傾斜航空攝影技術發展及其在數字城市建設中的應用

花斌 王俊剛

摘 要：本文論述了傾斜航空攝影及傾斜數碼航空攝影的發展，結合國內實際試驗情況概述了三維數字城市建設中傾斜航空攝影技術的應用，分析了傾斜航空攝影的技術路線，并對傾斜航空攝影技術未來的發展進行了展望。

關鍵詞：POS 傾斜攝影 地面分辨率 空中三角測量 紋理

1.引言

傾斜航空攝影技術興起于20世紀20年代的，最初多應用于軍事領域，后來隨著計算機的發展以及20世紀90年代末GPS和慣性導航組合技術的出現，使得傾斜攝影技術的發展有了新的契機。安裝在航空攝影相機上的GPS和慣性設備，能夠在拍攝時刻獲取傾斜影像在空中的位置與姿態參數，使得后續影像的排列與計算以及自動化處理成為可能。

傾斜航攝技術是航空攝影技術發展的新方向，區別于以往傳統的航空攝影，它不但可以獲取地面景物的垂直影像，而且可以同步獲取地面景物的側視影像，為地面景物的多方向瀏覽和城市三維建模提供了可靠有效的數據源。

2.主流傾斜數碼航攝儀的發展

目前而言，國內外主要的傾斜攝影航攝儀主要有以下幾種：見表1。

美國Trimble公司AOS相機，采用PhaseOne數字后背，三鏡頭旋轉伸縮式結構，可以和現有的陀螺穩定平臺搭載，相機幅面較大。像幅大小從5k*7k、7k*9k、8k*10k不等，像元大小分別為6.8μ、6μ、5.2μ，焦距可選。此航攝儀影像幅面最大，飛行效率最高，能和現有陀螺穩定平臺結合，飛行質量較好，但鏡頭的旋轉工作方式的穩定性有待驗證

德國IGI公司Penta_DigiCAM相機，為5鏡頭結構，單個鏡頭為 390 0 w像素左右，幅面5k* 7k左右，像元大小為6.8μm，采用垂直50mm，傾斜80mm鏡頭組合方式。

美國P i c t o m e t r y公司PentaView相機，此公司主要做技術服務工作，屬于整體流程，航攝儀為自用型，垂直選用65mm焦距，傾斜選用85mm焦距，像元大小為7.2μm，單個鏡頭為2000萬像素左右。此設備飛行效率很低，在國內通用航空也不是很發達的情況下，難以體現出其價值。Penta View獲取的影像主要用于垂直與傾斜影像的關聯瀏覽查看，三維建模數據較少。

荷蘭TrackAir公司的MIDAS相機，成型時間較早。鏡頭結構為5個鏡頭組合，其中一個下視鏡頭，四個傾斜鏡頭用于獲取前后左右四幅傾斜影像，采用鏡頭為CANON鏡頭，航攝儀幅面（20 0 0萬像素）較小，由于選用的單個相機不是量測型相機，在影像后處理時的精度問題有待驗證。

目前，國內也有一批傾斜數碼航攝儀也正處于研發過程中。

3.傾斜航空攝影的技術路線

傾斜攝影技術的發展離不開航攝儀的發展，然而海量的垂直與側視影像的處理與應用才是傾斜攝影技術發展的關鍵所在。現階段世界上還沒有公司或者產品能夠為傾斜航空攝影提供完整的解決方案，所以傾斜航空攝影和傾斜攝影測量的技術路線還處于摸索當中，概略的來講，可以分為以下幾個階段：

（1）數據預處理

航空攝影是一種對地觀測技術，攝影位置距離地面較遠，直接獲取的原始影像數據，需要經過輻射檢校、勻光、勻色等步驟才能客觀反映地物的現狀，而傾斜攝影由于受拍攝角度、背光、逆光等因素的影像，影像的預處理更為重要；

POS數據處理，通過POS技術配套軟件解算修正IMU（慣性測量單元）與航攝儀安裝視準軸誤差，解算出垂直與傾斜影像所對應的外方位元素提供給后處理應用。

（2）攝影測量處理

傾斜航攝獲取的單張影像的地面分辨率不一致，檢校軟件又無法完全修正其對應線元素和角元素的誤差，就需要利用自動空中三角測量，高精度影像匹配技術、數字相關技術，解算高精度的影像與地面的數學關系。進而生產高精度的數字高程模型，利用數字糾正制作正射影像圖。對于垂直鏡頭獲取的影像進行常規的攝影測量后處理，使其可以繼續應用于4D產品的生產。

（3）傾斜與正射影像的關聯瀏覽

傾斜與正射影像的關聯瀏覽是目前傾斜航攝技術應用最多、最成熟同時也是可以在最短周期內獲得的測繪產品。利用攝影測量處理后的準確的空間數學關系，在正射影像上指定一點位置，迅速調用對應位置的前后左右四幅傾斜影像，并可以基于傾斜影像進行高度、坡度、角度、面積的快速測算、為公安消防應急處理、面向公眾的信息查詢決策服務提供空間地理信息數據。

傾斜與正射影像的關聯瀏覽更容易獲知地面建筑物的細節特征，可以為不同用戶提供更為豐富的空間信息查詢。

（4）城市三維建模和半自動紋理貼合

在垂直、傾斜影像中自動提取建筑物的點、線特征。并進行傾斜影像的直線特征的同名匹配，即由高精度數字地面模型和立體觀測建立初始的建筑物幾何模型，運用最小二乘匹配，顧及多視影像的幾何約束的限制條件來完成傾斜影像的直線同名匹配，實現傾斜數字影像與高精度數字地面模型配準。

獲取影像外方位元素，通過序列影像的直線同名匹配，然后修正建筑物的幾何模型，達到影像中的地物輪廓與地物的幾何模型匹配，物方坐標系和相方坐標系建立空間對應關系；選取地物最優的影像紋理，計算出傾斜和垂直影像的紋理坐標，完成建筑物的紋理重建與自動貼合。

（5）三維影像的編輯與修飾

可對三維地形進行編輯及修改，包括DEM的切割與合并， DEM的批量或單模型修正與過濾，按照地貌特征及地表植被、建筑物等因素分區域自動構建三角網，結合DOM影像進行三角網編輯整理，根據需要輸出不同格式要求的DEM數據。

由于應用了透視變換，這就造成傾斜和垂直影像中，建筑物墻面紋理均有一定程度的變形和失真，再加上建筑物相互遮擋問題，對建筑物墻面紋理進行幾何糾正，并建立紋理庫用于替換建筑物被遮擋區域的紋理，采用影像復原和增強等技術手段提高紋理質量，增加紋理真實清晰程度。

（6）數據成果到第三方平臺的輸出

按照一定的數據規范，提供處理后各級影像產品、數字空三計算的成果、數字測圖、DEM、DOM、三維地物生成三維可視化景觀模型等生產應用成果到現有攝影測量軟件系統、三維顯示系統、專業應用系統等的輸出與兼容。

4.國內傾斜攝影技術試驗情況

自2010年以來，國內先后有企業引入傾斜攝影技術并進行國內飛行試驗，為傾斜攝影技術在國內的應用走出了堅實的一步。各引進單位獲取了長沙、常州、長春、晉中等地區的傾斜影像資料并進行了后處理。在傾斜攝影領域取得了明顯的進步。

長沙地區實驗區超過40平方公里，使用Trimble公司的AOS航攝儀獲取了約1400張影像（垂直約460張，傾斜影像約930張）。已完成數據預處理、攝影測量處理，重點解決了傾斜影像的空三問題，解算得到了影像與地面精確的數學關系，可生產傾斜與正射影像關聯瀏覽的地理信息產品，正在進行建模與紋理自動貼合的技術探索與攻克。

常州地區使用pictometry公司的PentaView航攝儀獲取約40平方公里航攝影像約4000張影像（垂直約800張，傾斜影像約3200張）。已完成數據預處理，采用POS輔助DG（Direct Geo_referencing）直接定向技術解算得到了影像與地面精確的數學關系，可生產傾斜與正射影像關聯瀏覽的地理信息產品。

其他地區的傾斜試驗也都在進行中，部分采用與LIDAR技術相結合的方式并體現了各自技術路線的特點。交叉合作的探索方式，也加快了國內傾斜攝影技術發展的步伐。

5.應用展望

傾斜攝影技術的采集效率高、信息量豐富，將會在測繪工作中發揮極大作用。航空傾斜影像不僅能夠采集地物的彩色影像，而且還可以嵌入精確的位置信息，用戶體驗更加豐富，極大地擴展了遙感影像的應用領域。同時，傾斜攝影技術應用于三維城市建設的投入成本大大降低，由于傾斜影像為用戶提供了更豐富的地理信息，更友好的用戶體驗以及其低廉的成本，該技術將越來越多的應用于應急指揮、國土安全、消防、虛擬導航、城市管理與城市規劃、房產稅收、建筑工程施工、網絡旅游、三維電影產業等行業。

參考文獻：

[1]李清泉.關于我國空間信息產業發展的思考.地理信息世界，2004.

[2]萬幼川.我國攝影測量與遙感發展探討.測繪通報，2007.

[3]http：//www.igi.eu/penta-digicam. html.

[4]http：//www.pictometry.com/index. php？option=com_content&view;=article.

[5]http：//www.trimble.com/GeoSpatial.

[6]http：//trackair.com/index.php/ products/midas/

[7]Applanix，POSAV_V5_Installation_ Operation_Manual，2010.