無人機(jī)傾斜攝影測量

■ 黃 鶴

上海實景三維模型。上海航遙信息技術(shù)有限公司繪制

一、攝影測量的起源

攝影測量是測繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)科里一個歷史悠久的專業(yè)。它起源于早期的圖片分析，曾被人稱為圖像測量學(xué)。到1837年，攝影測量的名字才正式被確認(rèn)下來。19世紀(jì)上葉，法國人產(chǎn)生了第一張攝影像片，成為攝影測量學(xué)發(fā)展歷程的起點(diǎn)。

攝影測量主要依據(jù)使用的工具、處理的技術(shù)不同被劃分為四個階段，模擬攝影測量、解析攝影測量、數(shù)字?jǐn)z影測量和攝影遙感測量。

（一）模擬攝影測量階段

19世紀(jì)中葉，法國軍官勞塞達(dá)利用被稱之為“明箱”的裝置測制萬森城堡，繪制了詳細(xì)的地理圖。當(dāng)時采用的是逐點(diǎn)測繪技術(shù)。20世紀(jì)初，根據(jù)奧雷爾的思想和當(dāng)時的技術(shù)水平，維也納軍事地理研究所制成了理論意義上的“自動立體測圖儀”。在理論模型的基礎(chǔ)上，德國卡爾蔡司廠進(jìn)行研究、改進(jìn)和技術(shù)引進(jìn)，最終制造出第一臺能夠?qū)嵱玫摹傲Ⅲw自動測圖儀”。該儀器是運(yùn)用模擬光學(xué)投影或是光學(xué)-機(jī)械投影的相關(guān)技術(shù)設(shè)計出來的。這一發(fā)展時期被稱為“模擬攝影測量時代”，人們的主要精力放在開發(fā)立體測圖儀上。到20世紀(jì)，儀器的研制和開發(fā)達(dá)到了一個新高度。

（二）解析攝影測量階段

計算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)和模擬轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了攝影測量立體測圖儀的進(jìn)一步發(fā)展。1957年Heiava提出?“數(shù)字投影代替物理投影”這個攝影測量新概念?！肮鈱W(xué)的、機(jī)械的、或光學(xué)-機(jī)械的”模擬投影就是物理投影。利用電子計算機(jī)實時地進(jìn)行共線方程的計算進(jìn)而測量目標(biāo)物的空間位置被稱之為數(shù)字投影。解析攝影測量技術(shù)發(fā)現(xiàn)，其中還利用了電算加密技術(shù)。以電算加密和解析測圖儀的出現(xiàn)為標(biāo)志，攝影測量正式進(jìn)入解析攝影測量時代。解析攝影測量階段的主要特點(diǎn)：一、該階段技術(shù)是采用數(shù)字投影技術(shù)。二、該階段使用的儀器大多用計算機(jī)來控制系統(tǒng)。三、該階段不只是用手工操作，已經(jīng)開始用計算機(jī)作為輔助工具。

（三）數(shù)字?jǐn)z影測量階段

20世紀(jì)80年代左右，攝影測量進(jìn)人了第三個階段，即數(shù)字?jǐn)z影測量階段。該階段是在解析攝影測量的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，還是采用數(shù)字投影采集數(shù)據(jù)，通過計算機(jī)分析和處理形成目標(biāo)物的形狀、大小、空間位置及其性質(zhì)的技術(shù)。數(shù)字?jǐn)z影處理的原始信息范圍已經(jīng)擴(kuò)大到數(shù)字?jǐn)z影如影像或數(shù)字化影像。這個階段發(fā)展的最終目標(biāo)是以計算機(jī)視覺代替人眼的主體觀測。

（四）攝影遙感測量階段

遙感內(nèi)容和攝影測量技術(shù)的內(nèi)容相差很大，可是本質(zhì)相同，甚至可以這樣理解數(shù)字?jǐn)z影測量時就暗含著遙感技術(shù)的運(yùn)行。近幾年，遙感技術(shù)的快速發(fā)展，空間技術(shù)也得到了高速發(fā)展。遙感技術(shù)開始向測繪學(xué)科滲透，兩者開始相互融合?，F(xiàn)代測繪科學(xué)與計算機(jī)、通訊科學(xué)等進(jìn)行交叉和滲透形成了地球空間信息科學(xué)。攝影測量已經(jīng)開始采用遙感技術(shù)，可以說，攝影測量已經(jīng)進(jìn)人遙感時代。

二、傾斜攝影測量

傳統(tǒng)三維建模通常使用3ds?Max、AutoCAD等建模軟件，基于影像數(shù)據(jù)、CAD平面圖或者拍攝圖片估算建筑物輪廓與高度等信息進(jìn)行人工建模。這種方式制作出的模型數(shù)據(jù)精度較低，紋理與實際效果偏差較大，并且生產(chǎn)過程需要大量的人工參與；同時數(shù)據(jù)制作周期較長，造成數(shù)據(jù)的時效性較低，因而無法真正滿足用戶需要。

傾斜攝影測量技術(shù)以大范圍、高精度、高清晰的方式全面感知復(fù)雜場景，通過高效的數(shù)據(jù)采集設(shè)備及專業(yè)的數(shù)據(jù)處理流程生成的數(shù)據(jù)成果直觀反映地物的外觀、位置、高度等屬性，為真實效果和測繪級精度提供保證。同時有效提升模型的生產(chǎn)效率，采用人工建模方式一兩年才能完成的一個中小城市建模工作，通過傾斜攝影建模方式只需要三至五個月時間即可完成，大大降低了三維模型數(shù)據(jù)采集的經(jīng)濟(jì)代價和時間代價。目前，國內(nèi)外已廣泛開展傾斜攝影測量技術(shù)的應(yīng)用，傾斜攝影建模數(shù)據(jù)也逐漸成為城市空間數(shù)據(jù)框架的重要內(nèi)容。

傾斜攝影測量技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一項新的測量技術(shù)。它改變了以往航測遙感影像只能從垂直方向拍攝的局限性，傾斜攝影測量技術(shù)通過多臺傳感器從不同的角度進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，快速、高效獲取豐富的數(shù)據(jù)信息，真實地反映地面的客觀情況，滿足人們對三維信息的需求。目前，傾斜攝影測量技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于實際的生產(chǎn)實踐。

通過在同一飛行平臺上搭載5臺傳感器，同時從一個垂直、四個傾斜、五個不同的角度采集影像，拍攝相片的同時，記錄航高，航速，航向和旁向重疊，坐標(biāo)等參數(shù)，然后對傾斜影像進(jìn)行分析和整理。在一個時段，飛機(jī)連續(xù)拍攝幾組影像重疊的照片，同一地物最多能夠在3張相片上被找到，這樣業(yè)內(nèi)人員可以比較輕松地進(jìn)行建筑物結(jié)構(gòu)分析，并且能選擇最為清晰的一張照片進(jìn)行紋理制作。向用戶提供真實直觀的實景信息。影像數(shù)據(jù)不僅能夠真實地反映地物情況，而且可通過先進(jìn)的定位技術(shù)，嵌入地理信息、影像信息，獲得更高的用戶體驗，極大地拓展遙感影像的應(yīng)用范圍。

傾斜攝影技術(shù)特點(diǎn)：

1.反映地物真實情況，并且能對地物進(jìn)行量測

傾斜攝影測量所獲得三維數(shù)據(jù)可真實地反映地物的外觀、位置、高度等屬性，增強(qiáng)了三維數(shù)據(jù)所帶來的真實感，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)人工模型仿真度低的缺點(diǎn)，增強(qiáng)了傾斜攝影技術(shù)的應(yīng)用。

2.高性價比

傾斜攝影測量數(shù)據(jù)是帶有空間位置信息的可量測的影像數(shù)據(jù)，能同時輸出DSM、DOM、DLG等數(shù)據(jù)成果。可在滿足傳統(tǒng)航空攝影測量的同時獲得更多的數(shù)據(jù)。同時使用傾斜影像批量提取及貼紋理的方式，能夠有效地降低城市三維建模成本。

3.高效率

傾斜攝影測量技術(shù)借助無人機(jī)等飛行載體可以快速采集影像數(shù)據(jù)，實現(xiàn)全自動化的三維建模。實驗數(shù)據(jù)證明：1～2年的中小城市人工建模工作，借助傾斜攝影測量技術(shù)只需3～5個月就可完成。

三、無人機(jī)傾斜攝影測量

（一）無人機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展

無人機(jī)具有機(jī)動、靈活、快速、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)，以無人機(jī)作為航空攝影平臺能夠快速高效地獲取高質(zhì)量、高分辨率的影像，無人機(jī)在攝影測量中的優(yōu)勢是傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感無法比擬的，越來越受到研究者和生產(chǎn)者的青睞，大大地擴(kuò)大了遙感的應(yīng)用范圍和用戶群，具有廣闊的應(yīng)用前景。無人機(jī)傾斜攝影測量已經(jīng)成為未來航空攝影測量的重要手段和國家航空遙感監(jiān)測體系的重要補(bǔ)充，逐步從研究開發(fā)階段發(fā)展到了實際應(yīng)用階段。

國內(nèi)采用的飛行平臺有四類：一類是可搭載大型傾斜相機(jī)的有人機(jī)，如運(yùn)-5、塞斯納；一類是動力三角翼；一類是固定翼無人機(jī)；一類是多旋翼無人機(jī)。前兩類搭載大型傾斜相機(jī)和輕型傾斜相機(jī)，可完成大范圍的數(shù)據(jù)獲取工作；后兩類搭載微型傾斜相機(jī)，可完成小范圍重點(diǎn)區(qū)域的傾斜攝影工作。

目前國內(nèi)常用有人機(jī)機(jī)載相機(jī)，雖成像效果優(yōu)良，但價格在數(shù)百萬元以上，飛行平臺只能租用航空公司設(shè)備，其空域申請周期長、成本高，小范圍傾斜數(shù)據(jù)采集的性價比極低；而無人機(jī)相機(jī)價格也在數(shù)十萬元左右，搭配配套無人機(jī)飛行平臺，系統(tǒng)總價也接近百萬余元。鑒于此，傾斜攝影數(shù)據(jù)采集的方法很難得到廣泛推廣。

在國外，美國航空航天局將無人機(jī)應(yīng)用于森林火災(zāi)監(jiān)測、精確農(nóng)業(yè)、海洋遙感等研究項目。澳大利亞利用全球鷹搭載成像SAR進(jìn)行海洋監(jiān)測研究。在國內(nèi)，紅鵬公司微型無人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)將無人機(jī)技術(shù)與傾斜攝影技術(shù)有效地結(jié)合，自主研發(fā)完成了一套微型無人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)，包括電動六旋翼無人機(jī)、五相機(jī)傾斜攝影吊艙、降落傘模塊、控制模塊等。系統(tǒng)具有成本低、飛行可靠性高、操作使用簡單、起飛和著陸場地要求低。定位精度與影像分辨率高等特點(diǎn)，可以滿足傾斜攝影測量與快速三維建模對數(shù)據(jù)獲取的要求。目前國內(nèi)外尚無類似微型傾斜攝影產(chǎn)品平臺，彌補(bǔ)了微型超低空低成本獲取傾斜攝影測量高分辨率數(shù)據(jù)的空白，可為測繪、規(guī)劃、應(yīng)急、公安、旅游文化等行業(yè)提供低廉、高效、敏捷的數(shù)據(jù)支持與服務(wù)，提高了精細(xì)三維數(shù)據(jù)靈活快速獲取的能力。應(yīng)用成果已在公安、應(yīng)急、測繪、旅游、環(huán)保等行業(yè)得到了應(yīng)用驗證，獲得了用戶的好評。社會經(jīng)濟(jì)效益顯著，具有重要的示范作用和推廣價值。

（二）相機(jī)小型化集成

隨著科技水平的不斷提高，傾斜攝影無人機(jī)正在不斷地趨于小型化，傾斜相機(jī)也從傳統(tǒng)肥大臃腫發(fā)展為越來越小巧方便。

目前，常見的航空攝影傾斜相機(jī)主要有以下幾種：

四、城市實景三維模型的應(yīng)用

為了開拓傾斜攝影新的服務(wù)領(lǐng)域，形成新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)，城市三維模型數(shù)據(jù)開始應(yīng)用于智慧城市建設(shè)，并實現(xiàn)實景三維模型與基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、專題數(shù)據(jù)相結(jié)合。此外，眾多基于傾斜攝影實景三維模型的應(yīng)用研究也在紛紛展開，例如，基于傾斜攝影實景三維模型的城市規(guī)劃與管理、大比例尺線畫圖采集、城市交通監(jiān)管、地下管線綜合管理、城市消防服務(wù)、物流運(yùn)輸管理以及城市民生服務(wù)等等。在不久的將來，基于傾斜攝影實景三維模型應(yīng)用系統(tǒng)將以真實的視覺效果、流暢的應(yīng)用體驗等顯著優(yōu)勢開啟人們“別具一格”的生活新模式。

鳥巢+水立方實景三維模型。上海航遙繪制

上海浦東三維街景模型

五、展望

近幾年，傾斜攝影測量技術(shù)得到了快速發(fā)展，由于傾斜攝影測量技術(shù)能夠獲取建筑物、樹木等地理實體的紋理細(xì)節(jié)，豐富了影像數(shù)據(jù)源信息。同時，高冗余度的航攝影像重疊，為高精度的影像匹配提供了條件，使基于人工智能的三維實體重建成為了可能。分層顯示技術(shù)、紋理映射技術(shù)成為傾斜攝影測量和建模的關(guān)鍵支撐點(diǎn)，極大地提升了三維建模的效率，還降低了建模的生產(chǎn)成本。目前，基于傾斜攝影測量成果的應(yīng)用還比較少，因此，大量的應(yīng)用創(chuàng)新點(diǎn)挖掘還需要逐步深入。我們不能局限于傾斜攝影測量技術(shù)，還需要將其與雷達(dá)、紅外、多光譜、高光譜等多種傳感器結(jié)合，將他們集成在更小的無人機(jī)上拓寬攝影測量技術(shù)的應(yīng)用范圍，未來基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)計算的大規(guī)模三維數(shù)據(jù)生產(chǎn)會讓工程測量、三維建模等工作產(chǎn)生顛覆性的變革，開啟三維遙感的新時代。

雖然按照目前的發(fā)展趨勢來看，未來無人機(jī)測繪將會越來越普及，但是還有很多因素制約著行業(yè)的發(fā)展。

（一）空域限制

民用無人機(jī)作業(yè)需要使用空域資源。在我國低空尚未開放的大背景下，如果說“有人機(jī)”通用航空的空域管理已經(jīng)開始探索試驗，那么無人機(jī)的空域管理仍然難以有效實施。盡管民航局對《無人機(jī)空域管理規(guī)定》已開展意見征集，但法規(guī)確立及其有效執(zhí)行尚需時日。無人機(jī)飛行計劃如何申報、向誰申報，申報應(yīng)具備哪些條件，以及在哪些空域里可以飛行等問題依然沒有明確答案。

依據(jù)現(xiàn)有《一般運(yùn)行和飛行規(guī)則》第91.119條規(guī)定，?“在人口稠密區(qū)以外地區(qū)的上空，航空器不得低于離地高度150米”。也就是說，在遠(yuǎn)離機(jī)場等敏感地和人口稠密區(qū)的情況下，探索將高度150米以下的空域分配給無人機(jī)作為隔離空域使用，或可作為無人機(jī)空域管理的優(yōu)先嘗試方向。

（二）模型單體化

傾斜模型可以看作是一張表面覆蓋了高分辨率的連續(xù)的TIN三角網(wǎng)，這張連續(xù)的TIN三角網(wǎng)在帶給我們更加逼真的傾斜模型的同時，也給我們出了一道不可避免的難題—在GIS管理和應(yīng)用中，若傾斜攝影模型不能進(jìn)行對象的單獨(dú)選中和查詢，就只能和影像一樣作為底圖瀏覽，無法進(jìn)一步深入應(yīng)用，由此引出了傾斜攝影的單體化技術(shù)。

“單體化”其實指的是每一個我們想要單獨(dú)管理的對象，都是一個個單獨(dú)的、可以被選中分離的實體對象，可以賦予屬性，可以被查詢統(tǒng)計等等。只有具備了“單體化”的能力，數(shù)據(jù)才可以被管理，而不僅僅是被用來查看。在大多數(shù)GIS應(yīng)用中，能對建筑等地物進(jìn)行單獨(dú)的選中、賦予屬性、查詢分析等是最基本的功能要求。因此，單體化成為傾斜攝影模型在GIS應(yīng)用中必須解決的難題。

（三）模型的實質(zhì)性應(yīng)用

現(xiàn)如今，通過傾斜攝影技術(shù)生成的三維模型能夠真實地反應(yīng)地物情況，符合人眼視覺的真實直觀世界，具有精度高、現(xiàn)實感強(qiáng)的特點(diǎn)。但是，目前國內(nèi)沒有國產(chǎn)工程化的傾斜影像三維建模集群處理軟件，也缺少對OSGB等三維數(shù)據(jù)直接進(jìn)行批量化生產(chǎn)編輯的軟件，海量傾斜影像三維模型的存儲、管理、發(fā)布、應(yīng)用等存在不少技術(shù)難點(diǎn)，多數(shù)用戶的應(yīng)用系統(tǒng)還不能很好地接受和使用傾斜攝影所生成的三維模型。因此，傾斜攝影三維模型也被貼上了“中看不中用”的標(biāo)簽。

（四）室內(nèi)三維空間的補(bǔ)充

目前，無人機(jī)傾斜攝影測量的數(shù)據(jù)采集區(qū)域主要是野外，三維模型也大多是土地山丘或建筑物外表，相對而言，建筑物內(nèi)部空間的信息完全沒有。然而，由于無人機(jī)在室內(nèi)只能采用視覺定位，對室內(nèi)的光線和紋理具有較高的要求，例如在反光的瓷磚地面上，無人機(jī)的定位就會出現(xiàn)較大偏差，造成事故。因此，利用無人機(jī)進(jìn)行室內(nèi)定位和室內(nèi)模型重建還有待進(jìn)一步挖掘。