■ 黃 鶴

上海實(shí)景三維模型。上海航遙信息技術(shù)有限公司繪制

一、攝影測(cè)量的起源

攝影測(cè)量是測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)科里一個(gè)歷史悠久的專業(yè)。它起源于早期的圖片分析，曾被人稱為圖像測(cè)量學(xué)。到1837年，攝影測(cè)量的名字才正式被確認(rèn)下來(lái)。19世紀(jì)上葉，法國(guó)人產(chǎn)生了第一張攝影像片，成為攝影測(cè)量學(xué)發(fā)展歷程的起點(diǎn)。

攝影測(cè)量主要依據(jù)使用的工具、處理的技術(shù)不同被劃分為四個(gè)階段，模擬攝影測(cè)量、解析攝影測(cè)量、數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量和攝影遙感測(cè)量。

（一）模擬攝影測(cè)量階段

19世紀(jì)中葉，法國(guó)軍官勞塞達(dá)利用被稱之為“明箱”的裝置測(cè)制萬(wàn)森城堡，繪制了詳細(xì)的地理圖。當(dāng)時(shí)采用的是逐點(diǎn)測(cè)繪技術(shù)。20世紀(jì)初，根據(jù)奧雷爾的思想和當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平，維也納軍事地理研究所制成了理論意義上的“自動(dòng)立體測(cè)圖儀”。在理論模型的基礎(chǔ)上，德國(guó)卡爾蔡司廠進(jìn)行研究、改進(jìn)和技術(shù)引進(jìn)，最終制造出第一臺(tái)能夠?qū)嵱玫摹傲Ⅲw自動(dòng)測(cè)圖儀”。該儀器是運(yùn)用模擬光學(xué)投影或是光學(xué)-機(jī)械投影的相關(guān)技術(shù)設(shè)計(jì)出來(lái)的。這一發(fā)展時(shí)期被稱為“模擬攝影測(cè)量時(shí)代”，人們的主要精力放在開(kāi)發(fā)立體測(cè)圖儀上。到20世紀(jì)，儀器的研制和開(kāi)發(fā)達(dá)到了一個(gè)新高度。

（二）解析攝影測(cè)量階段

計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和模擬轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了攝影測(cè)量立體測(cè)圖儀的進(jìn)一步發(fā)展。1957年Heiava提出?“數(shù)字投影代替物理投影”這個(gè)攝影測(cè)量新概念。“光學(xué)的、機(jī)械的、或光學(xué)-機(jī)械的”模擬投影就是物理投影。利用電子計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)地進(jìn)行共線方程的計(jì)算進(jìn)而測(cè)量目標(biāo)物的空間位置被稱之為數(shù)字投影。解析攝影測(cè)量技術(shù)發(fā)現(xiàn)，其中還利用了電算加密技術(shù)。以電算加密和解析測(cè)圖儀的出現(xiàn)為標(biāo)志，攝影測(cè)量正式進(jìn)入解析攝影測(cè)量時(shí)代。解析攝影測(cè)量階段的主要特點(diǎn)：一、該階段技術(shù)是采用數(shù)字投影技術(shù)。二、該階段使用的儀器大多用計(jì)算機(jī)來(lái)控制系統(tǒng)。三、該階段不只是用手工操作，已經(jīng)開(kāi)始用計(jì)算機(jī)作為輔助工具。

（三）數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量階段

20世紀(jì)80年代左右，攝影測(cè)量進(jìn)人了第三個(gè)階段，即數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量階段。該階段是在解析攝影測(cè)量的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，還是采用數(shù)字投影采集數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)分析和處理形成目標(biāo)物的形狀、大小、空間位置及其性質(zhì)的技術(shù)。數(shù)字?jǐn)z影處理的原始信息范圍已經(jīng)擴(kuò)大到數(shù)字?jǐn)z影如影像或數(shù)字化影像。這個(gè)階段發(fā)展的最終目標(biāo)是以計(jì)算機(jī)視覺(jué)代替人眼的主體觀測(cè)。

（四）攝影遙感測(cè)量階段

遙感內(nèi)容和攝影測(cè)量技術(shù)的內(nèi)容相差很大，可是本質(zhì)相同，甚至可以這樣理解數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量時(shí)就暗含著遙感技術(shù)的運(yùn)行。近幾年，遙感技術(shù)的快速發(fā)展，空間技術(shù)也得到了高速發(fā)展。遙感技術(shù)開(kāi)始向測(cè)繪學(xué)科滲透，兩者開(kāi)始相互融合?，F(xiàn)代測(cè)繪科學(xué)與計(jì)算機(jī)、通訊科學(xué)等進(jìn)行交叉和滲透形成了地球空間信息科學(xué)。攝影測(cè)量已經(jīng)開(kāi)始采用遙感技術(shù)，可以說(shuō)，攝影測(cè)量已經(jīng)進(jìn)人遙感時(shí)代。

二、傾斜攝影測(cè)量

傳統(tǒng)三維建模通常使用3ds?Max、AutoCAD等建模軟件，基于影像數(shù)據(jù)、CAD平面圖或者拍攝圖片估算建筑物輪廓與高度等信息進(jìn)行人工建模。這種方式制作出的模型數(shù)據(jù)精度較低，紋理與實(shí)際效果偏差較大，并且生產(chǎn)過(guò)程需要大量的人工參與；同時(shí)數(shù)據(jù)制作周期較長(zhǎng)，造成數(shù)據(jù)的時(shí)效性較低，因而無(wú)法真正滿足用戶需要。

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)以大范圍、高精度、高清晰的方式全面感知復(fù)雜場(chǎng)景，通過(guò)高效的數(shù)據(jù)采集設(shè)備及專業(yè)的數(shù)據(jù)處理流程生成的數(shù)據(jù)成果直觀反映地物的外觀、位置、高度等屬性，為真實(shí)效果和測(cè)繪級(jí)精度提供保證。同時(shí)有效提升模型的生產(chǎn)效率，采用人工建模方式一兩年才能完成的一個(gè)中小城市建模工作，通過(guò)傾斜攝影建模方式只需要三至五個(gè)月時(shí)間即可完成，大大降低了三維模型數(shù)據(jù)采集的經(jīng)濟(jì)代價(jià)和時(shí)間代價(jià)。目前，國(guó)內(nèi)外已廣泛開(kāi)展傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用，傾斜攝影建模數(shù)據(jù)也逐漸成為城市空間數(shù)據(jù)框架的重要內(nèi)容。

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新的測(cè)量技術(shù)。它改變了以往航測(cè)遙感影像只能從垂直方向拍攝的局限性，傾斜攝影測(cè)量技術(shù)通過(guò)多臺(tái)傳感器從不同的角度進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，快速、高效獲取豐富的數(shù)據(jù)信息，真實(shí)地反映地面的客觀情況，滿足人們對(duì)三維信息的需求。目前，傾斜攝影測(cè)量技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際的生產(chǎn)實(shí)踐。

通過(guò)在同一飛行平臺(tái)上搭載5臺(tái)傳感器，同時(shí)從一個(gè)垂直、四個(gè)傾斜、五個(gè)不同的角度采集影像，拍攝相片的同時(shí)，記錄航高，航速，航向和旁向重疊，坐標(biāo)等參數(shù)，然后對(duì)傾斜影像進(jìn)行分析和整理。在一個(gè)時(shí)段，飛機(jī)連續(xù)拍攝幾組影像重疊的照片，同一地物最多能夠在3張相片上被找到，這樣業(yè)內(nèi)人員可以比較輕松地進(jìn)行建筑物結(jié)構(gòu)分析，并且能選擇最為清晰的一張照片進(jìn)行紋理制作。向用戶提供真實(shí)直觀的實(shí)景信息。影像數(shù)據(jù)不僅能夠真實(shí)地反映地物情況，而且可通過(guò)先進(jìn)的定位技術(shù)，嵌入地理信息、影像信息，獲得更高的用戶體驗(yàn)，極大地拓展遙感影像的應(yīng)用范圍。

傾斜攝影技術(shù)特點(diǎn)：

1.反映地物真實(shí)情況，并且能對(duì)地物進(jìn)行量測(cè)

傾斜攝影測(cè)量所獲得三維數(shù)據(jù)可真實(shí)地反映地物的外觀、位置、高度等屬性，增強(qiáng)了三維數(shù)據(jù)所帶來(lái)的真實(shí)感，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)人工模型仿真度低的缺點(diǎn)，增強(qiáng)了傾斜攝影技術(shù)的應(yīng)用。

2.高性價(jià)比

傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)是帶有空間位置信息的可量測(cè)的影像數(shù)據(jù)，能同時(shí)輸出DSM、DOM、DLG等數(shù)據(jù)成果?？稍跐M足傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量的同時(shí)獲得更多的數(shù)據(jù)。同時(shí)使用傾斜影像批量提取及貼紋理的方式，能夠有效地降低城市三維建模成本。

3.高效率

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)借助無(wú)人機(jī)等飛行載體可以快速采集影像數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化的三維建模。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明：1～2年的中小城市人工建模工作，借助傾斜攝影測(cè)量技術(shù)只需3～5個(gè)月就可完成。

三、無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量

（一）無(wú)人機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展

無(wú)人機(jī)具有機(jī)動(dòng)、靈活、快速、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)，以無(wú)人機(jī)作為航空攝影平臺(tái)能夠快速高效地獲取高質(zhì)量、高分辨率的影像，無(wú)人機(jī)在攝影測(cè)量中的優(yōu)勢(shì)是傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感無(wú)法比擬的，越來(lái)越受到研究者和生產(chǎn)者的青睞，大大地?cái)U(kuò)大了遙感的應(yīng)用范圍和用戶群，具有廣闊的應(yīng)用前景。無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量已經(jīng)成為未來(lái)航空攝影測(cè)量的重要手段和國(guó)家航空遙感監(jiān)測(cè)體系的重要補(bǔ)充，逐步從研究開(kāi)發(fā)階段發(fā)展到了實(shí)際應(yīng)用階段。

國(guó)內(nèi)采用的飛行平臺(tái)有四類：一類是可搭載大型傾斜相機(jī)的有人機(jī)，如運(yùn)-5、塞斯納；一類是動(dòng)力三角翼；一類是固定翼無(wú)人機(jī)；一類是多旋翼無(wú)人機(jī)。前兩類搭載大型傾斜相機(jī)和輕型傾斜相機(jī)，可完成大范圍的數(shù)據(jù)獲取工作；后兩類搭載微型傾斜相機(jī)，可完成小范圍重點(diǎn)區(qū)域的傾斜攝影工作。

目前國(guó)內(nèi)常用有人機(jī)機(jī)載相機(jī)，雖成像效果優(yōu)良，但價(jià)格在數(shù)百萬(wàn)元以上，飛行平臺(tái)只能租用航空公司設(shè)備，其空域申請(qǐng)周期長(zhǎng)、成本高，小范圍傾斜數(shù)據(jù)采集的性價(jià)比極低；而無(wú)人機(jī)相機(jī)價(jià)格也在數(shù)十萬(wàn)元左右，搭配配套無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)，系統(tǒng)總價(jià)也接近百萬(wàn)余元。鑒于此，傾斜攝影數(shù)據(jù)采集的方法很難得到廣泛推廣。

在國(guó)外，美國(guó)航空航天局將無(wú)人機(jī)應(yīng)用于森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)、精確農(nóng)業(yè)、海洋遙感等研究項(xiàng)目。澳大利亞利用全球鷹搭載成像SAR進(jìn)行海洋監(jiān)測(cè)研究。在國(guó)內(nèi)，紅鵬公司微型無(wú)人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)將無(wú)人機(jī)技術(shù)與傾斜攝影技術(shù)有效地結(jié)合，自主研發(fā)完成了一套微型無(wú)人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)，包括電動(dòng)六旋翼無(wú)人機(jī)、五相機(jī)傾斜攝影吊艙、降落傘模塊、控制模塊等。系統(tǒng)具有成本低、飛行可靠性高、操作使用簡(jiǎn)單、起飛和著陸場(chǎng)地要求低。定位精度與影像分辨率高等特點(diǎn)，可以滿足傾斜攝影測(cè)量與快速三維建模對(duì)數(shù)據(jù)獲取的要求。目前國(guó)內(nèi)外尚無(wú)類似微型傾斜攝影產(chǎn)品平臺(tái)，彌補(bǔ)了微型超低空低成本獲取傾斜攝影測(cè)量高分辨率數(shù)據(jù)的空白，可為測(cè)繪、規(guī)劃、應(yīng)急、公安、旅游文化等行業(yè)提供低廉、高效、敏捷的數(shù)據(jù)支持與服務(wù)，提高了精細(xì)三維數(shù)據(jù)靈活快速獲取的能力。應(yīng)用成果已在公安、應(yīng)急、測(cè)繪、旅游、環(huán)保等行業(yè)得到了應(yīng)用驗(yàn)證，獲得了用戶的好評(píng)。社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益顯著，具有重要的示范作用和推廣價(jià)值。

（二）相機(jī)小型化集成

隨著科技水平的不斷提高，傾斜攝影無(wú)人機(jī)正在不斷地趨于小型化，傾斜相機(jī)也從傳統(tǒng)肥大臃腫發(fā)展為越來(lái)越小巧方便。

目前，常見(jiàn)的航空攝影傾斜相機(jī)主要有以下幾種：

四、城市實(shí)景三維模型的應(yīng)用

為了開(kāi)拓傾斜攝影新的服務(wù)領(lǐng)域，形成新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，城市三維模型數(shù)據(jù)開(kāi)始應(yīng)用于智慧城市建設(shè)，并實(shí)現(xiàn)實(shí)景三維模型與基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、專題數(shù)據(jù)相結(jié)合。此外，眾多基于傾斜攝影實(shí)景三維模型的應(yīng)用研究也在紛紛展開(kāi)，例如，基于傾斜攝影實(shí)景三維模型的城市規(guī)劃與管理、大比例尺線畫(huà)圖采集、城市交通監(jiān)管、地下管線綜合管理、城市消防服務(wù)、物流運(yùn)輸管理以及城市民生服務(wù)等等。在不久的將來(lái)，基于傾斜攝影實(shí)景三維模型應(yīng)用系統(tǒng)將以真實(shí)的視覺(jué)效果、流暢的應(yīng)用體驗(yàn)等顯著優(yōu)勢(shì)開(kāi)啟人們“別具一格”的生活新模式。

鳥(niǎo)巢+水立方實(shí)景三維模型。上海航遙繪制

上海浦東三維街景模型

五、展望

近幾年，傾斜攝影測(cè)量技術(shù)得到了快速發(fā)展，由于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)能夠獲取建筑物、樹(shù)木等地理實(shí)體的紋理細(xì)節(jié)，豐富了影像數(shù)據(jù)源信息。同時(shí)，高冗余度的航攝影像重疊，為高精度的影像匹配提供了條件，使基于人工智能的三維實(shí)體重建成為了可能。分層顯示技術(shù)、紋理映射技術(shù)成為傾斜攝影測(cè)量和建模的關(guān)鍵支撐點(diǎn)，極大地提升了三維建模的效率，還降低了建模的生產(chǎn)成本。目前，基于傾斜攝影測(cè)量成果的應(yīng)用還比較少，因此，大量的應(yīng)用創(chuàng)新點(diǎn)挖掘還需要逐步深入。我們不能局限于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，還需要將其與雷達(dá)、紅外、多光譜、高光譜等多種傳感器結(jié)合，將他們集成在更小的無(wú)人機(jī)上拓寬攝影測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用范圍，未來(lái)基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)計(jì)算的大規(guī)模三維數(shù)據(jù)生產(chǎn)會(huì)讓工程測(cè)量、三維建模等工作產(chǎn)生顛覆性的變革，開(kāi)啟三維遙感的新時(shí)代。

雖然按照目前的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，未來(lái)無(wú)人機(jī)測(cè)繪將會(huì)越來(lái)越普及，但是還有很多因素制約著行業(yè)的發(fā)展。

（一）空域限制

民用無(wú)人機(jī)作業(yè)需要使用空域資源。在我國(guó)低空尚未開(kāi)放的大背景下，如果說(shuō)“有人機(jī)”通用航空的空域管理已經(jīng)開(kāi)始探索試驗(yàn)，那么無(wú)人機(jī)的空域管理仍然難以有效實(shí)施。盡管民航局對(duì)《無(wú)人機(jī)空域管理規(guī)定》已開(kāi)展意見(jiàn)征集，但法規(guī)確立及其有效執(zhí)行尚需時(shí)日。無(wú)人機(jī)飛行計(jì)劃如何申報(bào)、向誰(shuí)申報(bào)，申報(bào)應(yīng)具備哪些條件，以及在哪些空域里可以飛行等問(wèn)題依然沒(méi)有明確答案。

依據(jù)現(xiàn)有《一般運(yùn)行和飛行規(guī)則》第91.119條規(guī)定，?“在人口稠密區(qū)以外地區(qū)的上空，航空器不得低于離地高度150米”。也就是說(shuō)，在遠(yuǎn)離機(jī)場(chǎng)等敏感地和人口稠密區(qū)的情況下，探索將高度150米以下的空域分配給無(wú)人機(jī)作為隔離空域使用，或可作為無(wú)人機(jī)空域管理的優(yōu)先嘗試方向。

（二）模型單體化

傾斜模型可以看作是一張表面覆蓋了高分辨率的連續(xù)的TIN三角網(wǎng)，這張連續(xù)的TIN三角網(wǎng)在帶給我們更加逼真的傾斜模型的同時(shí)，也給我們出了一道不可避免的難題—在GIS管理和應(yīng)用中，若傾斜攝影模型不能進(jìn)行對(duì)象的單獨(dú)選中和查詢，就只能和影像一樣作為底圖瀏覽，無(wú)法進(jìn)一步深入應(yīng)用，由此引出了傾斜攝影的單體化技術(shù)。

“單體化”其實(shí)指的是每一個(gè)我們想要單獨(dú)管理的對(duì)象，都是一個(gè)個(gè)單獨(dú)的、可以被選中分離的實(shí)體對(duì)象，可以賦予屬性，可以被查詢統(tǒng)計(jì)等等。只有具備了“單體化”的能力，數(shù)據(jù)才可以被管理，而不僅僅是被用來(lái)查看。在大多數(shù)GIS應(yīng)用中，能對(duì)建筑等地物進(jìn)行單獨(dú)的選中、賦予屬性、查詢分析等是最基本的功能要求。因此，單體化成為傾斜攝影模型在GIS應(yīng)用中必須解決的難題。

（三）模型的實(shí)質(zhì)性應(yīng)用

現(xiàn)如今，通過(guò)傾斜攝影技術(shù)生成的三維模型能夠真實(shí)地反應(yīng)地物情況，符合人眼視覺(jué)的真實(shí)直觀世界，具有精度高、現(xiàn)實(shí)感強(qiáng)的特點(diǎn)。但是，目前國(guó)內(nèi)沒(méi)有國(guó)產(chǎn)工程化的傾斜影像三維建模集群處理軟件，也缺少對(duì)OSGB等三維數(shù)據(jù)直接進(jìn)行批量化生產(chǎn)編輯的軟件，海量?jī)A斜影像三維模型的存儲(chǔ)、管理、發(fā)布、應(yīng)用等存在不少技術(shù)難點(diǎn)，多數(shù)用戶的應(yīng)用系統(tǒng)還不能很好地接受和使用傾斜攝影所生成的三維模型。因此，傾斜攝影三維模型也被貼上了“中看不中用”的標(biāo)簽。

（四）室內(nèi)三維空間的補(bǔ)充

目前，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的數(shù)據(jù)采集區(qū)域主要是野外，三維模型也大多是土地山丘或建筑物外表，相對(duì)而言，建筑物內(nèi)部空間的信息完全沒(méi)有。然而，由于無(wú)人機(jī)在室內(nèi)只能采用視覺(jué)定位，對(duì)室內(nèi)的光線和紋理具有較高的要求，例如在反光的瓷磚地面上，無(wú)人機(jī)的定位就會(huì)出現(xiàn)較大偏差，造成事故。因此，利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行室內(nèi)定位和室內(nèi)模型重建還有待進(jìn)一步挖掘。