甘肅傾斜攝影——重塑城市世界
分類：服務(wù)范圍 發(fā)布時間：2024-01-14 瀏覽量：7421
三維模型是物體的多邊形表示，通常用計算機(jī)或者其它視頻設(shè)備進(jìn)行顯示。顯示的物體可以是現(xiàn)實世界的實體，也可以是虛構(gòu)的物體。
三維模型已經(jīng)應(yīng)用于各種不同的領(lǐng)域。醫(yī)療行業(yè)使用它們制作器官的 模型；電影行業(yè)將它們用于展現(xiàn)活動的人物、物體以及現(xiàn)實電影；建筑業(yè)將它們用來展示提議的建筑物或者風(fēng)景表現(xiàn)；在最近幾十年，地球科學(xué)領(lǐng)域開始構(gòu)建三維地質(zhì)模型。
甘肅傾斜攝影測量技術(shù)作為一個新興的技術(shù)方法，在三維建模和工程測量中有廣泛的應(yīng)用前景。
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什么是傾斜攝影？
近年來，構(gòu)建智慧城市正在如火如荼地展開，城市三維數(shù)字模型在其中扮演著十分關(guān)鍵的角色。要繪制高效、智能的城市圖景，就需要對城市空間三維數(shù)據(jù)進(jìn)行表達(dá)與處理，也就需要建立城市的三維景觀模型。在這個過程中，除了備受關(guān)注的人工建模，還有一項新的建模技術(shù)正在興起并發(fā)揮著越來越重要的作用。
圖1 傾斜攝影瓦片數(shù)據(jù)
初見圖1所示模型，你一定想知道這個三維模型是怎么構(gòu)建的。棱角參差，沒有完整的建筑，看著不太符合人工建模（如3Ds MAX建模軟件）的結(jié)果。其實圖中所示的三維模型就是傾斜攝影相機(jī)飛過城市上空再經(jīng)過軟件的預(yù)處理所獲取的一個瓦片數(shù)據(jù)（像圖2中一塊一塊拼起來的，形象稱為瓦片數(shù)據(jù)）。
當(dāng)我們將這樣大量的瓦片數(shù)據(jù)拼接起來后，就形成了一個城市三維景觀模型。這個神奇的新興建模技術(shù)就是我們所要介紹的傾斜攝影技術(shù)：傾斜攝影數(shù)據(jù)獲取設(shè)備+后處理軟件全自動化生成城市三維景觀模型。
圖2 瓦片數(shù)據(jù)組成整體模型示例
傾斜攝影以一個航空飛行器攜帶一組傾斜攝影設(shè)備（一個垂直正射鏡頭和若干個傾斜鏡頭）飛行過城市上空便可實現(xiàn)自動化迅速建模，真實還原城市三維場景。這個近十幾年來才發(fā)展起來的“后起之秀”，顛覆了傳統(tǒng)城市建模。它的發(fā)展主要集中在兩點：數(shù)據(jù)獲取設(shè)備（即傾斜相機(jī)）和后處理軟件。
目前國內(nèi)已經(jīng)有很多傾斜攝影系統(tǒng)，如北京紅鵬天繪公司的微型無人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)，廣州中海達(dá)公司的iScan系列等。也有越來越多的人開始投入到傾斜攝影技術(shù)的研究上來。傾斜攝影技術(shù)更大 的特點是快，這正契合現(xiàn)在很多城市現(xiàn)代化進(jìn)程對建模的基本要求，例如武漢市的城市口號——“武漢，每天不一樣”。
傳統(tǒng)的基于人工或半人工的城市三維建模顯然滿足不了這種快城市化發(fā)展需求，因此傾斜攝影應(yīng)運而生。傾斜攝影技術(shù)顯著提高了建模速度，自動化建模解放了人力。而在模型精度上，傾斜攝影技術(shù)也在不斷突破創(chuàng)新，某些應(yīng)用層面上已經(jīng)不亞于人工建模。
總的來說，傾斜攝影技術(shù)的特點可以歸納為：
（1）真實性。無人機(jī)觀測數(shù)據(jù)直接用于模型構(gòu)建，包括地物的外觀、位置、高度屬性都與真實場景一致。
（2）高效性。借助無人機(jī)或其他各種飛行設(shè)備，整個城市的數(shù)據(jù)可在 內(nèi)采集，后續(xù)軟件預(yù)處理都是全自動化實現(xiàn)。
（3）較高的性價比。除了在人力、財力和時間方面有很強(qiáng)的優(yōu)勢，它本身屬于航空攝影測量的一種，所得數(shù)據(jù)是帶有空間位置信息的可測量影像數(shù)據(jù)，能輸出多種成果，應(yīng)用于其他多種領(lǐng)域。
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傾斜攝影兩大關(guān)鍵技術(shù)
前面已經(jīng)提到，傾斜攝影技術(shù)有兩大主要發(fā)展：數(shù)據(jù)獲取設(shè)備與后處理軟件。數(shù)據(jù)獲取設(shè)備也就是傾斜攝影相機(jī)，傳統(tǒng)的攝影測量只是像拍證件照一樣從正上方垂直拍攝正投影像，而傾斜攝影設(shè)備是由一個飛行平臺搭載多個傳感器，同時從正射和多個傾斜角度進(jìn)行多角度全方位的影像采集。
具有代表性的設(shè)備有德國IGI公司的Penta-DigiCam系統(tǒng)、徠卡公司旗下的RCD30和ADS40三線陣數(shù)碼相機(jī)、微軟公司旗下UCO等，這些也是行業(yè)內(nèi)最早的傾斜攝影數(shù)據(jù)獲取設(shè)備。目前最常見的是1+4傳感器設(shè)備，即一個垂直傳感器+四個傾斜傳感器。隨著技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了搭載更多傾斜鏡頭的傾斜攝影設(shè)備，圖3展示了1+8傳感器的傾斜攝影設(shè)備。
后處理軟件，是指對傾斜攝影設(shè)備拍攝的航空影像進(jìn)行解算和預(yù)處理獲取城市三維數(shù)據(jù)模型（多個角度觀察地物，記錄了地物的三維空間位置信息）。具有代表性的有美國Pictometry公司的Pictometry系統(tǒng)、法國Acute3D公司的Smart3DCapture和微軟Vexcel公司的Ultramap軟件等。數(shù)據(jù)獲取設(shè)備和后處理軟件共同推動了傾斜攝影技術(shù)的發(fā)展。
圖3 多傾斜鏡頭的傾斜攝影相機(jī)
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傾斜攝影建模原理
在學(xué)習(xí)傾斜攝影建模原理之前，我們需要先了解地形地貌模型的構(gòu)建原理。
地形地貌建模是較早實現(xiàn)的自動化建模，基于數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model, DEM）數(shù)據(jù)，在ArcGIS或3Ds MAX等軟件中即可實現(xiàn)三維模型的構(gòu)建。在地貌模型的構(gòu)建過程中，為了達(dá)到逼真效果，最常見的方法就是DEM與數(shù)字正射影像（可以理解為紋理圖像）疊加形成地表景觀。在這個過程中，高程三維建模主要包括兩種方式：基于不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN, Triangulated Irregular Network）的三維表面建模和基于規(guī)則格網(wǎng)的三維表面建模。
其中，不規(guī)則三角網(wǎng)通過不規(guī)則分布的離散數(shù)據(jù)點生成連續(xù)的三角面來逼近地形表面（圖4）。用于生成不規(guī)則三角網(wǎng)的三角形中，狄洛尼（Delaunay）三角形在地形擬合方面運用的較普遍，因此常被用于不規(guī)則三角網(wǎng)的生成。它的構(gòu)成原則是三角形的外接圓內(nèi)部不包括其他點。當(dāng)?shù)匦沃邪写罅康奶卣骶€如斷裂線、構(gòu)造線時，TIN模型能更 合理表達(dá)地表形態(tài)。
圖4 不規(guī)則三角網(wǎng)構(gòu)造的地形表面
規(guī)則格網(wǎng)，由原始的DEM數(shù)據(jù)（柵格影像，像元值存儲高程值）直接生成地形。規(guī)則格網(wǎng)在X和Y方向上具有不可變的分辨率。當(dāng)?shù)匦纹鸱^大時，規(guī)則格網(wǎng)的表達(dá)效果則不如不規(guī)則三角網(wǎng)。
圖5 DEM與DEM生成的地形
傳統(tǒng)的城市建模中，多是以半自動化半人工的建模方式進(jìn)行。首先以DEM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，自動化構(gòu)建地形地貌模型，疊加數(shù)字正射影像，形成粗糙的城市三維模型。之后，經(jīng)過3Ds MAX、Sketch Up等建模軟件進(jìn)行房屋、植被的精細(xì)建模。
這種建模方式下，并非要事無巨細(xì)，一概都逼真表達(dá)，而是根據(jù)不同的需要和有限的時間、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等條件進(jìn)行各種取舍與簡化。即便如此，獲取較高精度的城市三維模型仍需要花費大量的人力、財力與時間。并且隨著城市化建設(shè)進(jìn)程的加快，這種僅依靠人力的建模方法，無法短周期內(nèi)更新，存在著很多弊端。
相比之下，傾斜攝影技術(shù)進(jìn)一步將這種“自動化”推向了后續(xù)的房屋、植被等的精細(xì)建模。也就是說，整個城市景觀都采用自動化的方式。從中，傾斜攝影技術(shù)可以獲得三種表現(xiàn)形式的數(shù)據(jù)：實體模型文件、TIN三角網(wǎng)數(shù)據(jù)和點云數(shù)據(jù)。
其中，點云數(shù)據(jù)是傾斜攝影獲取的最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)，點簇在空間中的分布代表了具有變化特征的位置，一般變化越劇烈的位置，點云越密集。點云數(shù)據(jù)的獲取，正是利用了多角度拍攝地物所蘊(yùn)含的三維空間信息，是航空影像最直接的解算結(jié)果。那么，傾斜攝影究竟是什么樣的形式呢？如圖所示，在傾斜攝影航空拍攝中，五個鏡頭所拍攝影像需要有一部分重疊，一般采取30%旁向重疊度和66%航向重疊度。三維點的坐標(biāo)通過多視影像聯(lián)合平差和多視影像密集匹配等方法解算得到。
圖6 傾斜攝影航拍效果圖
獲取點云數(shù)據(jù)之后，類似于地形地貌建模，通過點云可以構(gòu)建出TIN，在TIN的基礎(chǔ)上通過三角面片的組合可生成白模，然后通過紋理圖片投影映射，就可以得到我們看到的實體模型文件了。
圖7 由點云到真實三維模型的構(gòu)建過程
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傾斜攝影數(shù)據(jù)應(yīng)用的難題
那么，傾斜攝影技術(shù)如此快速的建模方法為什么沒有普及應(yīng)用呢？雖然相對于人工建模，傾斜攝影技術(shù)無論在建模速度，還是在建模精度上都已經(jīng)取得了很大優(yōu)勢。但在模型后續(xù)的應(yīng)用上，傾斜攝影模型還存在一個很大的弊端：它的建模原理決定了所建三維模型的整體性。
傾斜攝影三維模型是由影像解算出點云、迅速構(gòu)建三角網(wǎng)、之后貼上紋理生成，構(gòu)建的是一個連續(xù)的不規(guī)則三角網(wǎng)。因此，整個模型是一個整體，雖然人眼可以迅速通過紋理辨別樓棟、樹木、車輛等物體，但對于計算機(jī)來說，把物體分開確是一件很難的事兒。
傳統(tǒng)的人工建模，通過對每個或每類物體進(jìn)行獨立的建模，之后疊加到一起形成三維場景，從建模開始就是“物體獨立”的，不存在連在一起的現(xiàn)象。而傾斜攝影技術(shù)獲取的三維模型數(shù)據(jù)在初期只能用于簡單的場景漫游，無法分離出物體對象，因此自然也不能記錄每個物體的屬性信息，無法進(jìn)行單獨管理。
在智慧城市的應(yīng)用中，大數(shù)據(jù)、多屬性是一個關(guān)鍵技術(shù)，三維立體城市不僅是視覺上的立體化，更應(yīng)該是數(shù)據(jù)的載體，讓每個物體都可以“活起來”。因此，在對傾斜數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)用之前，“單體化”成了必不可少的預(yù)處理過程。
“單體化”的目標(biāo)旨在讓傾斜攝影數(shù)據(jù)的每個物體分離開來，能夠在整個模型中進(jìn)行單獨選中、賦予屬性、查詢屬性等基礎(chǔ)GIS操作。“單體化”研究也吸引了很多學(xué)者的關(guān)注。
從目前來看，單體化主要有三種方法：
種是利用三角面片中每個頂點的額外存儲空間，把建筑物（或其他物體）的ID存儲起來，一個建筑物對應(yīng)的三角形存儲的是共同ID值。
第二種是在三維渲染時，動態(tài)地把對應(yīng)的矢量面疊加到傾斜攝影模型上，達(dá)到單體效果。
第三種對三角形進(jìn)行切割，把連續(xù)的三角網(wǎng)從物理上切割開來。
三種單體化中，切割單體化實現(xiàn)了真正意義上的分離，也成為了很多學(xué)者的研究重點。目前，基于點集的切割方法運用已比較成熟（圖8），但同時也存在一個很大的問題：切割后的模型具有明顯的“鋸齒”，未達(dá)到良好的視覺效果，而基于三角形的切割技術(shù)有效的解決了這一問題（圖9）。
不過，這種切割單體化的方法，目前還處在人工切割的階段，也就是說，切割線還僅僅是人工繪制的。可喜的是，隨著圖像識別與機(jī)器學(xué)習(xí)的發(fā)展熱潮，基于圖像識別算法對傾斜攝影數(shù)據(jù)紋理的識別與特征線的識別能夠推動切割單體化的自動實現(xiàn)，從而真正實現(xiàn)傾斜攝影數(shù)據(jù)的應(yīng)用普及。
圖8 基于點集的切割單體化
圖9 基于三角形的切割單體化
當(dāng)我們抬頭看天，無意中看到無人機(jī)時，也許它就正在執(zhí)行著傾斜攝影的任務(wù)。當(dāng)傾斜攝影逐漸普及，有意中我們將發(fā)現(xiàn)，智慧城市的發(fā)展更加迅速，城市視界變得更加絢麗多彩且炫酷非凡。
