无人机倾斜摄影测量

■ 黄 鹤

上海实景三维模型。上海航遥信息技术有限公司绘制

一、摄影测量的起源

摄影测量是测绘科学与技术学科里一个历史悠久的专业。它起源于早期的图片分析，曾被人称为图像测量学。到1837年，摄影测量的名字才正式被确认下来。19世纪上叶，法国人产生了第一张摄影像片，成为摄影测量学发展历程的起点。

摄影测量主要依据使用的工具、处理的技术不同被划分为四个阶段，模拟摄影测量、解析摄影测量、数字摄影测量和摄影遥感测量。

（一）模拟摄影测量阶段

19世纪中叶，法国军官劳塞达利用被称之为“明箱”的装置测制万森城堡，绘制了详细的地理图。当时采用的是逐点测绘技术。20世纪初，根据奥雷尔的思想和当时的技术水平，维也纳军事地理研究所制成了理论意义上的“自动立体测图仪”。在理论模型的基础上，德国卡尔蔡司厂进行研究、改进和技术引进，最终制造出第一台能够实用的“立体自动测图仪”。该仪器是运用模拟光学投影或是光学-机械投影的相关技术设计出来的。这一发展时期被称为“模拟摄影测量时代”，人们的主要精力放在开发立体测图仪上。到20世纪，仪器的研制和开发达到了一个新高度。

（二）解析摄影测量阶段

计算机技术、自动控制技术和模拟转换技术的发展促进了摄影测量立体测图仪的进一步发展。1957年Heiava提出 “数字投影代替物理投影”这个摄影测量新概念。“光学的、机械的、或光学-机械的”模拟投影就是物理投影。利用电子计算机实时地进行共线方程的计算进而测量目标物的空间位置被称之为数字投影。解析摄影测量技术发现，其中还利用了电算加密技术。以电算加密和解析测图仪的出现为标志，摄影测量正式进入解析摄影测量时代。解析摄影测量阶段的主要特点：一、该阶段技术是采用数字投影技术。二、该阶段使用的仪器大多用计算机来控制系统。三、该阶段不只是用手工操作，已经开始用计算机作为辅助工具。

（三）数字摄影测量阶段

20世纪80年代左右，摄影测量进人了第三个阶段，即数字摄影测量阶段。该阶段是在解析摄影测量的基础上发展起来的，还是采用数字投影采集数据，通过计算机分析和处理形成目标物的形状、大小、空间位置及其性质的技术。数字摄影处理的原始信息范围已经扩大到数字摄影如影像或数字化影像。这个阶段发展的最终目标是以计算机视觉代替人眼的主体观测。

（四）摄影遥感测量阶段

遥感内容和摄影测量技术的内容相差很大，可是本质相同，甚至可以这样理解数字摄影测量时就暗含着遥感技术的运行。近几年，遥感技术的快速发展，空间技术也得到了高速发展。遥感技术开始向测绘学科渗透，两者开始相互融合。现代测绘科学与计算机、通讯科学等进行交叉和渗透形成了地球空间信息科学。摄影测量已经开始采用遥感技术，可以说，摄影测量已经进人遥感时代。

二、倾斜摄影测量

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。

倾斜摄影测量技术是近年来发展起来的一项新的测量技术。它改变了以往航测遥感影像只能从垂直方向拍摄的局限性，倾斜摄影测量技术通过多台传感器从不同的角度进行数据的采集，快速、高效获取丰富的数据信息，真实地反映地面的客观情况，满足人们对三维信息的需求。目前，倾斜摄影测量技术已经应用于实际的生产实践。

通过在同一飞行平台上搭载5台传感器，同时从一个垂直、四个倾斜、五个不同的角度采集影像，拍摄相片的同时，记录航高，航速，航向和旁向重叠，坐标等参数，然后对倾斜影像进行分析和整理。在一个时段，飞机连续拍摄几组影像重叠的照片，同一地物最多能够在3张相片上被找到，这样业内人员可以比较轻松地进行建筑物结构分析，并且能选择最为清晰的一张照片进行纹理制作。向用户提供真实直观的实景信息。影像数据不仅能够真实地反映地物情况，而且可通过先进的定位技术，嵌入地理信息、影像信息，获得更高的用户体验，极大地拓展遥感影像的应用范围。

倾斜摄影技术特点：

1.反映地物真实情况，并且能对地物进行量测

倾斜摄影测量所获得三维数据可真实地反映地物的外观、位置、高度等属性，增强了三维数据所带来的真实感，弥补了传统人工模型仿真度低的缺点，增强了倾斜摄影技术的应用。

2.高性价比

倾斜摄影测量数据是带有空间位置信息的可量测的影像数据，能同时输出DSM、DOM、DLG等数据成果。可在满足传统航空摄影测量的同时获得更多的数据。同时使用倾斜影像批量提取及贴纹理的方式，能够有效地降低城市三维建模成本。

3.高效率

倾斜摄影测量技术借助无人机等飞行载体可以快速采集影像数据，实现全自动化的三维建模。实验数据证明：1～2年的中小城市人工建模工作，借助倾斜摄影测量技术只需3～5个月就可完成。

三、无人机倾斜摄影测量

（一）无人机产业发展

无人机具有机动、灵活、快速、经济等特点，以无人机作为航空摄影平台能够快速高效地获取高质量、高分辨率的影像，无人机在摄影测量中的优势是传统卫星遥感无法比拟的，越来越受到研究者和生产者的青睐，大大地扩大了遥感的应用范围和用户群，具有广阔的应用前景。无人机倾斜摄影测量已经成为未来航空摄影测量的重要手段和国家航空遥感监测体系的重要补充，逐步从研究开发阶段发展到了实际应用阶段。

国内采用的飞行平台有四类：一类是可搭载大型倾斜相机的有人机，如运-5、塞斯纳；一类是动力三角翼；一类是固定翼无人机；一类是多旋翼无人机。前两类搭载大型倾斜相机和轻型倾斜相机，可完成大范围的数据获取工作；后两类搭载微型倾斜相机，可完成小范围重点区域的倾斜摄影工作。

目前国内常用有人机机载相机，虽成像效果优良，但价格在数百万元以上，飞行平台只能租用航空公司设备，其空域申请周期长、成本高，小范围倾斜数据采集的性价比极低；而无人机相机价格也在数十万元左右，搭配配套无人机飞行平台，系统总价也接近百万余元。鉴于此，倾斜摄影数据采集的方法很难得到广泛推广。

在国外，美国航空航天局将无人机应用于森林火灾监测、精确农业、海洋遥感等研究项目。澳大利亚利用全球鹰搭载成像SAR进行海洋监测研究。在国内，红鹏公司微型无人机倾斜摄影系统将无人机技术与倾斜摄影技术有效地结合，自主研发完成了一套微型无人机倾斜摄影系统，包括电动六旋翼无人机、五相机倾斜摄影吊舱、降落伞模块、控制模块等。系统具有成本低、飞行可靠性高、操作使用简单、起飞和着陆场地要求低。定位精度与影像分辨率高等特点，可以满足倾斜摄影测量与快速三维建模对数据获取的要求。目前国内外尚无类似微型倾斜摄影产品平台，弥补了微型超低空低成本获取倾斜摄影测量高分辨率数据的空白，可为测绘、规划、应急、公安、旅游文化等行业提供低廉、高效、敏捷的数据支持与服务，提高了精细三维数据灵活快速获取的能力。应用成果已在公安、应急、测绘、旅游、环保等行业得到了应用验证，获得了用户的好评。社会经济效益显著，具有重要的示范作用和推广价值。

（二）相机小型化集成

随着科技水平的不断提高，倾斜摄影无人机正在不断地趋于小型化，倾斜相机也从传统肥大臃肿发展为越来越小巧方便。

目前，常见的航空摄影倾斜相机主要有以下几种：

四、城市实景三维模型的应用

为了开拓倾斜摄影新的服务领域，形成新的经济增长点，城市三维模型数据开始应用于智慧城市建设，并实现实景三维模型与基础地理信息数据、专题数据相结合。此外，众多基于倾斜摄影实景三维模型的应用研究也在纷纷展开，例如，基于倾斜摄影实景三维模型的城市规划与管理、大比例尺线画图采集、城市交通监管、地下管线综合管理、城市消防服务、物流运输管理以及城市民生服务等等。在不久的将来，基于倾斜摄影实景三维模型应用系统将以真实的视觉效果、流畅的应用体验等显著优势开启人们“别具一格”的生活新模式。

鸟巢+水立方实景三维模型。上海航遥绘制

上海浦东三维街景模型

五、展望

近几年，倾斜摄影测量技术得到了快速发展，由于倾斜摄影测量技术能够获取建筑物、树木等地理实体的纹理细节，丰富了影像数据源信息。同时，高冗余度的航摄影像重叠，为高精度的影像匹配提供了条件，使基于人工智能的三维实体重建成为了可能。分层显示技术、纹理映射技术成为倾斜摄影测量和建模的关键支撑点，极大地提升了三维建模的效率，还降低了建模的生产成本。目前，基于倾斜摄影测量成果的应用还比较少，因此，大量的应用创新点挖掘还需要逐步深入。我们不能局限于倾斜摄影测量技术，还需要将其与雷达、红外、多光谱、高光谱等多种传感器结合，将他们集成在更小的无人机上拓宽摄影测量技术的应用范围，未来基于点云数据计算的大规模三维数据生产会让工程测量、三维建模等工作产生颠覆性的变革，开启三维遥感的新时代。

虽然按照目前的发展趋势来看，未来无人机测绘将会越来越普及，但是还有很多因素制约着行业的发展。

（一）空域限制

民用无人机作业需要使用空域资源。在我国低空尚未开放的大背景下，如果说“有人机”通用航空的空域管理已经开始探索试验，那么无人机的空域管理仍然难以有效实施。尽管民航局对《无人机空域管理规定》已开展意见征集，但法规确立及其有效执行尚需时日。无人机飞行计划如何申报、向谁申报，申报应具备哪些条件，以及在哪些空域里可以飞行等问题依然没有明确答案。

依据现有《一般运行和飞行规则》第91.119条规定， “在人口稠密区以外地区的上空，航空器不得低于离地高度150米”。也就是说，在远离机场等敏感地和人口稠密区的情况下，探索将高度150米以下的空域分配给无人机作为隔离空域使用，或可作为无人机空域管理的优先尝试方向。

（二）模型单体化

倾斜模型可以看作是一张表面覆盖了高分辨率的连续的TIN三角网，这张连续的TIN三角网在带给我们更加逼真的倾斜模型的同时，也给我们出了一道不可避免的难题—在GIS管理和应用中，若倾斜摄影模型不能进行对象的单独选中和查询，就只能和影像一样作为底图浏览，无法进一步深入应用，由此引出了倾斜摄影的单体化技术。

“单体化”其实指的是每一个我们想要单独管理的对象，都是一个个单独的、可以被选中分离的实体对象，可以赋予属性，可以被查询统计等等。只有具备了“单体化”的能力，数据才可以被管理，而不仅仅是被用来查看。在大多数GIS应用中，能对建筑等地物进行单独的选中、赋予属性、查询分析等是最基本的功能要求。因此，单体化成为倾斜摄影模型在GIS应用中必须解决的难题。

（三）模型的实质性应用

现如今，通过倾斜摄影技术生成的三维模型能够真实地反应地物情况，符合人眼视觉的真实直观世界，具有精度高、现实感强的特点。但是，目前国内没有国产工程化的倾斜影像三维建模集群处理软件，也缺少对OSGB等三维数据直接进行批量化生产编辑的软件，海量倾斜影像三维模型的存储、管理、发布、应用等存在不少技术难点，多数用户的应用系统还不能很好地接受和使用倾斜摄影所生成的三维模型。因此，倾斜摄影三维模型也被贴上了“中看不中用”的标签。

（四）室内三维空间的补充

目前，无人机倾斜摄影测量的数据采集区域主要是野外，三维模型也大多是土地山丘或建筑物外表，相对而言，建筑物内部空间的信息完全没有。然而，由于无人机在室内只能采用视觉定位，对室内的光线和纹理具有较高的要求，例如在反光的瓷砖地面上，无人机的定位就会出现较大偏差，造成事故。因此，利用无人机进行室内定位和室内模型重建还有待进一步挖掘。