基于無人機傾斜攝影測量的關鍵技術及應用分析

喬天榮，馬培果，許連峰，劉平利

（1.河南省地質調查院，河南 鄭州 450001；2.鄭州麥普空間規劃勘測設計有限公司，河南 鄭州 450001；3.河南省地質科學研究所，河南 鄭州 450001）

0 引言

傾斜攝影測量技術是近年來發展起來的一項高新技術，傾斜攝影技術三維數據可真實反映地物的外觀、位置、高度等屬性。一般傾斜攝影采用五鏡頭相機，一臺獲取垂直影像，另外四臺從前后左右4 個方向同時獲取地物的側視影像，相機傾斜角度為40°～60°，可以較為完整地獲取地物側面的輪廓和紋理信息。傾斜攝影數據是帶有空間位置信息的可量測影像數據，能輸出DSM、DOM、TDOM、DLG 等多種成果，同時從垂直、側視等不同的角度采集影像，有效彌補了傳統航空攝影的局限（楊國東和王民水，2016）。

1 無人機傾斜攝影測量技術優勢

無人機傾斜攝影測量技術通過5 個角度對地面情況進行拍攝，獲得三維數據可以真實的反映地物的本來面貌，客觀地再現了地物的外觀、結構以及高度等屬性，彌補了傳統遙感技術的測量不足，使傾斜攝影測量技術應用更為廣泛。具體優勢如下。

（1）突破了傳統航測單相機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上搭載多臺影像傳感器，同時從垂直、傾斜多個不同角度采集帶有空間信息的真實影像，以獲取更加全面的地物紋理細節，更加真實地反映地物的實際情況，并可以利用提取及貼紋理的方式，降低三維建模的成本。

（2）傾斜攝影測量技術是通過借助無人機進行數據測量和影像拍攝的，是一種全自動的模式，通過實踐表明，人工1～2a 的人工建模，利用傾斜攝影測量技術進行三維建模只需要3～5 個月，大大提高了效率，縮短了時間。

（3）節約人力、效率高，能極大地縮短測繪外業的協同工作，解決了由于天氣等外因造成的工作延誤，把原本大量的外業工作轉變成內業工作，極大地縮短了測量人員的勞動時間，降低了外業勞動強度。

（4）傾斜影像能為用戶提供豐富的地理信息產品，實現二三維的數據疊加和展示，可以輸出DSM、DOM、DLG 等的數據成果。為相關地籍管理信息系統提供輔助決策分析（彌永宏等，2017）。

2 傾斜攝影應用的關鍵技術

傾斜攝影產業鏈中涉及諸多技術環節，除了硬件設備的研發，軟件方面的關鍵技術集中于自動化建模技術和平臺應用技術。目前自動化建模技術主要掌握在國外，國內有企業和科研院所正在攻關中，但尚未達到國產替代的程度。平臺應用技術上國產軟件則已經走到世界的前列。具體包括：海量數據加載技術、單體化技術、效果修補技術等。

（1）海量數據加載技術指的是傾斜攝影模型數據量往往非常龐大，1km2的數據量在0.5～2 GB，這樣中小城市的建成區就能達到幾十乃至上百GB（孫宏偉，2014）。不過好在傾斜攝影自動化建模軟件可以輸出標準的OSGB 格式，且數據本身就自導了的LOD（金字塔層級結構）。利用數據自帶的LOD，超圖軟件通過直接讀取OSGB，并match 運用LOD 來優化調度，做到再大的數據量也可以實現瞬間加載，性能非常流暢。

（2）傾斜攝影的單體化技術就是利用三角面片的可分割性質，解決傾斜攝影數據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行求交檢測，獲得需要切割的三角面片（點云構建的DTM 三角網）。之后計算求交檢測所得三角面片與切割多邊形的交點，然后詳細分析切割多邊形與三角面片相交時的不同相交情形，并針對不同的相交情形采用不同的切割方法。最后，對相交區域三角面片進行裁切并重構，再紋理重構并實現多細節分層后得到分離的單體化模型。該技術方法可有效實現傾斜攝影三維模型的分離單體化（李卉，2017）。如圖1所示。

（3）關鍵技術是效果修補。效果修補技術是指傾斜攝影生成的實景三維模型數據，通過空洞區模型導出，邊界自動提取，三角網重構等方法來實現空洞修補。傾斜攝影模型是軟件算法自動生成，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彌補傾斜模型的水面空洞，還原波光粼粼的水面效果；以及通過配置點和三維符號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 傾斜攝影技術的應用領域

傾斜攝影技術優勢體現在和人工建模的對比的三維模型構建上。傾斜攝影自動化建模所具備的高效率、高精度、高真實感、低成本的優勢，決定了這項技術具有廣泛的應用前景。

3.1 傾斜攝影在智慧城市中的應用

在智慧城市的建立過程中，所有實體信息均以二維平面圖或者三維模型為載體而呈現，如何利用現有的載體承載最新最完善的實體信息變得尤為重要。三維模型作為智慧城市基礎信息的有效載體，目前常用的建模類型可以分為：地貌表面模型構建、地表建筑物模型構建、地表附著物模型構建。建筑、橋梁等實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，同時必須滿足多分辨率、多尺度、多時空、多種類的應用，怎樣既能直觀看到其三維模型，又能直觀展示屬性信息，就需要現有的傾斜攝影三維建模技術的綜合應用。基于傾斜攝影測量技術獲得的實景模型，直觀地為智慧城市的建設提供了大范圍真實的地理環境，建筑信息模型貫穿于建筑物整個生命周期，承載了建筑物在設計、施工、運營的整個生命過程中的所有信息，為智慧城市的建設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智慧城市部分模型。

圖2 效果修補圖

3.2 傾斜攝影在智慧旅游中的應用

基于傾斜攝影測量技術實現的實景三維數字虛擬景區，為游客提供了一種全新的旅游體驗，通過旅游平臺在互聯網上的發布，增強了景區的公共屬性。而隨著傾斜數據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，基于傾斜攝影測量技術實現的實景三維數字虛擬景區應用趨勢不可改變。對于自然風光的三維建模可以達到用地形和影像則時效性和精細程度往往都達不到還原出風景的美觀程度，傾斜攝影技術由于其高分辨率和高真實感，能真實立體的還原自然風景的狀況（俞建人等，2017）。而傾斜攝影數據制作上往往分辨率高、數據量大，對三維GIS 平臺的支撐能力和穩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村宅基地測量中的應用

無人機傾斜攝影在房地一體化農村宅基地測量中的應用有如下特點。

（1）具有靈活、便攜、方便的特點，可以快速地獲取作業區實景三維可視化模型，對大區域農村不動產測繪項目，可以極大地減少人工外業作業量，縮短工期。

（2）利用無人機傾斜攝影測量技術制作的三維實景模型，人工內業即可繪制房屋的輪廓結構，并可實現房屋層數、長度、面積、高度、體積等屬性信息的量取，減少了外業房屋巡查和調查的工作量。

（3）利用無人機傾斜攝影測量所獲得的傾斜影像，可以制作正射影像圖外業調查工作地圖，輔助外業修補測和指界簽字調查工作，基于三維實景模型進行矢量化地籍圖和房產圖的編輯，改變了外業實測繪圖的方式，提高了作業效率（邱春霞等，2017）。如圖5 所示靈寶市陽平鎮農村房屋不動產模型。

3.4 傾斜攝影在違章建筑監測中的應用

圖3 智慧城市部分模型

圖4 智慧旅游部分模型

隨著城市化進程的不斷加快，城市當中的各項違章建筑層出不窮，雖然相關管理部門也采取了一定的措施進行全面整治查處，但是由于多方面的原因，監管力量有限，導致城市當中的違章建筑仍然不能得到有效解決。違章建筑既對城市市容產生了很大的負面影響，也極大地擾亂了城市建設過程中的秩序，目前，違章建筑相關信息主要來源于一些人員的舉報和工作人員的巡查，對于空間密閉以及屋頂上的相關違章建筑，巡查工作很難開展，業主在不配合的情況下很難進行取證。因此，也很難依法處置。隨著無人攝影技術的不斷發展，可對相關違章建筑采取全方位無死角監測，有效提升工作效率，通過對比兩次影像圖，便能夠確定違章建筑信息，對違章建筑信息進行真實有效的記錄，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違章建筑監測模型。

圖5 農村房屋不動產模型

3.5 傾斜攝影在其它行業中的應用

測繪工作中，無人機傾斜攝影測量可以靈活快速地獲取項目區影像，完成項正射影像或地形圖的生產、更新，可進行竣工測量等。還可為城市規劃、自然資源、公安、環保、應急救災等各行各業提供基于三維虛擬現實的高精度三維地理信息服務（張春森等，2015）。如圖7 所示。

4 傾斜攝影的發展和應用展望

目前，無人機傾斜攝影測量技術已經取得了長足進步，精度、效率、成本上的優勢有了進一步的增強。在未來的發展中，除了需要在加強軟硬件方面來改進傾斜影像處理能力和提高信息提取能力；在行業規范方面，更需要解決無人機使用服務和管理監督不規范問題。而隨著傾斜攝影技術的進一步發展，原有的很多應用都將遷移到傾斜攝影技術上，并且還將繼續開拓出更多新的應用模式。譬如利用效果好的傾斜攝影真實模型結合三維眼罩等虛擬現實裝備可實現實現沉浸式三維體驗；隨著傾斜攝影技術精度的提高和傾斜模型數據的豐富，基于完全符合現實狀況的傾斜模型數據將可能實現對汽車自動駕駛和無人機快遞，再一次對行業進行顛覆；傾斜攝影技術在互聯網方面將隨著傾斜模型的保密性問題解決，以及5G 網絡的發展，中國互聯網地圖很快升級為三維地圖，地圖上所見即所得的真三維場景將被廣泛普及（陳興芳等，2016）。

5 結論

傾斜攝影作為在傳統航空攝影之上發展起來的新技術，由于其增加了不同角度的相機拍攝，使得采集的信息更全面，并在自動化建模軟件的支撐下能快速、低成本的構建出逼真的三維模型；從而使得傾斜攝影技術得到蓬勃發展，并具備廣泛的應用前景。可以說，傾斜攝影開辟了一條地理信息應用的新道路，在這條大道上，還將不斷的有新的應用模式被發掘出來。在這樣一個技術大變革的時代，傾斜攝影技術蓬勃發展，傾斜攝影產業鏈上的所有成員，都要抓住歷史機遇，奮勇爭先，努力創新，為傾斜攝影技術更好更快地應用到地理信息產業和社會生活的方方面面貢獻自己的一份力量。

圖6 違章建筑監測模型

圖7 三維信息模型