倾斜摄影数据应用于三维建模单斜片测量是否可行

近年来，国际地理信息领域将传统航空摄影技术和数字地面采集技术结合起来，发展了一种称为机载多角度倾斜摄影的高新技术，简称倾斜摄影技术。倾斜摄影技术通过在同一飞行平台上搭载多台或多种传感器，同时从多个角度采集地面影像，从而克服了传统航空摄影技术只能从垂直角度进行拍摄的局限性，能够更加真实地反映地物的实际情况，弥补了正射影像的不足，通过整合POS、DSM 及矢量等数据，进行基于影像的各种三维测量。基于人眼视觉适合于观察倾斜透视像片的特点，倾斜影像测量技术更适合于网络环境应用。针对倾斜摄影数据的特点，人们进行了多方面的研究探讨。该技术可广泛应用于测绘、国土安全、城市管理等领域。

　　1、机载多角度倾斜摄影简述

机载多角度倾斜摄影测量系统是新一代摄影测量系统。其主要内容包括倾斜摄影数据获取技术和相应的数据处理技术。该系统数据获取部分一般由5个数码相机组成，包括１个垂直摄影相机和４个倾斜摄影相机，系统还可将摄影相机与机载GPS接收机、高精度IMU 进行高度集成。摄影相机用来提供影像信息，而GPS、IMU 则分别提供位置和状态信息。通过在系统中集成定位定姿设备或进行空中三角测量处理可为每张拍摄的影像提供位置姿态信息用于后续的数据处理。

倾斜摄影测量系统是数字制图方面的一个重要突破，它使得“非现场”测量和分析不仅可在模型上进行，而且也可在倾斜航片上进行。通过摄影测量方式获得的垂直正射像片和倾斜正射像片被整合到一个所谓的“场景文件”中，而“场景文件”则提供了对任一地块、建筑物、构筑物及特征物的多维度、多视向的观察。国外在上世纪90年代就开始了对倾斜摄影测量系统的研究，目前该技术正成为研究的热点和市场的应用方向。美国Pictometry公司是世界上最早研究倾斜摄影技术的公司。目前Pictometry公司的倾斜摄影系统已在北美、欧洲得到广泛的应用，该类系统所具有的特点对人们使用地理空间信息的方式产生着很大的影响。它在美国的早期成功是用于突发事件方面的应用，而真正的发展始自于与微软的合作，并被集成进微软公司开发的Bing Maps之中。Google Earth也可能集成大角度的倾斜影像。经过地理参考定位的倾斜影像拓展了传统垂直影像的特性，提供了独特的透视观测方式，基于影像的三维测量系统具有如下的作用：

①   直接观测到建筑物的立面，垂直影像上是很困难或不可能的；

②   能够在影像上直接测量物体的高度、长度、面积等；

③   改善了对电杆、灯杆等物体的识别，而要在正射影像上进行这些识别是很困难的；

     ④改善了非地图专业人员对地理信息的“可读性”；

⑤  扩展了以倾斜影像的３Ｄ观测地理信息系统 GIS 数据的方式。

　　2、基于倾斜摄影数据的三维测量技术

倾斜摄影测量系统三维建模的主要目标是，基于多角度倾斜相机摄影数据获取系统飞行拍摄的影像、拍摄时同步记录的POS数据、该区域DSM 数据、矢量图形数据等资料，进行必要的加工处理，建立基于机载多角度倾斜摄影影像的三维测量系统。

其主要内容如下。

　　（1）利用POS进行倾斜摄影高精度空中三角测量利用航拍时同步记录的POS数据，研制开发高精度光束法区域网平差程序模块，计算每幅影像的内外方位元素及检校参数等，计算立体测图所需的定向点、连接点等。

　　（2）影像数据及辅助数据管理与检索针对倾斜摄影系统拍摄的大量影像及位置姿态

　　数据等，建立数据管理与检索模块。为后续处理提供该类数据的访问接口。

　　（3）DSM 数据管理与检索

　　针对摄影区域内的大量DSM 数据，建立数据管理与检索模块。为后续处理提供该类数据的访问接口。

　　（4）矢量数据管理与检索

　　针对摄影区域内的矢量图形数据，建立必要的数据管理与检索模块。为后续处理提供该类数据的访问接口。

　　（5）影像与DSM 融合

　　在上述处理模块的基础上，研制开发倾斜摄影影像与DSM 数据的融合方法，生成高密度彩色点云或三维彩色影像，实现点云彩色化或图像三维化。

　　（6）影像与矢量数据融合

　　研制开发倾斜摄影影像与矢量图形数据的融合方法，实现影像与矢量图形数据的叠置整合。

　　（7）基于影像的三维测量与建模

　　在上述处理模块的基础上，实现基于倾斜摄影影像的显示及交互三维量测，包括（相对）位置、高度、长度、距离和面积等。实现基于倾斜影像的三维建模功能。

　　（8）基于WEB的查询应用

在上述模块加工处理数据的基础上，开发基于WEB的查询浏览软件，实现基于互联网的影像三维测量功能。

　　2.1三维建模技术

在利用倾斜摄影影像数据、POS数据、DSM 数据及矢量图形数据的基础上，采用如下的技术路线：通过研制开发基于POS的倾斜摄影空中三角测量技术，进一步提高位置姿态的测量精度，得到每幅影像的方位数据；拟采用快速索引技术实现对多源空间数据的管理与检索，开发统一的数据访问接口；采用DSM 数据作为多源数据配准的几何基准；利用空间同步原理实现影像数据与DSM数据及矢量图形数据的配准融合；研究基于影像信息支持的内插法进行影像三维化；拟根据摄影测量几何约束研究开发三维建模纹理自动（或半自动）映射方法。

　　2.2单斜片测量技术

　　单斜片测量是在一些基本的测量数据产品的基础上，能够对单张斜片进行某些参数的应用测量，主要包括地物的高度、长度、距离及面积的测量等。

　　 （1）单斜片测量需要的基础数据资料包括5头相机倾斜摄影影像资料，POS数据或空三加密成果（主要是斜片的内外方位元素），包含斜片地面覆盖范围的测区DEM、DOM 数据等。

　　 （2）单斜片测量的思路

在POS数据或空三加密成果及测区的DEM、DOM 数据的基础上，建立待测量斜片与DOM数据之间的关系，得到一定意义上的倾斜纠正影像，再对倾斜纠正斜片进行一些相对参数的测量。

　　3、实验结果与分析

　　基于上述思想，初步开发了一个利用倾斜影像数据进行三维建模与单斜片测量的软件系统。开发环境采用的操作系统为XP／W7，开发语言为VC＋＋6．0／VC＋＋2010。下面对软件系统的基本功能及实验情况做一下简单介绍。

3.1加载DOM、DEM 影像由于要实现对倾斜影像的检索和量测，首先需要加载该区域的DOM影像，在菜单栏文件目录下，打开需要加载的该区域的DOM 影像，同时DEM影像也会自动加载。

　　3.2计算斜片覆盖范围

计算斜片覆盖范围所需资料包括对应的POS数据、内方位数据、相机大小数据和测区地面的平均高程数据。在菜单栏目录下预处理→斜片覆盖范围，打开POS或像片外方位元素数据文件对话框，加载外方位元素数据，即可计算像片的覆盖范围，提示程序正常运行，此时在每个相机文件夹下会自动生成计算出的像片覆盖范围结果文件Photos.cov和Photos.ctp。只有在新加载一个工程时，才需要计算像片的覆盖范围，之后如果重新需要加载该工程，则不需要首先计算像片的覆盖范围，直接进入下一步即可。

　　3.3检索斜片

加载了DOM 影像之后，就可以在DOM 影像上任何区域检索出该区域所有匹配的影像，分为两部分检索斜片和检索列表。单击该区域即可检索出该区域对应的像片个数。

　　3.4斜片测量

　　检索完像片之后，即可选择最佳像片进行测量。该软件在斜片测量方面给出了两种方法：

一种方法是根据DEM 确定动态比例尺，计算长度和面积。测量目录下有斜片长度和斜片面积两个命令，可测量任意长度和面积。

　　机载多角度倾斜摄影测量系统是对单角度摄影测量系统的改进和发展，通过在一个飞行平台上搭载多个摄影角度的传感器或数码相机，不仅能够实现常规的地表三维测量，而且由于其能够同时获取更多的地表覆盖数据，因而能够大大提高地表三维测量的可靠性和测量精度；还能够在完成地表三维几何测量的同时，获取大量的常规摄影无法得到的地物立面的纹理信息和几何信息，其在数字城市构建中具有重要的意义。

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