機(jī)載傾斜攝影數(shù)據(jù)在三維建模及單斜片測量中的應(yīng)用

摘 要：對傳統(tǒng)的常規(guī)攝影測量系統(tǒng)進(jìn)行了一定的改進(jìn)和優(yōu)化之后，產(chǎn)生了新型攝影測量系統(tǒng)——機(jī)載傾斜攝影測量系統(tǒng)。這種新型的測量系統(tǒng)可以獲得地物立面的文理和幾何的相關(guān)信息，有助于構(gòu)建較為精確的數(shù)字城市。根據(jù)當(dāng)前機(jī)載傾斜攝影的發(fā)展情況，作者將對機(jī)載傾斜攝影數(shù)據(jù)在三維建模和單斜片測量中的應(yīng)用進(jìn)行相應(yīng)的探索和論述，為驗(yàn)證和推廣機(jī)載傾斜攝影測量系統(tǒng)的優(yōu)良性能提供可用參考。

關(guān)鍵詞：機(jī)載傾斜攝影；測量系統(tǒng)；三維建模；單斜片測量

引言

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

1 機(jī)載多角度傾斜攝影測量系統(tǒng)簡介

該測量系統(tǒng)的基本功能模塊由傾斜攝影數(shù)據(jù)獲取技術(shù)和相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)兩大部分共同組成。將攝影相機(jī)和機(jī)載GPS接收機(jī)以及高精度的IMU進(jìn)行高度集成之后，系統(tǒng)可以以此來提升自身的功能特性。在這三個(gè)集成組分中，攝影相機(jī)負(fù)責(zé)提供地物影像信息，GPS和IUM則分別負(fù)責(zé)提供地物的位置和狀態(tài)信息，三者齊心協(xié)力共同支撐系統(tǒng)的功能。在測量系統(tǒng)中可以依靠集成定位設(shè)備（或者空中三角測量處理）來為拍攝到的影像提供對應(yīng)的位置信息，以供后續(xù)的數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)使用。傾斜攝影測量系統(tǒng)使得遠(yuǎn)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(fā)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(fā)揮地理信息在社會生產(chǎn)生活進(jìn)行和發(fā)展過程中的積極作用。

2 對傾斜攝影測量系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及成果

國外早在上世紀(jì)90年代就展開了對傾斜攝影測量系統(tǒng)的研究，并在長時(shí)間的研究和應(yīng)用過程中逐漸成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)和市場的使用方向。其中美國Pictometry公司便是最早進(jìn)行該研究的公司，而且由其研發(fā)的傾斜攝影系統(tǒng)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(jìn)傾斜攝影技術(shù)，并將其應(yīng)用與獲取傾斜攝影數(shù)據(jù)。該技術(shù)的引入和運(yùn)用，開辟了我國搖桿影像應(yīng)用的新視野，并提高了我國在數(shù)字城市建設(shè)方面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取能力和效率。而且，在數(shù)據(jù)處理方面，我國的華正空間（武漢）軟件技術(shù)有限公司自主研發(fā)了基于航空傾斜攝影的地理空間信息和應(yīng)用平臺系統(tǒng)（3DRealWorld）。由華正空間自主研發(fā)的該系統(tǒng)，可以為公共安全和應(yīng)急指揮、通訊以及城市規(guī)劃和軍事等行業(yè)提供真實(shí)性和可靠性較好，且具有可測性的三維空間信息服務(wù)。為社會公共事業(yè)和社會經(jīng)濟(jì)、國家安全的發(fā)展和壯大提供了一條極好的路徑。在不斷的發(fā)展中，傾斜攝影技術(shù)拓展了傳統(tǒng)的垂直影像，其功能和觀測面獲得了極大地?cái)U(kuò)展，具體表現(xiàn)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(jìn)行識別；（4）完善了其數(shù)據(jù)信息的可讀性；（5）拓寬了憑借傾斜攝影的3D觀測GIS數(shù)據(jù)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(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)或者激光雷達(dá)得到的DSM來建立建筑物的幾何模型。而對于真實(shí)圖像的紋理細(xì)節(jié)的3D模型而言，則可以通過傾斜航空影像技術(shù)與3D塊狀模型技術(shù)的相關(guān)組合交匯得到。

3 機(jī)載傾斜攝影數(shù)據(jù)在三維建模中的應(yīng)用

機(jī)載傾斜攝影測量系統(tǒng)在三維建模中應(yīng)用的主要任務(wù)主要有兩個(gè)，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(shù)據(jù)資料，如POS數(shù)據(jù)和該拍攝區(qū)域內(nèi)DSM數(shù)據(jù)以及矢量圖形數(shù)據(jù)等。在對這些獲得的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行更進(jìn)一步的必要處理后，就可以開始建立基于機(jī)載多角度傾斜攝影影像的三維測量系統(tǒng)。該過程的基本和重要環(huán)節(jié)可以概括為如下的八個(gè)：利用POS進(jìn)行傾斜攝影高精度空中三角測量——影像數(shù)據(jù)及輔助數(shù)據(jù)管理與檢索——DSM數(shù)據(jù)管理與檢索——矢量數(shù)據(jù)管理與檢索——影像與DSM融合——影像與矢量數(shù)據(jù)融合——基于影像的三維測量與建?！o予WEB的查詢應(yīng)用。通過這八個(gè)環(huán)節(jié)，提供了航拍時(shí)同步記錄、數(shù)據(jù)管理和檢索、數(shù)據(jù)訪問接口、DSM數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)管理與檢索、影像與圖形和數(shù)據(jù)的整合重組以及查詢功能，最終實(shí)現(xiàn)了傾斜影像的三維建模功能。

在進(jìn)行三維建模過程中，還可以使用三維建模技術(shù)，該技術(shù)的設(shè)計(jì)思路與基于機(jī)載多角度傾斜攝影影像的三維測量系統(tǒng)大體相同。在整個(gè)設(shè)計(jì)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(shù)據(jù)外，還需用到光束法區(qū)域網(wǎng)平差和高精度位置姿態(tài)數(shù)據(jù)，才能得到經(jīng)過定位定姿的DOP數(shù)據(jù)）、基于傾斜攝影影像的三維測量以及基于DOP的三維建模?；趦A斜攝影影像的三維測量的流程涉及到三個(gè)環(huán)節(jié)：LDOP和矢量圖形數(shù)據(jù)——DOP/適量圖形配準(zhǔn)——基于影像的三維測量（測量的內(nèi)容包括位置、長度、高度和面積以及視線等），同時(shí)LDOP也可直接進(jìn)入最后一環(huán)，即同時(shí)進(jìn)入第二環(huán)和第三環(huán)?；贒OP的三維建模與上述三維測量環(huán)節(jié)類似，也分為三個(gè)環(huán)節(jié)：LDOP數(shù)據(jù)和建筑物的矢量圖形數(shù)據(jù)——建筑物幾何模型側(cè)面紋理自動（半自動）映射處理——帶真是紋理的3D模型。

4 機(jī)載傾斜攝影數(shù)據(jù)在單斜片測量中的應(yīng)用

在一些基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)產(chǎn)品中，單斜片測量技術(shù)可以對單張斜片進(jìn)行某些參數(shù)的應(yīng)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(jìn)行單斜片測量中不可或缺的資料有：（1）五臺相機(jī)傾斜攝影影像資料；（2）POS數(shù)據(jù)（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(qū)域DEM、DOM數(shù)據(jù)。另外，單斜片測量的整個(gè)過程中，測量的思路可以歸納為以下環(huán)節(jié)：以獲得的必要數(shù)據(jù)資料為基礎(chǔ)建立待測斜片與DOM數(shù)據(jù)之間的聯(lián)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(shù)進(jìn)行相應(yīng)的測量，順著這一思路走即可得到單斜片測量的雛形。在進(jìn)行單斜片測量時(shí)，常用的方法有兩種：一是根據(jù)DEM來確定動態(tài)比例尺，進(jìn)而計(jì)算長度和面積；二是使用景物的特征進(jìn)行約束，如垂直線或者水平線條件約束，再通過計(jì)算坐標(biāo)的方式獲取長度測量值。

5 結(jié)束語

機(jī)載多角度傾斜攝影測量系統(tǒng)較多角度攝影測量系統(tǒng)而言，測量角度多變且豐富，既能夠?qū)崿F(xiàn)常規(guī)的地表三維測量，又可以同時(shí)獲得更加豐富、完整的地表覆蓋數(shù)據(jù)，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(tǒng)的應(yīng)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(diào)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(tǒng)在數(shù)字城市規(guī)劃中將會產(chǎn)生更加重要的影響和作用，引導(dǎo)數(shù)字城市規(guī)劃的發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)

[1]李祈峰，宮晉平.機(jī)載傾斜攝影數(shù)據(jù)在三維建模及單斜片測量中的應(yīng)用[J].遙感信息，2013.

[2]李鴻祥.三維城市規(guī)劃輔助決策支持系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].廈門大學(xué)，2013.

[3]劉玉潔.城市三維模型及其在城市規(guī)劃中的應(yīng)用[D].天津師范大學(xué)，2014.

[4]牛鵬濤.基于傾斜攝影測量技術(shù)的城市三維建模方法研究[J].價(jià)值工程，2014.