基于無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用分析

喬天榮，馬培果，許連峰，劉平利

（1.河南省地質(zhì)調(diào)查院，河南 鄭州 450001；2.鄭州麥普空間規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，河南 鄭州 450001；3.河南省地質(zhì)科學(xué)研究所，河南 鄭州 450001）

0 引言

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一項(xiàng)高新技術(shù)，傾斜攝影技術(shù)三維數(shù)據(jù)可真實(shí)反映地物的外觀、位置、高度等屬性。一般傾斜攝影采用五鏡頭相機(jī)，一臺(tái)獲取垂直影像，另外四臺(tái)從前后左右4 個(gè)方向同時(shí)獲取地物的側(cè)視影像，相機(jī)傾斜角度為40°～60°，可以較為完整地獲取地物側(cè)面的輪廓和紋理信息。傾斜攝影數(shù)據(jù)是帶有空間位置信息的可量測(cè)影像數(shù)據(jù)，能輸出DSM、DOM、TDOM、DLG 等多種成果，同時(shí)從垂直、側(cè)視等不同的角度采集影像，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)航空攝影的局限（楊國(guó)東和王民水，2016）。

1 無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)優(yōu)勢(shì)

無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)通過5 個(gè)角度對(duì)地面情況進(jìn)行拍攝，獲得三維數(shù)據(jù)可以真實(shí)的反映地物的本來面貌，客觀地再現(xiàn)了地物的外觀、結(jié)構(gòu)以及高度等屬性，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)遙感技術(shù)的測(cè)量不足，使傾斜攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用更為廣泛。具體優(yōu)勢(shì)如下。

（1）突破了傳統(tǒng)航測(cè)單相機(jī)只能從垂直角度拍攝獲取正射影像的局限，通過在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)影像傳感器，同時(shí)從垂直、傾斜多個(gè)不同角度采集帶有空間信息的真實(shí)影像，以獲取更加全面的地物紋理細(xì)節(jié)，更加真實(shí)地反映地物的實(shí)際情況，并可以利用提取及貼紋理的方式，降低三維建模的成本。

（2）傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是通過借助無人機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量和影像拍攝的，是一種全自動(dòng)的模式，通過實(shí)踐表明，人工1～2a 的人工建模，利用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行三維建模只需要3～5 個(gè)月，大大提高了效率，縮短了時(shí)間。

（3）節(jié)約人力、效率高，能極大地縮短測(cè)繪外業(yè)的協(xié)同工作，解決了由于天氣等外因造成的工作延誤，把原本大量的外業(yè)工作轉(zhuǎn)變成內(nèi)業(yè)工作，極大地縮短了測(cè)量人員的勞動(dòng)時(shí)間，降低了外業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度。

（4）傾斜影像能為用戶提供豐富的地理信息產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)二三維的數(shù)據(jù)疊加和展示，可以輸出DSM、DOM、DLG 等的數(shù)據(jù)成果。為相關(guān)地籍管理信息系統(tǒng)提供輔助決策分析（彌永宏等，2017）。

2 傾斜攝影應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)

傾斜攝影產(chǎn)業(yè)鏈中涉及諸多技術(shù)環(huán)節(jié)，除了硬件設(shè)備的研發(fā)，軟件方面的關(guān)鍵技術(shù)集中于自動(dòng)化建模技術(shù)和平臺(tái)應(yīng)用技術(shù)。目前自動(dòng)化建模技術(shù)主要掌握在國(guó)外，國(guó)內(nèi)有企業(yè)和科研院所正在攻關(guān)中，但尚未達(dá)到國(guó)產(chǎn)替代的程度。平臺(tái)應(yīng)用技術(shù)上國(guó)產(chǎn)軟件則已經(jīng)走到世界的前列。具體包括：海量數(shù)據(jù)加載技術(shù)、單體化技術(shù)、效果修補(bǔ)技術(shù)等。

（1）海量數(shù)據(jù)加載技術(shù)指的是傾斜攝影模型數(shù)據(jù)量往往非常龐大，1km2的數(shù)據(jù)量在0.5～2 GB，這樣中小城市的建成區(qū)就能達(dá)到幾十乃至上百GB（孫宏偉，2014）。不過好在傾斜攝影自動(dòng)化建模軟件可以輸出標(biāo)準(zhǔn)的OSGB 格式，且數(shù)據(jù)本身就自導(dǎo)了的LOD（金字塔層級(jí)結(jié)構(gòu)）。利用數(shù)據(jù)自帶的LOD，超圖軟件通過直接讀取OSGB，并match 運(yùn)用LOD 來優(yōu)化調(diào)度，做到再大的數(shù)據(jù)量也可以實(shí)現(xiàn)瞬間加載，性能非常流暢。

（2）傾斜攝影的單體化技術(shù)就是利用三角面片的可分割性質(zhì)，解決傾斜攝影數(shù)據(jù)的三維模型可分離單體化問題。該方法首先繪制切割多邊形，確定單體化模型邊界，然后使用包圍盒方法進(jìn)行求交檢測(cè)，獲得需要切割的三角面片（點(diǎn)云構(gòu)建的DTM 三角網(wǎng)）。之后計(jì)算求交檢測(cè)所得三角面片與切割多邊形的交點(diǎn)，然后詳細(xì)分析切割多邊形與三角面片相交時(shí)的不同相交情形，并針對(duì)不同的相交情形采用不同的切割方法。最后，對(duì)相交區(qū)域三角面片進(jìn)行裁切并重構(gòu)，再紋理重構(gòu)并實(shí)現(xiàn)多細(xì)節(jié)分層后得到分離的單體化模型。該技術(shù)方法可有效實(shí)現(xiàn)傾斜攝影三維模型的分離單體化（李卉，2017）。如圖1所示。

（3）關(guān)鍵技術(shù)是效果修補(bǔ)。效果修補(bǔ)技術(shù)是指傾斜攝影生成的實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)，通過空洞區(qū)模型導(dǎo)出，邊界自動(dòng)提取，三角網(wǎng)重構(gòu)等方法來實(shí)現(xiàn)空洞修補(bǔ)。傾斜攝影模型是軟件算法自動(dòng)生成，由于算法限制和拍攝角度等原因造成表面不夠平整、底商效果不佳等問題，和人工建模存在明顯差距。天際航軟件可人工干預(yù)休整傾斜模型表面，以及參照街景影像修繕底商效果（譚金石，2015）。超圖軟件則可通過自帶水面符號(hào)彌補(bǔ)傾斜模型的水面空洞，還原波光粼粼的水面效果；以及通過配置點(diǎn)和三維符號(hào)來提供更好的樹木等小品效果。效果示意圖如圖2 所示。

圖1 基于切割三角面片的單體化流程

3 傾斜攝影技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

傾斜攝影技術(shù)優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在和人工建模的對(duì)比的三維模型構(gòu)建上。傾斜攝影自動(dòng)化建模所具備的高效率、高精度、高真實(shí)感、低成本的優(yōu)勢(shì)，決定了這項(xiàng)技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景。

3.1 傾斜攝影在智慧城市中的應(yīng)用

在智慧城市的建立過程中，所有實(shí)體信息均以二維平面圖或者三維模型為載體而呈現(xiàn)，如何利用現(xiàn)有的載體承載最新最完善的實(shí)體信息變得尤為重要。三維模型作為智慧城市基礎(chǔ)信息的有效載體，目前常用的建模類型可以分為：地貌表面模型構(gòu)建、地表建筑物模型構(gòu)建、地表附著物模型構(gòu)建。建筑、橋梁等實(shí)體是智慧城市的重要地表建筑物組成部分，包含了城市的大量信息，其變化日新月異，同時(shí)必須滿足多分辨率、多尺度、多時(shí)空、多種類的應(yīng)用，怎樣既能直觀看到其三維模型，又能直觀展示屬性信息，就需要現(xiàn)有的傾斜攝影三維建模技術(shù)的綜合應(yīng)用。基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)獲得的實(shí)景模型，直觀地為智慧城市的建設(shè)提供了大范圍真實(shí)的地理環(huán)境，建筑信息模型貫穿于建筑物整個(gè)生命周期，承載了建筑物在設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)的整個(gè)生命過程中的所有信息，為智慧城市的建設(shè)提供了豐富的全面的建筑物信息（王樹東，2017）。如圖3 所示鄭州市航空港區(qū)智慧城市部分模型。

圖2 效果修補(bǔ)圖

3.2 傾斜攝影在智慧旅游中的應(yīng)用

基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)的實(shí)景三維數(shù)字虛擬景區(qū)，為游客提供了一種全新的旅游體驗(yàn)，通過旅游平臺(tái)在互聯(lián)網(wǎng)上的發(fā)布，增強(qiáng)了景區(qū)的公共屬性。而隨著傾斜數(shù)據(jù)獲取手段的不斷更新和傾斜三維模型制作流程的不斷智能化，基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)的實(shí)景三維數(shù)字虛擬景區(qū)應(yīng)用趨勢(shì)不可改變。對(duì)于自然風(fēng)光的三維建?？梢赃_(dá)到用地形和影像則時(shí)效性和精細(xì)程度往往都達(dá)不到還原出風(fēng)景的美觀程度，傾斜攝影技術(shù)由于其高分辨率和高真實(shí)感，能真實(shí)立體的還原自然風(fēng)景的狀況（俞建人等，2017）。而傾斜攝影數(shù)據(jù)制作上往往分辨率高、數(shù)據(jù)量大，對(duì)三維GIS 平臺(tái)的支撐能力和穩(wěn)定性提出了更高的要求。如圖4 所示鄭州五一公園三維模型。

3.3 傾斜攝影在房地一體化農(nóng)村宅基地測(cè)量中的應(yīng)用

無人機(jī)傾斜攝影在房地一體化農(nóng)村宅基地測(cè)量中的應(yīng)用有如下特點(diǎn)。

（1）具有靈活、便攜、方便的特點(diǎn)，可以快速地獲取作業(yè)區(qū)實(shí)景三維可視化模型，對(duì)大區(qū)域農(nóng)村不動(dòng)產(chǎn)測(cè)繪項(xiàng)目，可以極大地減少人工外業(yè)作業(yè)量，縮短工期。

（2）利用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)制作的三維實(shí)景模型，人工內(nèi)業(yè)即可繪制房屋的輪廓結(jié)構(gòu)，并可實(shí)現(xiàn)房屋層數(shù)、長(zhǎng)度、面積、高度、體積等屬性信息的量取，減少了外業(yè)房屋巡查和調(diào)查的工作量。

（3）利用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量所獲得的傾斜影像，可以制作正射影像圖外業(yè)調(diào)查工作地圖，輔助外業(yè)修補(bǔ)測(cè)和指界簽字調(diào)查工作，基于三維實(shí)景模型進(jìn)行矢量化地籍圖和房產(chǎn)圖的編輯，改變了外業(yè)實(shí)測(cè)繪圖的方式，提高了作業(yè)效率（邱春霞等，2017）。如圖5 所示靈寶市陽平鎮(zhèn)農(nóng)村房屋不動(dòng)產(chǎn)模型。

3.4 傾斜攝影在違章建筑監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

圖3 智慧城市部分模型

圖4 智慧旅游部分模型

隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，城市當(dāng)中的各項(xiàng)違章建筑層出不窮，雖然相關(guān)管理部門也采取了一定的措施進(jìn)行全面整治查處，但是由于多方面的原因，監(jiān)管力量有限，導(dǎo)致城市當(dāng)中的違章建筑仍然不能得到有效解決。違章建筑既對(duì)城市市容產(chǎn)生了很大的負(fù)面影響，也極大地?cái)_亂了城市建設(shè)過程中的秩序，目前，違章建筑相關(guān)信息主要來源于一些人員的舉報(bào)和工作人員的巡查，對(duì)于空間密閉以及屋頂上的相關(guān)違章建筑，巡查工作很難開展，業(yè)主在不配合的情況下很難進(jìn)行取證。因此，也很難依法處置。隨著無人攝影技術(shù)的不斷發(fā)展，可對(duì)相關(guān)違章建筑采取全方位無死角監(jiān)測(cè)，有效提升工作效率，通過對(duì)比兩次影像圖，便能夠確定違章建筑信息，對(duì)違章建筑信息進(jìn)行真實(shí)有效的記錄，最大程度上杜絕私建亂搭的情況（王健和王繼，2016）。如圖6 所示鄭州市陳寨花卉市場(chǎng)違章建筑監(jiān)測(cè)模型。

圖5 農(nóng)村房屋不動(dòng)產(chǎn)模型

3.5 傾斜攝影在其它行業(yè)中的應(yīng)用

測(cè)繪工作中，無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量可以靈活快速地獲取項(xiàng)目區(qū)影像，完成項(xiàng)正射影像或地形圖的生產(chǎn)、更新，可進(jìn)行竣工測(cè)量等。還可為城市規(guī)劃、自然資源、公安、環(huán)保、應(yīng)急救災(zāi)等各行各業(yè)提供基于三維虛擬現(xiàn)實(shí)的高精度三維地理信息服務(wù)（張春森等，2015）。如圖7 所示。

4 傾斜攝影的發(fā)展和應(yīng)用展望

目前，無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，精度、效率、成本上的優(yōu)勢(shì)有了進(jìn)一步的增強(qiáng)。在未來的發(fā)展中，除了需要在加強(qiáng)軟硬件方面來改進(jìn)傾斜影像處理能力和提高信息提取能力；在行業(yè)規(guī)范方面，更需要解決無人機(jī)使用服務(wù)和管理監(jiān)督不規(guī)范問題。而隨著傾斜攝影技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，原有的很多應(yīng)用都將遷移到傾斜攝影技術(shù)上，并且還將繼續(xù)開拓出更多新的應(yīng)用模式。譬如利用效果好的傾斜攝影真實(shí)模型結(jié)合三維眼罩等虛擬現(xiàn)實(shí)裝備可實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)沉浸式三維體驗(yàn)；隨著傾斜攝影技術(shù)精度的提高和傾斜模型數(shù)據(jù)的豐富，基于完全符合現(xiàn)實(shí)狀況的傾斜模型數(shù)據(jù)將可能實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車自動(dòng)駕駛和無人機(jī)快遞，再一次對(duì)行業(yè)進(jìn)行顛覆；傾斜攝影技術(shù)在互聯(lián)網(wǎng)方面將隨著傾斜模型的保密性問題解決，以及5G 網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)地圖很快升級(jí)為三維地圖，地圖上所見即所得的真三維場(chǎng)景將被廣泛普及（陳興芳等，2016）。

5 結(jié)論

傾斜攝影作為在傳統(tǒng)航空攝影之上發(fā)展起來的新技術(shù)，由于其增加了不同角度的相機(jī)拍攝，使得采集的信息更全面，并在自動(dòng)化建模軟件的支撐下能快速、低成本的構(gòu)建出逼真的三維模型；從而使得傾斜攝影技術(shù)得到蓬勃發(fā)展，并具備廣泛的應(yīng)用前景?？梢哉f，傾斜攝影開辟了一條地理信息應(yīng)用的新道路，在這條大道上，還將不斷的有新的應(yīng)用模式被發(fā)掘出來。在這樣一個(gè)技術(shù)大變革的時(shí)代，傾斜攝影技術(shù)蓬勃發(fā)展，傾斜攝影產(chǎn)業(yè)鏈上的所有成員，都要抓住歷史機(jī)遇，奮勇爭(zhēng)先，努力創(chuàng)新，為傾斜攝影技術(shù)更好更快地應(yīng)用到地理信息產(chǎn)業(yè)和社會(huì)生活的方方面面貢獻(xiàn)自己的一份力量。

圖6 違章建筑監(jiān)測(cè)模型

圖7 三維信息模型