機載傾斜攝影數據在三維建模及單斜片測量中的應用

摘 要：對傳統的常規攝影測量系統進行了一定的改進和優化之后，產生了新型攝影測量系統——機載傾斜攝影測量系統。這種新型的測量系統可以獲得地物立面的文理和幾何的相關信息，有助于構建較為精確的數字城市。根據當前機載傾斜攝影的發展情況，作者將對機載傾斜攝影數據在三維建模和單斜片測量中的應用進行相應的探索和論述，為驗證和推廣機載傾斜攝影測量系統的優良性能提供可用參考。

關鍵詞：機載傾斜攝影；測量系統；三維建模；單斜片測量

引言

新時代以來，隨著常規攝影測量技術的不斷發展，將傳統的航空攝影技術和數字地面采集技術相融合之后，衍生出了一種機載多角度傾斜攝影的高新技術——傾斜攝影技術。該技術可以通過搭載在同一飛行器上的多臺或多種傳感器同時獲得同一地面的不同角度的影像，比起傳統的航空攝影技術來說，可以更加真實、可靠地獲取地面實際情況。在人們長期的研究和發展中，該技術的應用范圍已擴展到測繪、國土安全和城市管理等各種領域，并在長期的使用中逐漸趨于成熟。

1 機載多角度傾斜攝影測量系統簡介

該測量系統的基本功能模塊由傾斜攝影數據獲取技術和相應的數據處理技術兩大部分共同組成。將攝影相機和機載GPS接收機以及高精度的IMU進行高度集成之后，系統可以以此來提升自身的功能特性。在這三個集成組分中，攝影相機負責提供地物影像信息，GPS和IUM則分別負責提供地物的位置和狀態信息，三者齊心協力共同支撐系統的功能。在測量系統中可以依靠集成定位設備（或者空中三角測量處理）來為拍攝到的影像提供對應的位置信息，以供后續的數據處理環節使用。傾斜攝影測量系統使得遠距離測量和分析突破了模型的限制，能夠在傾斜航片上開展。傾斜影像資料在三維建模中發揮著重要的作用，可以明確地面紋理、屋頂紋理和部分立面紋理。傾斜圖像可以使用戶更加便利的使用地理信息，可以提升地理信息使用覆蓋率增加的速度，更加充分地發揮地理信息在社會生產生活進行和發展過程中的積極作用。

2 對傾斜攝影測量系統的研究現狀及成果

國外早在上世紀90年代就展開了對傾斜攝影測量系統的研究，并在長時間的研究和應用過程中逐漸成為當前研究的熱點和市場的使用方向。其中美國Pictometry公司便是最早進行該研究的公司，而且由其研發的傾斜攝影系統已在北美和歐洲等地得到了廣泛的使用，并影響著人們對地理信息的使用和獲取方式。我國在2010年，首次引進傾斜攝影技術，并將其應用與獲取傾斜攝影數據。該技術的引入和運用，開辟了我國搖桿影像應用的新視野，并提高了我國在數字城市建設方面的基礎數據獲取能力和效率。而且，在數據處理方面，我國的華正空間（武漢）軟件技術有限公司自主研發了基于航空傾斜攝影的地理空間信息和應用平臺系統（3DRealWorld）。由華正空間自主研發的該系統，可以為公共安全和應急指揮、通訊以及城市規劃和軍事等行業提供真實性和可靠性較好，且具有可測性的三維空間信息服務。為社會公共事業和社會經濟、國家安全的發展和壯大提供了一條極好的路徑。在不斷的發展中，傾斜攝影技術拓展了傳統的垂直影像，其功能和觀測面獲得了極大地擴展，具體表現如下：（1）可以直接觀測到建筑物的立面；（2）可以直接在影像之上測量物體的長寬高、面積等物理屬性；（3）可以對電桿和燈桿等物體進行識別；（4）完善了其數據信息的可讀性；（5）拓寬了憑借傾斜攝影的3D觀測GIS數據的手段。另一方面，傾斜攝影獲得的資料可以用于三維建模，還可以通過數字攝影測量技術或者激光雷達得到的DSM來建立建筑物的幾何模型。而對于真實圖像的紋理細節的3D模型而言，則可以通過傾斜航空影像技術與3D塊狀模型技術的相關組合交匯得到。

3 機載傾斜攝影數據在三維建模中的應用

機載傾斜攝影測量系統在三維建模中應用的主要任務主要有兩個，一是獲取飛行拍攝的多角度影像，二是同步記錄各種可靠數據資料，如POS數據和該拍攝區域內DSM數據以及矢量圖形數據等。在對這些獲得的數據資料進行更進一步的必要處理后，就可以開始建立基于機載多角度傾斜攝影影像的三維測量系統。該過程的基本和重要環節可以概括為如下的八個：利用POS進行傾斜攝影高精度空中三角測量——影像數據及輔助數據管理與檢索——DSM數據管理與檢索——矢量數據管理與檢索——影像與DSM融合——影像與矢量數據融合——基于影像的三維測量與建模——給予WEB的查詢應用。通過這八個環節，提供了航拍時同步記錄、數據管理和檢索、數據訪問接口、DSM數據和矢量數據管理與檢索、影像與圖形和數據的整合重組以及查詢功能，最終實現了傾斜影像的三維建模功能。

在進行三維建模過程中，還可以使用三維建模技術，該技術的設計思路與基于機載多角度傾斜攝影影像的三維測量系統大體相同。在整個設計過程中涉及到的功能模塊有傾斜攝影影片定位（除DOP、POS和GCP數據外，還需用到光束法區域網平差和高精度位置姿態數據，才能得到經過定位定姿的DOP數據）、基于傾斜攝影影像的三維測量以及基于DOP的三維建模。基于傾斜攝影影像的三維測量的流程涉及到三個環節：LDOP和矢量圖形數據——DOP/適量圖形配準——基于影像的三維測量（測量的內容包括位置、長度、高度和面積以及視線等），同時LDOP也可直接進入最后一環，即同時進入第二環和第三環。基于DOP的三維建模與上述三維測量環節類似，也分為三個環節：LDOP數據和建筑物的矢量圖形數據——建筑物幾何模型側面紋理自動（半自動）映射處理——帶真是紋理的3D模型。

4 機載傾斜攝影數據在單斜片測量中的應用

在一些基礎的數據產品中，單斜片測量技術可以對單張斜片進行某些參數的應用測量（諸如地物的高度、面積和長度以及距離等參量的測量）。進行單斜片測量中不可或缺的資料有：（1）五臺相機傾斜攝影影像資料；（2）POS數據（或者空中三角加密成果）；（3）包含斜片地幔覆蓋范圍的測量區域DEM、DOM數據。另外，單斜片測量的整個過程中，測量的思路可以歸納為以下環節：以獲得的必要數據資料為基礎建立待測斜片與DOM數據之間的聯系——得到一定程度上的傾斜糾正影像——對斜片的一些必要參數進行相應的測量，順著這一思路走即可得到單斜片測量的雛形。在進行單斜片測量時，常用的方法有兩種：一是根據DEM來確定動態比例尺，進而計算長度和面積；二是使用景物的特征進行約束，如垂直線或者水平線條件約束，再通過計算坐標的方式獲取長度測量值。

5 結束語

機載多角度傾斜攝影測量系統較多角度攝影測量系統而言，測量角度多變且豐富，既能夠實現常規的地表三維測量，又可以同時獲得更加豐富、完整的地表覆蓋數據，將地表三維測量的精確度提升到了更高的水平。另外，該測量系統的應用也大大提升了地物信息的使用效率和獲取精度，使得人們調用地理信息的操作更加簡潔迅速。從文章中的敘述也可知，這種攝影測量系統在數字城市規劃中將會產生更加重要的影響和作用，引導數字城市規劃的發展方向。

參考文獻

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