什么是傾斜攝影測量

　　傾斜航空攝影是相對于豎直航空攝影而言的，傳統(tǒng)的航空攝影以獲得正射影像為目的，采用像片傾角小于2-3°的攝影方式，稱為豎直航空攝影。這一方式便于后續(xù)的正射糾正與立體測圖等處理工作，但是會失去地物的側(cè)立面細節(jié)。事實上，傾斜攝影也可以獲得正射影像，但是傾角過大時，正射糾正需要更高的像片重疊度，投影差也會更大，精度會下降，采集成本也會增加。但是，近年來，多鏡頭航攝儀的發(fā)展很好的克服了精度問題，同時實現(xiàn)了對地物頂部和側(cè)立面的建模和紋理采集，使得傾斜航空攝影在大范圍三維建模方面表現(xiàn)出了卓越的能力。傾斜攝影可以一次性獲取幾十平方公里的城市建筑物及地形模型，建模速度快，紋理真實性強，具有非常有沖擊力的視覺感受。同時，傾斜航空攝影也能在建模之余，獲得正射影像和數(shù)字高程模型。傾斜攝影也不是完美的，由于航攝時航高的因素接近于地表的細節(jié)損失相當(dāng)嚴(yán)重。目前呈現(xiàn)出無人機低空攝影表現(xiàn)優(yōu)于大飛機高空航攝的趨勢，但無人機單次采集區(qū)域又過小，而且依然無法保證地面細節(jié)的完美。未來采用低空傾斜＋地面激光掃描結(jié)合可能是建模最優(yōu)方案。

　　所謂“站在巨人的肩膀上”在這篇文章中就很好的體現(xiàn)出來了，本文的一些圖和一些概念就是借鑒“巨人”發(fā)表的文章中的圖和概念。這還得感謝這些“巨人”把我們領(lǐng)向一條光明大道。我不是攝影測量的專業(yè)人士，GIS圈也只是個剛?cè)腴T的菜鳥。請允許我從一個菜鳥的角度，來說說那些菜鳥入門級的傾斜攝影測量知識。

　　近些年，傾斜攝影測量在GIS圈掀起了一陣巨浪，有人說他顛覆傳統(tǒng)的測繪領(lǐng)域，有人說他替代了傳統(tǒng)建模方式。正因為傾斜攝影測量被帶上了這么多光環(huán)，人們開始對他有形形色色的猜想，讓它變得越來越神秘。就讓咱們來看看傾斜攝影數(shù)據(jù)的效果圖。

　　我們來看看傾斜攝影測量，和我們傳統(tǒng)的影像有什么區(qū)別？

　　從數(shù)據(jù)采集的方式來看，傳統(tǒng)影像是通過飛機上搭載的航攝儀對地面連續(xù)攝取相片，而后經(jīng)過一系列的內(nèi)業(yè)處理得到的影像數(shù)據(jù)，獲取的成果只有地物俯視角度信息，也就是視角垂直于地面。而傾斜攝影測量測試通過飛機或無人機搭載5個相機從前、后、左、右、垂直五個方向?qū)Φ匚镞M行拍攝，再通過內(nèi)業(yè)的幾何校正、平差、多視影像匹配等一系列的處理得到的具有地物全方位信息的數(shù)據(jù)。簡單理解就是，影像上地物是在一個平面的，傾斜攝影測量地物是具有真實高度的。

　　我們知道了傾斜攝影數(shù)據(jù)采集的方式，通過傾斜攝影數(shù)據(jù)加工的關(guān)鍵技術(shù)，比如多視影像聯(lián)合平差、多視影像關(guān)鍵匹配、數(shù)字表面模型生產(chǎn)和真正射影像糾正等，得到地表數(shù)據(jù)更多的側(cè)面信息，加上內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，得到數(shù)據(jù)的三維模型。

　　下面，小伙伴們一起來揭開傾斜攝影測量數(shù)據(jù)神秘的面紗吧！傾斜攝影測量的數(shù)據(jù)本質(zhì)上來看是mesh模型，什么是mesh模型呢？mesh模型就是網(wǎng)格面模型，它是點云通過一些算法，比如區(qū)域增長法、八叉樹算法和波前算法等等構(gòu)成的。而點云是在同一空間參考系下用來表示目標(biāo)空間分布和目標(biāo)表面特性的海量點集合。內(nèi)業(yè)軟件基于幾何校正，聯(lián)合平差等處理流程，可計算出基于影像的超高密度點云，如下圖：

　　最后經(jīng)過紋理映射構(gòu)建真實三維模型，如下圖：

　　下面我們說說傾斜攝影測量常用的處理軟件。目前國內(nèi)外比較流行的傾斜攝影自動建模軟件如下：
　　1）VirtualGeo是一款具備最新技術(shù)的三維地理信息可視化軟件，由全球領(lǐng)先的虛擬現(xiàn)實和仿真系統(tǒng)產(chǎn)品和服務(wù)提供商法國DIGINEXT公司研發(fā)，為各行業(yè)用戶提供全面的三維地理信息融合、可視化、分析和行業(yè)應(yīng)用解決方案。目前，VirtualGeo已在法國、英國、德國、美國、澳大利亞、意大利、日本等40多個國家和眾多部門應(yīng)用，應(yīng)用領(lǐng)域深入國防、軍事等軍用和城市規(guī)劃、環(huán)保、科研、交通規(guī)劃等民用各個行業(yè)。

       2） 法國INFOTERRA公司的像素工廠（Pixel Factory）StreetFactory子系統(tǒng)通過對獲得的傾斜影像進行幾何處理、多視匹配、三角網(wǎng)構(gòu)建，提取典型地物的紋理特征，并對該紋理進行可視化處理，最終得到三維模型。
　　3） 美國蘋果公司收購C3公司所采用自動建模技術(shù)。
　　4） 美國Pictometry公司的Pictometry傾斜影像處理軟件提供了EFSElectronic Field Study。
　　5） 國內(nèi)有多家企業(yè)及單位對傾斜模型也有比較深入的研究，形成自己獨特的模型工藝流程。

　　目前網(wǎng)絡(luò)上可以方便找到VirtualGeo，是一款具備最新技術(shù)的三維地理信息可視化，軟件了解地址：http://www.1you.com.cn/Products/virtualgeo21.html

　　可以用傾斜攝影測量的數(shù)據(jù)做些啥呢？

　　傾斜攝影測量的數(shù)據(jù)有這么多的好處，比如瀏覽速度快、數(shù)據(jù)加載快、數(shù)據(jù)精度高、數(shù)據(jù)真實性高、人員成本低、和數(shù)據(jù)獲取耗時短等等，但是用過的人都知道，單體化是傾斜攝影測量應(yīng)用的一大問題，為什么這么說呢？咱們的傾斜攝影數(shù)據(jù)是一個整體，不像簡單模型那樣是一個或者同類對象組成的，所以咱們想要傾斜模型像簡單模型那樣能夠進行查詢、分析和編輯等功能，這就是傾斜模型存在的一個大問題。

　　那么什么叫單體化？我們有必要先了解下這個概念。簡單的說單體化也就是獲取或者分離一個場景中的單個或者一類對象。怎樣獲取或者分離呢？不同的人有不同的看法，比如說一些人認(rèn)為應(yīng)該用切割的方式來獲取或者分離；而則是用矢量化的方式來獲取或者分離，這主要是得益于二三維一體化的技術(shù)，將二三維的矢量數(shù)據(jù)與傾斜攝影測量數(shù)據(jù)相結(jié)合，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的單體化，有了這個法寶，什么查詢，分析，編輯等等功能的實現(xiàn)就水到渠成了。我就以這兩種方式來談?wù)剢误w化問題。

　　提倡切割的人認(rèn)為，單體化單體化，不僅僅是要單體，而且還要實現(xiàn)分離的效果，最后把同類的給分離出來，完成分離之后給后期基于此數(shù)據(jù)做查詢、分析和編輯等功能時提供方便。現(xiàn)在我們來看看切割出來的效果：

　　上面兩張圖看來切割的方式展現(xiàn)出來的效果還蠻不錯的，有條有理的，但是當(dāng)你拉近到一定程度的時候效果是這樣的：

　　這樣看來切割的缺點就不言而喻了，出現(xiàn)的鋸齒狀是用戶最不愿看到的，而且這也不是傾斜攝影該有的展示效果。這是效果問題，那么對于傾斜攝影的話，我們后續(xù)還要進行數(shù)據(jù)處理，切割之后的傾斜攝影要替換人工精細建模的時候， 如何才能把鋸齒狀邊緣與精細模型的邊緣對接上去，使它們能夠達到無縫結(jié)合？要隱藏某種地物的時候露出鋸齒狀的空洞，該如何解決？而且這樣切割之后，也拋棄了傾斜攝影數(shù)據(jù)自帶的LOD的優(yōu)點，導(dǎo)致GIS平臺只能用按照普通模型的方法來構(gòu)建LOD。這些都應(yīng)該是 “切割工程師”需要考慮的。

　　說完了切割咱們來一起來探討下矢量化的方式，何謂矢量化？矢量化則是用簡單的面數(shù)據(jù)，通過貼附的方式展現(xiàn)在傾斜攝影模型數(shù)據(jù)上，在保證效果、不破壞原始數(shù)據(jù)和LOD的同時，最大的好處還在于它打通了基于三維的傾斜攝影與基于二維的矢量面之間的關(guān)鍵“關(guān)卡”，實現(xiàn)三維和二維GIS的完美一體化。現(xiàn)在我就給大家?guī)泶笊褡龅氖噶炕膯误w化的效果圖：

　　看到了這樣的效果，小伙伴們是怎樣想的呢？上面咱們介紹了單體化的內(nèi)容，現(xiàn)在咱們來說說矢量化解決了傾斜攝影數(shù)據(jù)的一個重大問題水面“破洞”現(xiàn)象，“破洞”是由于水面的高反射現(xiàn)象使得相機在獲取水面信息的時候被“致盲”了，使得那片區(qū)域的信息不準(zhǔn)確。下面咱們來看看修補前后的效果圖：

　　彌補的還不止一個傾斜攝影數(shù)據(jù)本身的問題，比如樹的還原度不高等問題。大家都知道相機是有拍攝盲區(qū)，比如立交橋的下面，建筑的屋檐下面，這些被遮擋的地方，而這盲區(qū)也是不可避免的，就像人的眼睛不能看到遮擋物后面的區(qū)域，這片區(qū)域就是我們所謂的盲區(qū) 。對于這個區(qū)域目前各個公司有不同的想法，目前聽來，才疏學(xué)淺的我覺得，傾斜攝影測量+街景的想法很靠譜，既可以利用現(xiàn)有的資源，同時還能彌補互相的不足 ，不過街景數(shù)據(jù)的覆蓋程度和數(shù)據(jù)更新的算法也是個問題，那就讓我們拭目以待。下面這幅圖就給大家說明了相機盲區(qū)和樹的還原度問題。

　　在我看來，傾斜數(shù)據(jù)的價值還需要挖掘，它能提供給我們的價值遠不止目前看到的，隨之?dāng)?shù)據(jù)精度的不斷提高，采集速度的加快，有可能在未來的某一天，傾斜攝影測量的數(shù)據(jù)可能會成為人們了解現(xiàn)實環(huán)境的重要手段。

　　但是猶如上文提及到的一系列功能模塊，我們也可以看到傾斜攝影的一些缺陷：比如傾斜攝影相機的盲點區(qū)域，比如立交橋下、房屋遮擋處；水面的“破洞”現(xiàn)象；不規(guī)則模型的還原度不高，比如說樹等等，造成這些缺陷的主要原因還在于傾斜攝影相機的拍攝技巧、硬件、還原模型的計算方式等因素。在這里我也希望大家一起努力的學(xué)習(xí)把傾斜攝影這個技術(shù)提升到一個新的高度，也讓我們的數(shù)字化城市、數(shù)字化地球更加真實、漂亮、更具觀賞性。未來是咱們的！

文章轉(zhuǎn)載于超圖

作者：翔翔