的多基元、多视影像匹配，逐渐成为人们研究的焦点。目前，在该领域的研究已取得了很大进展，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，可以设置若干影响因子并给予一定的权值，将墙面分为不同的类，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，再通过对侧面进行重构，提取出建筑物屋顶的高度和轮廓。

　　1.3.3数字表面模型生成和真正射影像纠正

　　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，充分地表达了地形地物起伏特征，已经成为新一代空间数据基础设施的重要内容。由于多角度倾斜影像之间的尺度差异较大，加上较严重的遮挡和阴影等问题，基于倾斜影像的自动获取DSM存在新的难点。可以首先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，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，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DEM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。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，如图1所示，倾斜摄影测量数据处理流程。

图 1 倾斜摄影测量数据处理流程

1.4倾斜摄影技术的应用

由于倾斜影像为用户提供了更丰富的地理信息，更友好的用户体验，该技术目前在欧美等发达国家已经广泛应用于应急指挥、国土安全、城市管理、房产税收等行业。在国内政府部门用于：国土资源管理、房产税收、人口统计、数字城市、城市管理、应急指挥、灾害评估、环保监测。企事业单位：房地产、工程建筑、实景导航、旅游规划等领域。

1.5倾斜摄影测量数据的处理

倾斜摄影测量数据处理常用的软件：

国外：美国Pictometry公司推出Pictometry倾斜影像处理软件、法国Infoterra公司的像素工厂、徕卡公司的LPS工作站、AeroMap公司的MultiVision系统、Intergraph公司的DMC系统、Astrium公司StreetFactory系统等软件。

在国内主要有：红鹏公司推出的无人机敏捷自动建模系统、超图软件公司的SuperMapGIS7C软件、立得空间公司的LeadorAMMS以及武汉天际航公司的DP-Model-er等倾斜摄影测量软件。

2、无人机倾斜摄影测量概况

无人机具有机动、灵活、快速、经济等特点，以无人机作为航空摄影平台能够快速高效地获取高质量、高分辨率的影像，无人机在摄影测量中的优势是传统卫星遥感无法比拟的，越来越受到研究者和生产者的青睐，大大地扩大了遥感的应用范围和用户群，具有广阔的应用前景。无人机倾斜摄影测量已经成为未来航空摄影测量的重要手段和国家航空遥感监测体系的重要补充，逐步从研究开发阶段发展到了实际应用阶段。

在国外，美国航空航天局将无人机应用于森林火灾监测、精确农业、海洋遥感等研究项目。澳大利亚利用全球鹰搭载成像SAR进行海洋监测研究。在国内，红鹏公司微型无人机倾斜摄影系统将无人机技术与倾斜摄影技术有效地结合，自主研发完成了一套微型无人机倾斜摄影系统，包括电动六旋翼无人机、五相机倾斜摄影吊舱、降落伞模块、控制模块等。系统具有成本低、飞行可靠性高、操作使用简单、起飞和着陆场地要求低。定位精度与影像分辨率高等特点，可以满足倾斜摄影测量与快速三维建模对数据获取的要求。目前国内外尚无类似微型倾斜摄影产品平台，弥补了微型超低空低成本获取倾斜摄影测量高分辨率数据的空白，可为测绘、规划、应急、公安、旅游文化等行业提供低廉、高效、敏捷的数据支持与服务，提高了精细三维数据灵活快速获取的能力。应用成果已在公安、应急、测绘、旅游、环保等行业得到了应用验证，获得了用户的好评。社会经济效益显著，具有重要的示范作用和推广价值。目前倾斜摄影测量能达到的精度见表1。

表1目前倾斜摄影测量的分辨率实例

3、倾斜摄影测量技术存在的问题

　　1)倾斜航空摄影后期数据影像匹配时，因倾斜影像的摄影比例尺不一致、分辨率差异、地物遮挡等因素导致获取的数据中含有较多的粗差，严重影响后续影像空三精度。然而，如何利用倾斜摄影测量中包含了大量的冗余信息进行数据的高精度匹配是提高倾斜摄影技术实用性的关键。

　　2)倾斜摄影测量所形成的三维模型在表达整体的同时，某些地方存在模型缺失或失真等问题。因此，为了三维模型的完整准确地表达需要进行局部区域的补测，常用方法是人工相机拍照或者使用车载近景摄影测量系统进行补测。

　　3)随着科技的发展无人机作为倾斜摄影测量实用的载体，为了增加其便携性和灵活性，无人机的续航能力不强，因此，电池的续航能力成为其推广的限制条件，研制体积小长续航的电池迫在眉睫。

4、展望

　　近几年，倾斜摄影测量技术得到了迅速的发展，由于倾斜摄影测量技术能够获取建筑物、树木等地理实体的纹理细节不但丰富了影像数据源信息。同时，高冗余度的航摄影像重叠，为高精度的影像匹配提供了条件，使得基于人工智能的三维实体重建成为了可能。分层显示技术、纹理映射技术成为倾斜摄影测量和建模的关键支撑点，极大地提升了三维建模的效率，同时也降低建模的生产成本。目前，基于倾斜摄影测量成果的应用还比较少，因此，大量的应用创新点挖掘还需要逐步深入。同时我们不能局限于倾斜摄影测量技术，还需要研究其与雷达、红外、多光谱、高光谱等多种的传感器的结合，将他们集成在更小的无人机上拓宽摄影测量技术的应用范围，未来基于点云数据计算的大规模三维数据生产使得工程测量、三维建模等工作进行颠覆性的变革，开启三维遥感的新时代。

5、结束语

　　本文讲述了倾斜摄影测量的特点、基本原理、关键技术以及无人机在倾斜摄影测量中的应用。传统的遥感测量手段采用的正射影像方法只能是在垂直方向对建筑顶部进行模型重建，而对侧面的三维重建一直缺少有效的解决手段。倾斜摄影技术的出现有效地解决了这一难题，倾斜摄影测量将基于立体像对和点特征的传统摄影测量技术推向了基于多视影像和对象特征的实时摄影测量技术。基于倾斜摄影测量的优势可以得出以下结论：

　　1)目前对大数据的需求逐渐变大，而倾斜摄影测量所得影像数据可以转化成DLG、D0M与DSM等不同数据格式，并且能对数据进行矢量化等操作，大大增加了其使用的范围，满足不同的工程需要。

　　2)倾斜摄影测量技术具有高效率、高真实性、以及快速获得海量空间数据的特点，但在倾斜摄影测量数据处理过程中对于影像数据的匹配和整体三维模型的表达方面还不成熟。若研究出高精度的影像数据匹配方法以及去除冗余信息增强运行的效率，而不影响建模实体效果，将能大大增强其实用性。

　　3)无人机的应用促进了倾斜摄影测量的发展，由于无人机的便携性、快速、灵活的特点，具有很强的使用价值。目前，无人机进行实际测量在实践中得到的结果很理想，相信随着技术的发展，以后会更加成熟，应用的领域会越来越宽广。但无人机的续航问题在一定程度上限制了倾斜摄影技术的发展，需要进一步的研究。

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来源：测绘与空间地理信息 第39卷 第1期（版权归原作者及刊载媒体所有）

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编辑：游志龙 卞艺潼

审核：王怡波

指导：万剑华教授(微信号wjh18266613129)