倾斜航空摄影技术发展及其在数字城市建设中的应用

花斌 王俊刚

摘 要：本文论述了倾斜航空摄影及倾斜数码航空摄影的发展，结合国内实际试验情况概述了三维数字城市建设中倾斜航空摄影技术的应用，分析了倾斜航空摄影的技术路线，并对倾斜航空摄影技术未来的发展进行了展望。

關键词：POS 倾斜摄影 地面分辨率 空中三角测量 纹理

1.引言

倾斜航空摄影技术兴起于20世纪20年代的，最初多应用于军事领域，后来随着计算机的发展以及20世纪90年代末GPS和惯性导航组合技术的出现，使得倾斜摄影技术的发展有了新的契机。安装在航空摄影相机上的GPS和惯性设备，能够在拍摄时刻获取倾斜影像在空中的位置与姿态参数，使得后续影像的排列与计算以及自动化处理成为可能。

倾斜航摄技术是航空摄影技术发展的新方向，区别于以往传统的航空摄影，它不但可以获取地面景物的垂直影像，而且可以同步获取地面景物的侧视影像，为地面景物的多方向浏览和城市三维建模提供了可靠有效的数据源。

2.主流倾斜数码航摄仪的发展

目前而言，国内外主要的倾斜摄影航摄仪主要有以下几种：见表1。

美国Trimble公司AOS相机，采用PhaseOne数字后背，三镜头旋转伸缩式结构，可以和现有的陀螺稳定平台搭载，相机幅面较大。像幅大小从5k*7k、7k*9k、8k*10k不等，像元大小分别为6.8μ、6μ、5.2μ，焦距可选。此航摄仪影像幅面最大，飞行效率最高，能和现有陀螺稳定平台结合，飞行质量较好，但镜头的旋转工作方式的稳定性有待验证

德国IGI公司Penta_DigiCAM相机，为5镜头结构，单个镜头为 390 0 w像素左右，幅面5k* 7k左右，像元大小为6.8μm，采用垂直50mm，倾斜80mm镜头组合方式。

美国P i c t o m e t r y公司PentaView相机，此公司主要做技术服务工作，属于整体流程，航摄仪为自用型，垂直选用65mm焦距，倾斜选用85mm焦距，像元大小为7.2μm，单个镜头为2000万像素左右。此设备飞行效率很低，在国内通用航空也不是很发达的情况下，难以体现出其价值。Penta View获取的影像主要用于垂直与倾斜影像的关联浏览查看，三维建模数据较少。

荷兰TrackAir公司的MIDAS相机，成型时间较早。镜头结构为5个镜头组合，其中一个下视镜头，四个倾斜镜头用于获取前后左右四幅倾斜影像，采用镜头为CANON镜头，航摄仪幅面（20 0 0万像素）较小，由于选用的单个相机不是量测型相机，在影像后处理时的精度问题有待验证。

目前，国内也有一批倾斜数码航摄仪也正处于研发过程中。

3.倾斜航空摄影的技术路线

倾斜摄影技术的发展离不开航摄仪的发展，然而海量的垂直与侧视影像的处理与应用才是倾斜摄影技术发展的关键所在。现阶段世界上还没有公司或者产品能够为倾斜航空摄影提供完整的解决方案，所以倾斜航空摄影和倾斜摄影测量的技术路线还处于摸索当中，概略的来讲，可以分为以下几个阶段：

（1）数据预处理

航空摄影是一种对地观测技术，摄影位置距离地面较远，直接获取的原始影像数据，需要经过辐射检校、匀光、匀色等步骤才能客观反映地物的现状，而倾斜摄影由于受拍摄角度、背光、逆光等因素的影像，影像的预处理更为重要；

POS数据处理，通过POS技术配套软件解算修正IMU（惯性测量单元）与航摄仪安装视准轴误差，解算出垂直与倾斜影像所对应的外方位元素提供给后处理应用。

（2）摄影测量处理

倾斜航摄获取的单张影像的地面分辨率不一致，检校软件又无法完全修正其对应线元素和角元素的误差，就需要利用自动空中三角测量，高精度影像匹配技术、数字相关技术，解算高精度的影像与地面的数学关系。进而生产高精度的数字高程模型，利用数字纠正制作正射影像图。对于垂直镜头获取的影像进行常规的摄影测量后处理，使其可以继续应用于4D产品的生产。

（3）倾斜与正射影像的关联浏览

倾斜与正射影像的关联浏览是目前倾斜航摄技术应用最多、最成熟同时也是可以在最短周期内获得的测绘产品。利用摄影测量处理后的准确的空间数学关系，在正射影像上指定一点位置，迅速调用对应位置的前后左右四幅倾斜影像，并可以基于倾斜影像进行高度、坡度、角度、面积的快速测算、为公安消防应急处理、面向公众的信息查询决策服务提供空间地理信息数据。

倾斜与正射影像的关联浏览更容易获知地面建筑物的细节特征，可以为不同用户提供更为丰富的空间信息查询。

（4）城市三维建模和半自动纹理贴合

在垂直、倾斜影像中自动提取建筑物的点、线特征。并进行倾斜影像的直线特征的同名匹配，即由高精度数字地面模型和立体观测建立初始的建筑物几何模型，运用最小二乘匹配，顾及多视影像的几何约束的限制条件来完成倾斜影像的直线同名匹配，实现倾斜数字影像与高精度数字地面模型配准。

获取影像外方位元素，通过序列影像的直线同名匹配，然后修正建筑物的几何模型，达到影像中的地物轮廓与地物的几何模型匹配，物方坐标系和相方坐标系建立空间对应关系；选取地物最优的影像纹理，计算出倾斜和垂直影像的纹理坐标，完成建筑物的纹理重建与自动贴合。

（5）三维影像的编辑与修饰

可对三维地形进行编辑及修改，包括DEM的切割与合并， DEM的批量或单模型修正与过滤，按照地貌特征及地表植被、建筑物等因素分区域自动构建三角网，结合DOM影像进行三角网编辑整理，根据需要输出不同格式要求的DEM数据。

由于应用了透视变换，这就造成倾斜和垂直影像中，建筑物墙面纹理均有一定程度的变形和失真，再加上建筑物相互遮挡问题，对建筑物墻面纹理进行几何纠正，并建立纹理库用于替换建筑物被遮挡区域的纹理，采用影像复原和增强等技术手段提高纹理质量，增加纹理真实清晰程度。

（6）数据成果到第三方平台的输出

按照一定的数据规范，提供处理后各级影像产品、数字空三计算的成果、数字测图、DEM、DOM、三维地物生成三维可视化景观模型等生产应用成果到现有摄影测量软件系统、三维显示系统、专业应用系统等的输出与兼容。

4.国内倾斜摄影技术试验情况

自2010年以来，国内先后有企业引入倾斜摄影技术并进行国内飞行试验，为倾斜摄影技术在国内的应用走出了坚实的一步。各引进单位获取了长沙、常州、长春、晋中等地区的倾斜影像资料并进行了后处理。在倾斜摄影领域取得了明显的进步。

长沙地区实验区超过40平方公里，使用Trimble公司的AOS航摄仪获取了约1400张影像（垂直约460张，倾斜影像约930张）。已完成数据预处理、摄影测量处理，重点解决了倾斜影像的空三问题，解算得到了影像与地面精确的数学关系，可生产倾斜与正射影像关联浏览的地理信息产品，正在进行建模与纹理自动贴合的技术探索与攻克。

常州地区使用pictometry公司的PentaView航摄仪获取约40平方公里航摄影像约4000张影像（垂直约800张，倾斜影像约3200张）。已完成数据预处理，采用POS辅助DG（Direct Geo_referencing）直接定向技术解算得到了影像与地面精确的数学关系，可生产倾斜与正射影像关联浏览的地理信息产品。

其他地区的倾斜试验也都在进行中，部分采用与LIDAR技术相结合的方式并体现了各自技术路线的特点。交叉合作的探索方式，也加快了国内倾斜摄影技术发展的步伐。

5.应用展望

倾斜摄影技术的采集效率高、信息量丰富，将会在测绘工作中发挥极大作用。航空倾斜影像不仅能够采集地物的彩色影像，而且还可以嵌入精确的位置信息，用户体验更加丰富，极大地扩展了遥感影像的应用领域。同时，倾斜摄影技术应用于三维城市建设的投入成本大大降低，由于倾斜影像为用户提供了更丰富的地理信息，更友好的用户体验以及其低廉的成本，该技术将越来越多的应用于应急指挥、国土安全、消防、虚拟导航、城市管理与城市规划、房产税收、建筑工程施工、网络旅游、三维电影产业等行业。

参考文献：

[1]李清泉.关于我国空间信息产业发展的思考.地理信息世界，2004.

[2]万幼川.我国摄影测量与遥感发展探讨.测绘通报，2007.

[3]http：//www.igi.eu/penta-digicam. html.

[4]http：//www.pictometry.com/index. php？option=com_content&view;=article.

[5]http：//www.trimble.com/GeoSpatial.

[6]http：//trackair.com/index.php/ products/midas/

[7]Applanix，POSAV_V5_Installation_ Operation_Manual，2010.