■ 黃 鶴

上海實景三維模型。上海航遙信息技術有限公司繪制

一、攝影測量的起源

攝影測量是測繪科學與技術學科里一個歷史悠久的專業(yè)。它起源于早期的圖片分析，曾被人稱為圖像測量學。到1837年，攝影測量的名字才正式被確認下來。19世紀上葉，法國人產生了第一張攝影像片，成為攝影測量學發(fā)展歷程的起點。

攝影測量主要依據(jù)使用的工具、處理的技術不同被劃分為四個階段，模擬攝影測量、解析攝影測量、數(shù)字攝影測量和攝影遙感測量。

（一）模擬攝影測量階段

19世紀中葉，法國軍官勞塞達利用被稱之為“明箱”的裝置測制萬森城堡，繪制了詳細的地理圖。當時采用的是逐點測繪技術。20世紀初，根據(jù)奧雷爾的思想和當時的技術水平，維也納軍事地理研究所制成了理論意義上的“自動立體測圖儀”。在理論模型的基礎上，德國卡爾蔡司廠進行研究、改進和技術引進，最終制造出第一臺能夠實用的“立體自動測圖儀”。該儀器是運用模擬光學投影或是光學-機械投影的相關技術設計出來的。這一發(fā)展時期被稱為“模擬攝影測量時代”，人們的主要精力放在開發(fā)立體測圖儀上。到20世紀，儀器的研制和開發(fā)達到了一個新高度。

（二）解析攝影測量階段

計算機技術、自動控制技術和模擬轉換技術的發(fā)展促進了攝影測量立體測圖儀的進一步發(fā)展。1957年Heiava提出?“數(shù)字投影代替物理投影”這個攝影測量新概念?！肮鈱W的、機械的、或光學-機械的”模擬投影就是物理投影。利用電子計算機實時地進行共線方程的計算進而測量目標物的空間位置被稱之為數(shù)字投影。解析攝影測量技術發(fā)現(xiàn)，其中還利用了電算加密技術。以電算加密和解析測圖儀的出現(xiàn)為標志，攝影測量正式進入解析攝影測量時代。解析攝影測量階段的主要特點：一、該階段技術是采用數(shù)字投影技術。二、該階段使用的儀器大多用計算機來控制系統(tǒng)。三、該階段不只是用手工操作，已經開始用計算機作為輔助工具。

（三）數(shù)字攝影測量階段

20世紀80年代左右，攝影測量進人了第三個階段，即數(shù)字攝影測量階段。該階段是在解析攝影測量的基礎上發(fā)展起來的，還是采用數(shù)字投影采集數(shù)據(jù)，通過計算機分析和處理形成目標物的形狀、大小、空間位置及其性質的技術。數(shù)字攝影處理的原始信息范圍已經擴大到數(shù)字攝影如影像或數(shù)字化影像。這個階段發(fā)展的最終目標是以計算機視覺代替人眼的主體觀測。

（四）攝影遙感測量階段

遙感內容和攝影測量技術的內容相差很大，可是本質相同，甚至可以這樣理解數(shù)字攝影測量時就暗含著遙感技術的運行。近幾年，遙感技術的快速發(fā)展，空間技術也得到了高速發(fā)展。遙感技術開始向測繪學科滲透，兩者開始相互融合?，F(xiàn)代測繪科學與計算機、通訊科學等進行交叉和滲透形成了地球空間信息科學。攝影測量已經開始采用遙感技術，可以說，攝影測量已經進人遙感時代。

二、傾斜攝影測量

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，紋理與實際效果偏差較大，并且生產過程需要大量的人工參與；同時數(shù)據(jù)制作周期較長，造成數(shù)據(jù)的時效性較低，因而無法真正滿足用戶需要。

傾斜攝影測量技術以大范圍、高精度、高清晰的方式全面感知復雜場景，通過高效的數(shù)據(jù)采集設備及專業(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，為真實效果和測繪級精度提供保證。同時有效提升模型的生產效率，采用人工建模方式一兩年才能完成的一個中小城市建模工作，通過傾斜攝影建模方式只需要三至五個月時間即可完成，大大降低了三維模型數(shù)據(jù)采集的經濟代價和時間代價。目前，國內外已廣泛開展傾斜攝影測量技術的應用，傾斜攝影建模數(shù)據(jù)也逐漸成為城市空間數(shù)據(jù)框架的重要內容。

傾斜攝影測量技術是近年來發(fā)展起來的一項新的測量技術。它改變了以往航測遙感影像只能從垂直方向拍攝的局限性，傾斜攝影測量技術通過多臺傳感器從不同的角度進行數(shù)據(jù)的采集，快速、高效獲取豐富的數(shù)據(jù)信息，真實地反映地面的客觀情況，滿足人們對三維信息的需求。目前，傾斜攝影測量技術已經應用于實際的生產實踐。

通過在同一飛行平臺上搭載5臺傳感器，同時從一個垂直、四個傾斜、五個不同的角度采集影像，拍攝相片的同時，記錄航高，航速，航向和旁向重疊，坐標等參數(shù)，然后對傾斜影像進行分析和整理。在一個時段，飛機連續(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)內人員可以比較輕松地進行建筑物結構分析，并且能選擇最為清晰的一張照片進行紋理制作。向用戶提供真實直觀的實景信息。影像數(shù)據(jù)不僅能夠真實地反映地物情況，而且可通過先進的定位技術，嵌入地理信息、影像信息，獲得更高的用戶體驗，極大地拓展遙感影像的應用范圍。

傾斜攝影技術特點：

1.反映地物真實情況，并且能對地物進行量測

傾斜攝影測量所獲得三維數(shù)據(jù)可真實地反映地物的外觀、位置、高度等屬性，增強了三維數(shù)據(jù)所帶來的真實感，彌補了傳統(tǒng)人工模型仿真度低的缺點，增強了傾斜攝影技術的應用。

2.高性價比

傾斜攝影測量數(shù)據(jù)是帶有空間位置信息的可量測的影像數(shù)據(jù)，能同時輸出DSM、DOM、DLG等數(shù)據(jù)成果。可在滿足傳統(tǒng)航空攝影測量的同時獲得更多的數(shù)據(jù)。同時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

傾斜攝影測量技術借助無人機等飛行載體可以快速采集影像數(shù)據(jù)，實現(xiàn)全自動化的三維建模。實驗數(shù)據(jù)證明：1～2年的中小城市人工建模工作，借助傾斜攝影測量技術只需3～5個月就可完成。

三、無人機傾斜攝影測量

（一）無人機產業(yè)發(fā)展

無人機具有機動、靈活、快速、經濟等特點，以無人機作為航空攝影平臺能夠快速高效地獲取高質量、高分辨率的影像，無人機在攝影測量中的優(yōu)勢是傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感無法比擬的，越來越受到研究者和生產者的青睞，大大地擴大了遙感的應用范圍和用戶群，具有廣闊的應用前景。無人機傾斜攝影測量已經成為未來航空攝影測量的重要手段和國家航空遙感監(jiān)測體系的重要補充，逐步從研究開發(fā)階段發(fā)展到了實際應用階段。

國內采用的飛行平臺有四類：一類是可搭載大型傾斜相機的有人機，如運-5、塞斯納；一類是動力三角翼；一類是固定翼無人機；一類是多旋翼無人機。前兩類搭載大型傾斜相機和輕型傾斜相機，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，可完成小范圍重點區(qū)域的傾斜攝影工作。

目前國內常用有人機機載相機，雖成像效果優(yōu)良，但價格在數(shù)百萬元以上，飛行平臺只能租用航空公司設備，其空域申請周期長、成本高，小范圍傾斜數(shù)據(jù)采集的性價比極低；而無人機相機價格也在數(shù)十萬元左右，搭配配套無人機飛行平臺，系統(tǒng)總價也接近百萬余元。鑒于此，傾斜攝影數(shù)據(jù)采集的方法很難得到廣泛推廣。

在國外，美國航空航天局將無人機應用于森林火災監(jiān)測、精確農業(yè)、海洋遙感等研究項目。澳大利亞利用全球鷹搭載成像SAR進行海洋監(jiān)測研究。在國內，紅鵬公司微型無人機傾斜攝影系統(tǒng)將無人機技術與傾斜攝影技術有效地結合，自主研發(fā)完成了一套微型無人機傾斜攝影系統(tǒng)，包括電動六旋翼無人機、五相機傾斜攝影吊艙、降落傘模塊、控制模塊等。系統(tǒng)具有成本低、飛行可靠性高、操作使用簡單、起飛和著陸場地要求低。定位精度與影像分辨率高等特點，可以滿足傾斜攝影測量與快速三維建模對數(shù)據(jù)獲取的要求。目前國內外尚無類似微型傾斜攝影產品平臺，彌補了微型超低空低成本獲取傾斜攝影測量高分辨率數(shù)據(jù)的空白，可為測繪、規(guī)劃、應急、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，提高了精細三維數(shù)據(jù)靈活快速獲取的能力。應用成果已在公安、應急、測繪、旅游、環(huán)保等行業(yè)得到了應用驗證，獲得了用戶的好評。社會經濟效益顯著，具有重要的示范作用和推廣價值。

（二）相機小型化集成

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

目前，常見的航空攝影傾斜相機主要有以下幾種：

四、城市實景三維模型的應用

為了開拓傾斜攝影新的服務領域，形成新的經濟增長點，城市三維模型數(shù)據(jù)開始應用于智慧城市建設，并實現(xiàn)實景三維模型與基礎地理信息數(shù)據(jù)、專題數(shù)據(jù)相結合。此外，眾多基于傾斜攝影實景三維模型的應用研究也在紛紛展開，例如，基于傾斜攝影實景三維模型的城市規(guī)劃與管理、大比例尺線畫圖采集、城市交通監(jiān)管、地下管線綜合管理、城市消防服務、物流運輸管理以及城市民生服務等等。在不久的將來，基于傾斜攝影實景三維模型應用系統(tǒng)將以真實的視覺效果、流暢的應用體驗等顯著優(yōu)勢開啟人們“別具一格”的生活新模式。

鳥巢+水立方實景三維模型。上海航遙繪制

上海浦東三維街景模型

五、展望

近幾年，傾斜攝影測量技術得到了快速發(fā)展，由于傾斜攝影測量技術能夠獲取建筑物、樹木等地理實體的紋理細節(jié)，豐富了影像數(shù)據(jù)源信息。同時，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體重建成為了可能。分層顯示技術、紋理映射技術成為傾斜攝影測量和建模的關鍵支撐點，極大地提升了三維建模的效率，還降低了建模的生產成本。目前，基于傾斜攝影測量成果的應用還比較少，因此，大量的應用創(chuàng)新點挖掘還需要逐步深入。我們不能局限于傾斜攝影測量技術，還需要將其與雷達、紅外、多光譜、高光譜等多種傳感器結合，將他們集成在更小的無人機上拓寬攝影測量技術的應用范圍，未來基于點云數(shù)據(jù)計算的大規(guī)模三維數(shù)據(jù)生產會讓工程測量、三維建模等工作產生顛覆性的變革，開啟三維遙感的新時代。

雖然按照目前的發(fā)展趨勢來看，未來無人機測繪將會越來越普及，但是還有很多因素制約著行業(yè)的發(fā)展。

（一）空域限制

民用無人機作業(yè)需要使用空域資源。在我國低空尚未開放的大背景下，如果說“有人機”通用航空的空域管理已經開始探索試驗，那么無人機的空域管理仍然難以有效實施。盡管民航局對《無人機空域管理規(guī)定》已開展意見征集，但法規(guī)確立及其有效執(zhí)行尚需時日。無人機飛行計劃如何申報、向誰申報，申報應具備哪些條件，以及在哪些空域里可以飛行等問題依然沒有明確答案。

依據(jù)現(xiàn)有《一般運行和飛行規(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，在遠離機場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人機作為隔離空域使用，或可作為無人機空域管理的優(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，這張連續(xù)的TIN三角網在帶給我們更加逼真的傾斜模型的同時，也給我們出了一道不可避免的難題—在GIS管理和應用中，若傾斜攝影模型不能進行對象的單獨選中和查詢，就只能和影像一樣作為底圖瀏覽，無法進一步深入應用，由此引出了傾斜攝影的單體化技術。

“單體化”其實指的是每一個我們想要單獨管理的對象，都是一個個單獨的、可以被選中分離的實體對象，可以賦予屬性，可以被查詢統(tǒng)計等等。只有具備了“單體化”的能力，數(shù)據(jù)才可以被管理，而不僅僅是被用來查看。在大多數(shù)GIS應用中，能對建筑等地物進行單獨的選中、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應用中必須解決的難題。

（三）模型的實質性應用

現(xiàn)如今，通過傾斜攝影技術生成的三維模型能夠真實地反應地物情況，符合人眼視覺的真實直觀世界，具有精度高、現(xiàn)實感強的特點。但是，目前國內沒有國產工程化的傾斜影像三維建模集群處理軟件，也缺少對OSGB等三維數(shù)據(jù)直接進行批量化生產編輯的軟件，海量傾斜影像三維模型的存儲、管理、發(fā)布、應用等存在不少技術難點，多數(shù)用戶的應用系統(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”的標簽。

（四）室內三維空間的補充

目前，無人機傾斜攝影測量的數(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，相對而言，建筑物內部空間的信息完全沒有。然而，由于無人機在室內只能采用視覺定位，對室內的光線和紋理具有較高的要求，例如在反光的瓷磚地面上，無人機的定位就會出現(xiàn)較大偏差，造成事故。因此，利用無人機進行室內定位和室內模型重建還有待進一步挖掘。