淺談傾斜攝影技術(shù)在智慧城市方面的應(yīng)用

田要兵

陜西鑫雅圖空間信息技術(shù)有限公司，陜西西安 710100

智慧城市的形成和不斷發(fā)展最關(guān)鍵的是要精確地獲取地理信息，并通過三維建模的方式進(jìn)行三維空間分析，然后使得城市變得“智慧”。在城市化發(fā)展和行業(yè)升級(jí)過程中，傳統(tǒng)地理信息的局限性日益暴露，這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)地理信息的依據(jù)是已有的測(cè)繪成果數(shù)據(jù)，是將所采集到的地表和建筑物等信息錄入到電腦中，然后建立三維模型。傳統(tǒng)建模方式存在周期長(zhǎng)和精度低的缺陷。因?yàn)橹腔鄢鞘械陌l(fā)展要開展大量的城市三維建模工作，就必須要使用更加高效的建模方式。隨著三維技術(shù)的發(fā)展和成熟，目前傾斜攝影技術(shù)已經(jīng)逐漸被應(yīng)用到智慧城市的多個(gè)行業(yè)中，其可以通過虛擬三維技術(shù)真實(shí)地展示地理空間信息，并且可通過精確度很高的空間位置信息來建立實(shí)景三維模型。

1 傾斜攝影技術(shù)概述

1.1 傾斜攝影技術(shù)的概念和特點(diǎn)

傾斜攝影技術(shù)是一種在國(guó)際遙感技術(shù)、攝影測(cè)量技術(shù)以及人們需求增多的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的高新技術(shù)，該技術(shù)可以在同一飛行平臺(tái)上設(shè)立專業(yè)的傾斜相機(jī)，可以同時(shí)從垂直、傾斜多分角度來采集帶有空間信息的影像，獲取地表物體更加準(zhǔn)確的地理信息，從而彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的正射影像分析應(yīng)用缺陷。同時(shí)可通過配套的應(yīng)用軟件對(duì)建筑物高度、長(zhǎng)度、面積以及坡度、角度等屬性進(jìn)行量測(cè)，真實(shí)地展示三維世界。傾斜攝影的關(guān)鍵技術(shù)包括多視影像聯(lián)合平差、多視影像密集匹配和數(shù)字表面模型生成。傾斜攝影測(cè)量技術(shù)由飛行平臺(tái)、傾斜相機(jī)和傾斜影像的處理系統(tǒng)構(gòu)成，傾斜攝影的關(guān)鍵要素包括大重疊度飛行、各個(gè)子鏡頭相對(duì)位置的檢驗(yàn)校準(zhǔn)。

1.2 傾斜攝影技術(shù)的意義

對(duì)于智慧城市的建立和發(fā)展來說，最關(guān)鍵的要素是地理信息，也就是必須精確真實(shí)地獲取地理信息才能推動(dòng)智慧城市的發(fā)展。比如在國(guó)土資源調(diào)查、環(huán)境評(píng)估、災(zāi)害預(yù)測(cè)以及國(guó)土管理、交通運(yùn)輸、軍事通訊、農(nóng)林牧業(yè)等領(lǐng)域中都需要用到地理信息，城市生活的80%以上都和地理信息的有效獲取有關(guān)。傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用，一方面可以真實(shí)地反映地表情況，可以借助定位技術(shù)精確地獲取地理信息，形成豐富的影像信息，并為用戶帶來更真實(shí)的體驗(yàn)，提高航攝影像處理的速度。另一方面傾斜攝影技術(shù)的應(yīng)用，可以利用航攝大規(guī)模成圖優(yōu)點(diǎn)和對(duì)傾斜影像批量提取與處理的方式，有地降低城市三維建模的成本。

2 傾斜攝影技術(shù)的應(yīng)用

2.1 利用傾斜攝影技術(shù)快速構(gòu)建城市三維模型

傾斜攝影技術(shù)的應(yīng)用范圍非常廣泛，已經(jīng)拓展延伸到了社會(huì)公眾生活的方方面面，如政府方面的公共安全、執(zhí)法行動(dòng)和城市規(guī)劃領(lǐng)域，公共事業(yè)方面的環(huán)保建設(shè)以及災(zāi)害評(píng)估，公眾方面主要應(yīng)用在旅游、互聯(lián)網(wǎng)、通信導(dǎo)航等。在利用傾斜攝影技術(shù)快速建立城市三維模型的過程中，主要包括以下四個(gè)步驟，即城市基礎(chǔ)信息搜集、建筑模型細(xì)部分析、模型紋理制作和模型貼圖。所搜集的城市地理信息又可分成數(shù)字線劃圖、城市測(cè)區(qū)劃分、地物傾斜攝像、地物屬性表和結(jié)合表等。

2.1.1 數(shù)字線劃圖

數(shù)字線劃圖指的是進(jìn)行規(guī)劃、設(shè)計(jì)和管理工作的基礎(chǔ)信息，也是城市基本圖件的最主要形式。城市的數(shù)字線劃圖主要是房屋外框信息和高程信息，以及屋頂?shù)氖噶啃畔?。利用這些房屋外框和屋頂矢量坐標(biāo)信息可以快速生成白模，為開展規(guī)劃設(shè)計(jì)工作奠定基礎(chǔ)。城市測(cè)繪區(qū)劃分指的是將相同區(qū)域的模型劃分成一個(gè)測(cè)區(qū)，然后進(jìn)行統(tǒng)一的模型編號(hào)，這是為了方便后期的項(xiàng)目管理以及相似紋理的分享。地物傾斜影像指的是利用專門的傾斜相機(jī)所攝像得到的地物影像，可以將同一個(gè)地物的影像保存在一個(gè)文件夾中。地物屬性表指的是對(duì)地物實(shí)際名稱、相應(yīng)模型的名稱、編號(hào)以及航高、航速、坐標(biāo)等信息進(jìn)行記錄的地物屬性表格。結(jié)合表是一種記錄模型應(yīng)用信息，開展模型分圖的依據(jù)。

2.1.2 建筑模型細(xì)部分析

建筑模型細(xì)部分析是在傾斜影像和數(shù)字線劃圖的基礎(chǔ)上，對(duì)地面建筑物進(jìn)行相關(guān)信息，如高度、長(zhǎng)度、面積以及坐標(biāo)等自動(dòng)化獲取，然后快速建立白模，此時(shí)的白模有初步的建筑物外框和高程信息。之后，相關(guān)技術(shù)人員再對(duì)傾斜影像的細(xì)節(jié)部位，也就是建筑模型的細(xì)部進(jìn)行分析，從而可形成包括建筑陽(yáng)臺(tái)、屋頂、觀景臺(tái)以及門斗、窗戶等在內(nèi)的建筑物細(xì)節(jié)部位信息，最終可形成精細(xì)白模。

2.1.3 模型紋理制作

模型紋理制作工序是在利用圖像處理軟件的基礎(chǔ)上，結(jié)合傾斜影像技術(shù)對(duì)建筑物的細(xì)部進(jìn)行紋理劃分，一般只需制作有代表性、典型的建筑物紋理。比如可以在地面建筑物傾斜影像上找到建筑物的某一個(gè)細(xì)節(jié)紋理，然后采取紋理變換和消失點(diǎn)處理等方式來制作建筑物較為精確的紋理。

2.1.4 模型貼圖

模型貼圖指的是利用三維處理軟件的貼圖功能，結(jié)合腳本語(yǔ)言，將所形成的模型紋理根據(jù)相應(yīng)的編號(hào)快速貼到建筑物上。在傾斜攝影測(cè)量技術(shù)中，由于航空攝影有大規(guī)模成圖特點(diǎn)，傾斜影像可以批量快速地貼紋理，模型貼圖效率和質(zhì)量較高。

2.2 傾斜攝影技術(shù)在智慧城市中應(yīng)用的實(shí)例

傾斜攝影技術(shù)被廣泛應(yīng)用到智慧城市的方方面面，尤其是在公共安全和緊急反恐方面的應(yīng)用有著不可替代的價(jià)值。這是因?yàn)閮A斜影像可以從多個(gè)角度獲取建筑信息，為決策者提供多方面的環(huán)境信息參考。比如就建筑物而言，傾斜攝影測(cè)量可以看到屋頂側(cè)面的緊急出口，可以對(duì)傾斜影像上的任意一個(gè)點(diǎn)之間的距離進(jìn)行測(cè)量計(jì)算，如果被應(yīng)用在警方執(zhí)行工作中，就可以通過通視距離的計(jì)算來設(shè)置制高點(diǎn)和狙擊方案等，從而可保障人員和財(cái)產(chǎn)安全，提高警方作業(yè)效果?，F(xiàn)在該技術(shù)被美國(guó)等國(guó)家廣泛應(yīng)用于警方執(zhí)行作業(yè)中，主要是為后方指揮人員提供詳細(xì)的案發(fā)地情況，然后給執(zhí)行人員發(fā)出正確的指令。在提高工作效率的同時(shí)，也保證了警務(wù)人員的安全。

3 傾斜攝影技術(shù)在中國(guó)智慧城市應(yīng)用中的現(xiàn)狀和未來發(fā)展

3.1 國(guó)內(nèi)外對(duì)于傾斜攝影技術(shù)的應(yīng)用存在差異

傾斜攝影技術(shù)和實(shí)景三維建模結(jié)合在一起，可以快速高效且精確地獲取地理信息，然后快速地建立三維模型，為智慧城市中各個(gè)領(lǐng)域的決策應(yīng)用提供參考。目前在技術(shù)方面，傾斜攝影技術(shù)主要包括測(cè)量裝備和后處理系統(tǒng)，在測(cè)量裝備上，主要有微軟公司研發(fā)的UCOP和萊卡公司研發(fā)的RCD30，在傾斜后處理系統(tǒng)上主要有法國(guó)的街景工廠、Smart3D和美國(guó)的Pictometry。這些測(cè)量裝備和后處理軟件表明國(guó)際傾斜攝影技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了很高的水平。不過，傾斜攝影技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展和應(yīng)用上存在較大的差異。對(duì)于我國(guó)來說，由于國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，傾斜攝影和全景三維建模的技術(shù)和設(shè)備都需要由國(guó)外引進(jìn)，雖然也有研發(fā)出SWRC-5這樣的傾斜相機(jī)，但是其后處理軟件的配置并不高，所以使用率很低。總之，我國(guó)傾斜攝影技術(shù)在發(fā)展中主要面臨的問題有三點(diǎn)：第一在地物信息獲取上的效率較低，還沒有形成一定規(guī)模；其次數(shù)據(jù)處理技術(shù)并不成熟，還處于不斷探索的階段，我國(guó)自主研發(fā)的技術(shù)設(shè)備使用率不高；此外，產(chǎn)品的模式比較單一，還需要進(jìn)一步推廣與應(yīng)用。

3.2 我國(guó)傾斜攝影技術(shù)的未來發(fā)展

從上文可知，傾斜攝影可以真實(shí)地反映地物情況，并通過定位技術(shù)獲得更加精確的地理信息，使用戶獲得更加真實(shí)的體驗(yàn)，為城市運(yùn)行建設(shè)管理的各個(gè)環(huán)節(jié)提供更好的服務(wù)。此外，傾斜攝影技術(shù)還能降低三維城市建設(shè)的成本，提升三維城市建設(shè)的效果。該技術(shù)由于具有誤差小、效率高且成本相對(duì)較低的優(yōu)點(diǎn)將在我國(guó)地理信息產(chǎn)業(yè)中具有很大的發(fā)展前景，對(duì)于傾斜攝影測(cè)量的需求會(huì)越來越多。而且隨著無人機(jī)等技術(shù)設(shè)備的發(fā)展，無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)也將會(huì)有更廣泛的市場(chǎng)空間，和BIM技術(shù)的結(jié)合會(huì)更加緊密。在未來，最重要的是不斷引進(jìn)國(guó)外核心技術(shù)并加大自主研發(fā)的力度，構(gòu)建一支專業(yè)化的傾斜影像研究和應(yīng)用測(cè)量的隊(duì)伍，優(yōu)化航空遙感數(shù)據(jù)處理中心，提高傾斜后處理的效率，可加快形成集數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理和智慧城市建設(shè)應(yīng)用于一體的完整的產(chǎn)業(yè)鏈，實(shí)現(xiàn)傾斜攝影技術(shù)在智慧城市多個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用的拓展延伸。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，傾斜攝影技術(shù)在智慧城市中的應(yīng)用，可以極大地推動(dòng)智慧城市的發(fā)展，為社會(huì)生活各個(gè)領(lǐng)域的決策提供重要的數(shù)據(jù)參考，從而便于城市智能化發(fā)展的管理。但是我們也應(yīng)該看到目前我國(guó)關(guān)于傾斜攝影技術(shù)，不管是在裝備上還是在后處理軟件系統(tǒng)上主要還是依靠進(jìn)口。我國(guó)自主研發(fā)的發(fā)展進(jìn)程緩慢，在未來還需要得到政府機(jī)構(gòu)的大力支持，通過資金的投入和工程技術(shù)人員的培養(yǎng)，強(qiáng)化技術(shù)研究，開發(fā)優(yōu)化我國(guó)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的傾斜攝影技術(shù)設(shè)備。