倾斜摄影建模技术原理

四问倾斜摄影建模技术

文/超图研究院

（导语）倾斜摄影测量技术以大范围、高精度、高清晰的方式全面感知复杂场景，通过高效的数据采集设备及专业的数据处理流程生成的数据成果直观反映地物的外观、位置、高度等属性，为真实效果和测绘级精度提供保证。同时有效提升模型的生产效率，采用人工建模方式一两年才能完成的一个中小城市建模工作，通过倾斜摄影建模方式只需要三至五个月时间即可完成，大大降低了三维模型数据采集的经济代价和时间代价。

什么是倾斜摄影？

倾斜摄影技术是国际测绘遥感领域近年发展起来的一项高新技术，通过在同一飞行平台上搭载多台传感器（如图 1所示，目前常用的是五镜头相机），同时从垂直、倾斜等不同角度采集影像，获取地面物体更为完整准确的信息。垂直地面角度拍摄获取的影像称为正片（一组影像），镜头朝向与地面成一定夹角拍摄获取的影像称为斜片（四组影像）。

图 1

图 2一组影像获取示意图

图 3连续几组影像获取示意图

正拍影像 倾斜影像

图 4 正拍影像与倾斜影像对比图

图 5 同一地物四个侧面倾斜影像

倾斜摄影建模技术有哪些工作流程？

1、 倾斜影像采集

倾斜摄影技术不仅在摄影方式上区别于传统的垂直航空摄影，其后期数据处理及成果也大不相同。倾斜摄影技术的主要目的是获取地物多个方位（尤其是侧面）的信息并可供用户多角度浏览，实时量测，三维浏览等获取多方面的信息。

1) 倾斜摄影系统构成

倾斜摄影系统分为三大部分，第一部分为飞行平台，小型飞机或者无人机；第二部分为人员，机组成员和专业航飞人员或者地面指挥人员（无人机）

，第三部分为仪器部分，传感

器（多头相机、GPS定位装置获取曝光瞬间的三个线元素x，y，z）和姿态定位系统（记录相机曝光瞬间的姿态，三个角元素φ、ω、κ）。

2)倾斜摄影航线设计及相机的工作原理

倾斜摄影的航线设计采用专用航线设计软件进行设计，其相对航高、地面分辨率及物理像元尺寸满足三角比例关系。航线设计一般采取30%的旁向重叠度，66%的航向重叠度，目前要生产自动化模型，旁向重叠度需要到达66%，航向重叠度也需要达到66%。航线设计软件生成一个飞行计划文件，该文件包含飞机的航线坐标及各个相机的曝光点坐标位置。实际飞行中，各个相机根据对应的曝光点坐标自动进行曝光拍摄。

2、倾斜影像加工

数据获取完成后，首先要对获取的影像进行质量检查，对不合格的区域进行补飞，直到获取的影像质量满足要求；其次进行匀光匀色处理，在飞行过程中存在时间和空间上的差异，影像之间会存在色偏，这就需要进行匀光匀色处理；再次进行几何校正、同名点匹配、区域网联合平差，最后将平差后的数据（三个坐标信息及三个方向角信息）赋予每张倾斜影像，使得他们具有在虚拟三维空间中的位置和姿态数据，至此倾斜影像即可进行实时量测，每张斜片上的每个像素对应真实的地理坐标位置。

倾斜影像的产品规格如下：

倾斜影像有以下特点：

1）反映地物周边真实情况

相对于正射影像，倾斜影像能让用户从多个角度观察地物，更加真实的反映地物的实际情况，极大的弥补了基于正射影像应用的不足。

2）倾斜影像可实现单张影像量测

通过配套软件的应用，可直接基于成果影像进行包括高度、长度、面积、角度、坡度等的量测，扩展了倾斜摄影技术在行业中的应用。

3）建筑物侧面纹理可采集

针对各种三维数字城市应用，利用航空摄影大规模成图的特点，加上从倾斜影像批量提取及贴纹理的方式，能够有效的降低城市三维建模成本。

4）易于网络发布

倾斜影像的数据格式可采用成熟的技术快速进行网络发布，实现共享应用。

针对这些特点，倾斜摄影测量技术通常包括影像预处理、区域网联合平差、多视影像匹配、DSM 生成、真正射纠正、三维建模等关键内容其基本原理如所示：

图 6

倾斜摄影数据加工的关键技术：

1）多视影像联合平差

多视影像不仅包含垂直摄影数据，还包括倾斜摄影数据，而部分传统空中三角测量系统无法较好地处理倾斜摄影数据，因此，多视影像联合平差需充分考虑影像间的几何变形和遮挡关系。结合POS 系统提供的多视影像外方位元素，采取由粗到精的金字塔匹配策略在每级影像上进行同名点自动匹配和自由网光束法平差，得到较好的同名点匹配结果。同时建立连接点和连接线、控制点坐标、GPS/IMU辅助数据的多视影像自检校区域网平差的误差方程，通过联合解算，确保平差结果的精度。

2）多视影像密集匹配

影像匹配是摄影测量的基本问题之一，多视影像具有覆盖范围大、分辨率高等特点。因此如何在匹配过程中充分考虑冗余信息，快速准确获取多视影像上的同名点坐标，进而获取地物的三维信息是多视影像匹配的关键。

由于单独使用一种匹配基元或匹配策略往往难以获取建模需要的同名点，因此近年来随着计算机视觉发展起来的多基元、多视影像匹配逐渐成为人们研究的焦点。目前在该领域的研究已取得很大进展，例如建筑物侧面的自动识别与提取。通过搜索多视影像上的特征如建筑物边缘、墙面边缘和纹理来确定建筑物的二维矢量数据集影像上不同视角的二维特征可以转化为三维特征，在确定墙面时，可以设置若干影响因子并给予一定的权值，将墙面分为不同的类，将建筑的各个墙面进行平面扫描和分割，获取建筑物的侧面结构，再通过对侧面进行重构，提取出建筑物屋顶的高度和轮廓。

3）数字表面模型生产

多视影像密集匹配能得到高精度高分辨率的数字表面模型(DSM)，充分表达地形地物起伏特征，已经成为新一代空间数据基础设施的重要内容。由于多角度倾斜影像之间的尺度差异较大，加上较严重的遮挡和阴影等问题，基于倾斜影像的 DSM 自动获取存在新的难点。

可以首先根据自动空三解算出来的各影像外方位元素，分析与选择合适的影像匹配单元进行特征匹配和逐像素级的密集匹配，并引入并行算法，提高计算效率。在获取高密度 DSM数据后，进行滤波处理，并将不同匹配单元进行融合，形成统一的 DSM。

4）真正射影像纠正

多视影像真正射纠正涉及物方连续的数字高程模型(DEM)和大量离散分布粒度差异很大的地物对象，以及海量的像方多角度影像，具有典型的数据密集和计算密集特点。

因此多视影像的真正射纠正，可分为物方和像方同时进行。在有 DSM 的基础上根据物方连续地形和离散地物对象的几何特征，通过轮廓提取、面片拟合、屋顶重建等方法提取物方语义信息，同时在多视影像上通过影像分割、边缘提取、纹理聚类等方法获取像方语义信息，再根据联合平差和密集匹配的结果建立物方和像方的同名点对应关系，继而建立全局优化采样策略和顾及几何辐射特性的联合纠正，同时进行整体匀光处理，实现多视影像的真正射纠正。

3、倾斜模型生产

倾斜摄影获取的倾斜影像经过影像加工处理，通过专用测绘软件可以生产倾斜摄影模型，模型有两种成果数据：一种是单体对象化的模型，一种是非单体化的模型数据。

单体化的模型成果数据，利用倾斜影像的丰富可视细节，结合现有的三维线框模型（或者其他方式生产的白模型），通过纹理映射，生产三维模型，这种工艺流程生产的模型数据是对象化的模型，单独的建筑物可以删除、修改及替换，其纹理也可以修改，尤其是建筑物底商这种时常变动的信息，这种模型就能体现出它的优势，国内比较有代表性的公司如天际航、东方道迩等均可以生产该类型的模型，并形成了自己独特的工艺流程。

非单体化的模型成果数据，后面简称倾斜模型，这种模型采用全自动化的生产方式，模型生产周期短、成本低，获得倾斜影像后，经过匀光匀色等步骤，通过专业的自动化建模软件生产三维模型，这种工艺流程一般会经过多视角影像的几何校正、联合平差等处理流程，可运算生成基于影像的超高密度点云，点云构建TIN模型，并以此生成基于影像纹理的高分辨率倾斜摄影三维模型，因此也具备倾斜影像的测绘级精度。影像提取的中间数据（点云）效果图，如图 7所示：

图 7

点云构建TIN模型，如图 8、图 9所示：

图 8

图 9

纹理映射构建真实三维模型，如图 10所示：

图

10

这种全自动化的生产方式大大减少了建模的成本，模型的生产效率大幅提高，大量的自动化模型涌现出来，目前国内比较有代表性的技术有上海埃弗艾代理的（Smart3DCapure）、华正及AirBus代理的（街景工厂）等。Smart3DCapure软件基于图形运算单元GPU的快速三维场景运算软件，可运算生成基于真实影像的超高密度点云，它能无需人工干预地从简单连续影像中生成逼真的三维场景模型，国内使用该软件的公司单位有（广州红鹏、上海航遥、四维数创、河北测绘院、四川测绘院、湖南第二测绘院等）。像素工厂通过对获得的倾斜影像进行几何处理、多视匹配、三角网构建，提取典型地物的纹理特征，并对该纹理进行可视化处理，最终得到三维模型；国外代表性的有苹果公司收购C3公司采用的自动建模技术，美国Pictometry公司的Pictometry倾斜影像处理软件提供了EFS（Electronic Field Study）。

无论是单体化的还是非单体化的倾斜摄影模型，在如今的GIS应用领域都发挥了巨大的作用，真实的空间地理基础数据为GIS行业提供了更为广阔的应用基石。单体化的倾斜摄影模型在GIS应用中与传统的手工模型一致，这里就不在赘述。

4、倾斜模型应用

一幅图像胜过千言万语，惟有直观立体的方式才能做到赋予领导者敏锐的洞察力。相对于二维地图，在智慧城市的管理体系中，倾斜摄影模型能让用户从多个角度观察地物，更加真实地反映地物的实际情况，弥补基于二维地图及传统虚拟三维模型应用的不足。

SuperMap GIS高效加载海量倾斜模型数据，流场的三维体验满足了旅游、景区等行业应用；轻松实单体化操作与表达，为房产、国土、城管、智慧城市等行业应用提供了基础平台；实用的压平操作，模拟建筑物拆除，满足规划行业应用；还可以进行包括高度、长度、面积、角度、坡度等的量测，应用于水利、能源开采等管理系统；同时超图软件提供了基于GPU的三维空间分析功能，结合倾斜摄影模型的高精度，分析出供决策者参考的准确数值指标；在三维场景中能看到房屋侧面的紧急出口，倾斜模型上任意点之间可以进行准确量算，比如计算通视距离、设计制高点和狙击方案等，这些事发地周围的详细信息，在应急行动中关乎人员及财产的安全，有时甚至能起到决定性作用。

美国“9·11”恐怖袭击发生后，美国军方立刻使用倾斜摄影测量技术获取了五角大楼影像，迅速了解现场情况，并制定了最合理的执行方案。目前，该技术已经在美国警方普及应用，帮助后方指挥人员掌握最细致的案发地情况，以便发出合理的指令。这样不仅提高了执行效率，而且提高了警务人员的安全性，取得了良好的效果。

倾斜摄影建模技术有哪些优势？

传统三维建模通常使用3ds Max、AutoCAD等建模软件，基于影像数据、CAD平面图或者拍摄图片估算建筑物轮廓与高度等信息进行人工建模。这种方式制作出的模型数据精度较低，纹理与实际效果偏差较大，并且生产过程需要大量的人工参与；同时数据制作周期较长，造成数据的时效性较低，因而无法真正满足用户需要。

倾斜摄影测量技术以大范围、高精度、高清晰的方式全面感知复杂场景，通过高效的数据采集设备及专业的数据处理流程生成的数据成果直观反映地物的外观、位置、高度等属性，为真实效果和测绘级精度提供保证。同时有效提升模型的生产效率，采用人工建模方式一两年才能完成的一个中小城市建模工作，通过倾斜摄影建模方式只需要三至五个月时间即可完

成，大大降低了三维模型数据采集的经济代价和时间代价。目前，国内外已广泛开展倾斜摄影测量技术的应用，倾斜摄影建模数据也逐渐成为城市空间数据框架的重要内容。

倾斜摄影模型未来的应用与发展前景如何？

倾斜摄影模型具有真实的影像纹理，因而每个模型三角面都与其纹理一一对应，这样模型的数据量就非常庞大，对GIS软件的加载及实时渲染是一个难点；倾斜摄影模型本身并不是一个一个的单体模型，所有的地物都连在了一起，成为“一张皮”，那么如何管理、查询、分析、应用就成为非单体化倾斜摄影模型应用的又一难点。

超图软件提出了直接加载倾斜摄影模型，不需要进行数据格式转换，方便快捷的加载显示倾斜摄影模型，这样用户获取数据之后第一时间可以在GIS软件中进行浏览，测量等操作，数据本身带有LOD结构，充分利用这种金字塔结构，结合动态调度解决了海量倾斜摄影模型加载浏览的难题；超图软件结合自身二三维一体化优势，提出了叠加二维矢量面的方式实现了倾斜摄影模型的单体化技术，利用现有的二维矢量面数据，叠加到三维场景中，可以实现模型的单体化操作，属性查询操作、sql查询操作、周边查询操作及专题图制作等GIS 基础功能。

倾斜摄影是从高空中获取地面信息，当建筑较为密集的区域，或者树木遮挡较为严重区域，这种自动化建模效果就表现的比较一般，这些区域除了通过补拍等其他手段获取信息外，也可以采用街景或者全景数据融合建模，这样建筑物底部同样可以达到比较好的效果。

这种以“全要素、全纹理”的方式来表达空间，提供了不需要解析的语义，是物理城市的全息再现，倾斜摄影三维技术是当今三维建模技术的主流，也代表着未来的发展方向。