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倾斜摄影方案书

北京中电北斗科技有公司

一、 倾斜摄影定义

倾斜摄影全称倾斜摄影测量技术，是国际测绘领域近年来发展起来的一项高新技术，它颠覆了传统正射影像只能从垂直角度拍摄的局限，通过在同一飞行平台上搭载多台传感器（通常是五个），同时从一个垂直、四个倾斜等不同角度采集影像，并通过街景工厂的空三加密处理与自动化建模技术生产实景三维模型，得到全要素、可量测的三维模型成果。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，能更加真实地反映地面的实际情况，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。
二、 方案设计目标

• 三维数据的高精准可量测性
• 色彩和形态的全要素还原
• 产品的多样性和可延展性
• 建模的高效和相对低成本

三、 倾斜摄影技术特点

特点一：反映地物周边真实情况
相对于正射影像，倾斜影像能让用户从多个角度观察地物，更加真实的反映地物的实际情况，极大的弥补了基于正射影像应用的不足。
特点二：倾斜影像可实现单张影像量测
通过配套软件的应用，可直接基于成果影像进行包括高度、长度、面积、角度、坡度等的量测，扩展了倾斜摄影技术在行业中的应用。
特点三：建筑物侧面纹理可采集
针对各种三维数字城市应用，利用航空摄影大规模成图的特点，加上从倾斜影像批量提取及贴纹理的方式，能够有效的降低城市三维建模成本。
特点四：数据量小易于网络发布
相较于三维GIS技术应用庞大的三维数据，应用倾斜摄影技术获取的影像的数据量要小得多，其影像的数据格式可采用成熟的技术快速进行网络发布，实现共享应用。
四、 行业应用

数字城市、 公安应急、水利、交通、环保、航空、旅游、石油、电力、通信、规划、国土资源、林业、军事国防、房地产等15个行业。
五、 公司简介

北京中电北斗科技有限公司，是一家紧跟国家科技战略，以“互联网+”思路为手段，“智慧城市”建设为目标的具有现代化运营理念的IT服务与解决方案供应商。 中电北斗融合中国北斗导航应用、智慧管廊、地理信息位置服务、智能设备监测系统、智能安防、计算机系统集成一体化及服务外包产业的发展趋势，主动顺应产业发展趋势，有效利用国家发展政策，依托园区内全球联动资源的优势，积极发挥自身的集聚效应和资源优势，凭借成熟、先进的软硬件研发技术，积极发挥平台作用，助力智慧城市智慧管网产业发展。 公司总部坐落于北京中关村融科资讯大厦，上海、深圳同步设立分支机构，战略性构建全国营销及服务网络。 软硬件研发基地位于哈尔滨、北京，哈尔滨和济南同步设立实验室。
六、 技术方案

6.1倾斜摄影建模技术
倾斜摄影建模：多角度航拍带有倾斜角度的影像，通过专业的建模处理软件，全自动的生成模型的过程(仅需要倾斜影像)。
6.1.1 倾斜摄影建模
要了解倾斜摄影建模首先得了解倾斜摄影，倾斜摄影（oblique image）是指由一定倾斜角的航摄相机所获取的影像。倾斜摄影技术是国际测绘遥感领域近年发展起来的一项高新技术，通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从垂直、倾斜等不同角度采集影像，获取地面物体更为完整准确的信息。仅由倾斜模型生成三维模型的过程就是倾斜摄影建模，如图1所示。

图1
6.1.2 倾斜摄影有以下特点：
1）可以获取多个视点和视角的影像，从而得到更为详尽的侧面信息。
2）具有较高的分辨率和较大视场角。
3）同一地物具有多重分辨率的影像。
4）倾斜影像地物遮挡现象较突出。
倾斜摄影测量技术一般包含以下处理流程，如图2所示：

图2
倾斜摄影自动化生成的模型本质上是mesh模型，自动化软件一般经过几何校正、联合平差等处理流程，可运算生成基于真实影像的超高密度点云，并以此生成基于真实影像纹理的高分辨率实景三维模型。
点云效果图，如图3所示：

图3
点云构建TIN模型，如图4、图5所示：

图4

图5
纹理映射构建真实三维模型，如图6所示：

图6
6.1.3 倾斜摄影建模的优势
倾斜摄影获取多个视角影像，全方位获取地物信息，相比传统建模方式更为快捷获取建筑物的顶部及侧面纹理信息，通过专业的数据处理软件能够快速生成三维模型，还原真实世界。传统建模与倾斜摄影模型对比，如图7所示：

图7
6.2 技术解决方案
根据倾斜模型的特点，中电北斗三维结合自身的二维GIS优势，实现了倾斜摄影模型二三维一体化GIS解决方案。下面将从倾斜模型加载及实时渲染和倾斜模型的GIS基础功能两个方面具体的展示。
6.2.1 模型加载
系统组件提供新的三维图层，该图层可以加载osgb格式的倾斜模型，由于osgb文件较多，我们采用索引文件（*.scp）的方式加载。下面将详细的介绍模型的加载及倾斜模型在超图三维场景中的效果。
6.2.2 OSGB文件
倾斜摄影自动建模可以生成多种数据格式的模型，包括obj、osg（osgb）、dae等通用的兼容格式，超图支持OSGB格式的倾斜模型文件，它自带超过20级金字塔级别的模型精度等级，充分利用LOD结构，加载速度快，我们支持任意剖分格式的倾斜建模，包括四叉树、八叉树、任意。如图8所示：

图8
6.2.3 OSGB索引工具
为了更方便的加载osgb模型数据，我们提供了osgb索引文件生成器，通过简单的操作即可生成场景缓存加载的*.scp文件（如图9）。双击OSGB索引文件生成器.exe工具，输入osgb文件夹路径，按下回车键即可生成*.scp文件（如图10）。

图9

图10

该文件包含xml文件头、倾斜模型插入点位置、每个模型tile的根节点的相对路径。
手动修改插入点坐标（如图11）：

图11
桌面加载倾斜模型数据（图12）

图12
6.2.4 场景展示
直接加载OSGB原始文件，实时渲染帧率达60帧左右，数据承载力强、稳定性高。桌面、组件（iObject）及客户端（iclient）都完美支持倾斜摄影模型数据（如图13、图14、图15、图16）。目前测试最大面积400平方公里倾斜模型数据，数据量300GB，理论上还可以支持更大的倾斜摄影模型数据。
桌面及组件效果：

图13 图14

图15
客户端效果：

图16

6.3 组件功能
倾斜摄影模型GIS基础功能分为以下部分：
6.3.1 二三维一体化GIS功能
结合二维GIS优势，我们采用叠加二维矢量面的方式来解决倾斜模型一些基本GIS功能：图查属性、属性查图、周边查询、专题图制作等。矢量面的高度模式采用新版本提供的依对象(ClampToObject)高度模式。
6.3.2 压平倾斜模型
为了满足规划等一些行业的应用，压平倾斜模型即可达到拆除建筑物的效果，再置换成用户的规划数据满足行业应用。
6.3.3 倾斜模型参与地表开挖
实现地上地下GIS应用，倾斜摄影模型也参与地表开挖。
6.3.4 地形修改
为了解决地形与模型的套合问题，sp2版本及后续版本提供并完善地形修改功能。地形修改高度模式为修改地形(ModifyTerrain)。
6.3.5 添加水面
倾斜模型水面区域经常有破洞，超图三维水面符号可以补充参数化的水面填充符号可以满足不同区域的水体效果。
6.3.6 2.5D地图生成
下面将详细介绍每个功能使用方法。
图查属性
实现倾斜摄影模型的选中高亮并查询其属性（如图17所示）。具体操作方法如下：
1）首先准备与倾斜模型底面匹配的矢量面文件并将其导入SuperMap的UDB文件。
2）把矢量面数据集添加到场景中，并设置其图层的选择集风格（Layer3D.Selection.Style）的高度模式为依对象（ClampToObject）。

图17
属性查图
实现属性查图，也必须有叠加的矢量面图层，并设置其图层的选择集风格为依对象，根据SQL查询条件语句（例如：name=”大剧院”），查询并返回对象SmID添加到选择集中，如图18所示：

图18
周边查询
倾斜摄影模型支持周边查询，通过叠加的矢量数据，实现buffer查询，并将查询结果id添加到场景中的矢量图层选择集中。注：目前只支持二维矢量面buffer查询，三维面转成二维面即可，如图19所示：

专题图制作
倾斜摄影模型支持各种类型专题图制作，标签专题图、单值专题图、分段专题图制作。通过矢量数据制作各种类型专题图，并设置其图层风格高度模式为依模型高度模式（如图20所示）

压平功能
为满足规划等行业应用提供OSGB模型的压平接口，新增Layer3DOSGBFile（基类Layer3D）该类型提供压平OSGB模型的接口，通过添加压平区域即可实现OSGB模型“修改”模型的功能，置换用户规划模型数据，满足行业应用。图21、22、23所示：

图21 图22

图23
模型参与地表开挖
为了满足地上地下GIS功能应用（地下管网等），倾斜模型参与地表开挖（如图24、图25所示）

图24 图25

地形修改
倾斜模型是数字地表模型，它本身包含了真实的地形高度，叠加早期的地形数据会出现地形与模型不匹配的问题，7C sp2版本提供新的高度模式<修改地形>来解决这个问题。在cad数据集图层中编辑多边形区域，设置其Style3D高度模式为ModifyTerrain，并设置其底部高程值，即可修改区域内地形，地形修改可以参照如下代码实现，如图26、图27所示：

图26 图27
添加水面
水面可以参照如下代码实现，在cad数据集图层中编辑添加面对象，并设置其风格为水面风格
（如图30所示）。

图28
2.5D地图数据生成
三维需要在三维场景中显示，对显卡等有一定的要求，而且数据量非常大，为满足不同用户的需求，超图三维场景提供生成2.5维地图功能，这样在地图控件中就可以看到三维场景中的效果，传统模型及倾斜摄影模型都支持该功能。设置出图范围及场景的俯仰角（tilt）和方位角（heading）即可生成用户指定SuperMap iObject .NET 技术文档 角度的2.5维地图（如图29、图30、图31所示）。
三维场景效果

图29
2.5维地图效果

图30
维地图发布REST地图服务，在二维客户端展示效果

图31

七、方案实现流程介绍
7.1实现方式
倾斜摄影技术是国际测绘遥感领域近年发展起来的一项高新技术，通过在同一飞行平台上搭载多台传感器（如图32所示，目前常用的是五镜头相机），同时从垂直、倾斜等不同角度采集影像，获取地面物体更为完整准确的信息。垂直地面角度拍摄获取的影像称为正片（一组影像），镜头朝向与地面成一定夹角拍摄获取的影像称为斜片（四组影像）。

图32  五镜头相机

图33  一组影像获取示意图

图34  连续几组影像获取示意图

正拍影像　　　　                　　　　　倾斜影像
图35  正拍影像与倾斜影像对比图

图36  同一地物四个侧面倾斜影像
7.2 倾斜摄影建模技术有哪些工作流程？
倾斜影像采集 
倾斜摄影技术不仅在摄影方式上区别于传统的垂直航空摄影，其后期数据处理及成果也大不相同。倾斜摄影技术的主要目的是获取地物多个方位（尤其是侧面）的信息并可供用户多角度浏览，实时量测，三维浏览等获取多方面的信息。 
倾斜摄影系统构成 
倾斜摄影系统分为三大部分：
第一部分为飞行平台，小型飞机或者无人机；
第二部分为人员，机组成员和专业航飞人员或者地面指挥人员（无人机）；
第三部分为仪器部分，传感器（多头相机、GPS定位装置获取曝光瞬间的三个线元素x，y，z）和姿态定位系统（记录相机曝光瞬间的姿态，三个角元素φ、ω、κ）。
倾斜摄影航线设计及相机的工作原理 
倾斜摄影的航线设计采用专用航线设计软件进行设计，其相对航高、地面分辨率及物理像元尺寸满足三角比例关系。航线设计一般采取30%的旁向重叠度，66%的航向重叠度，目前要生产自动化模型，旁向重叠度需要到达66%，航向重叠度也需要达到66%。航线设计软件生成一个飞行计划文件，该文件包含飞机的航线坐标及各个相机的曝光点坐标位置。实际飞行中，各个相机根据对应的曝光点坐标自动进行曝光拍摄。
倾斜影像加工
数据获取完成后，首先要对获取的影像进行质量检查，对不合格的区域进行补飞，直到获取的影像质量满足要求；
其次进行匀光匀色处理，在飞行过程中存在时间和空间上的差异，影像之间会存在色偏，这就需要进行匀光匀色处理；
再次进行几何校正、同名点匹配、区域网联合平差，最后将平差后的数据（三个坐标信息及三个方向角信息）赋予每张倾斜影像，使得他们具有在虚拟三维空间中的位置和姿态数据，至此倾斜影像即可进行实时量测，每张斜片上的每个像素对应真实的地理坐标位置。
倾斜摄影数据加工的关键技术：
多视影像联合平差 
多视影像不仅包含垂直摄影数据，还包括倾斜摄影数据，而部分传统空中三角测量系统无法较好地处理倾斜摄影数据，因此，多视影像联合平差需充分考虑影像间的几何变形和遮挡关系。结合POS 系统提供的多视影像外方位元素，采取由粗到精的金字塔匹配策略在每级影像上进行同名点自动匹配和自由网光束法平差，得到较好的同名点匹配结果。 同时建立连接点和连接线、控制点坐标、GPS/IMU辅助数据的多视影像自检校区域网平差的误差方程，通过联合解算，确保平差结果的精度。
多视影像密集匹配 
影像匹配是摄影测量的基本问题之一，多视影像具有覆盖范围大、分辨率高等特点。因此如何在匹配过程中充分考虑冗余信息，快速准确获取多视影像上的同名点坐标，进而获取地物的三维信息是多视影像匹配的关键。
由于单独使用一种匹配基元或匹配策略往往难以获取建模需要的同名点，因此近年来随着计算机视觉发展起来的多基元、多视影像匹配逐渐成为人们研究的焦点。目前在该领域的研究已取得很大进展，例如建筑物侧面的自动识别与提取。通过搜索多视影像上的特征如建筑物边缘、墙面边缘和纹理来确定建筑物的二维矢量数据集影像上不同视角的二维特征可以转化为三维特征，在确定墙面时，可以设置若干影响因子并给予一定的权值，将墙面分为不同的类，将建筑的各个墙面进行平面扫描和分割，获取建筑物的侧面结构，再通过对侧面进行重构，提取出建筑物屋顶的高度和轮廓。
数字表面模型生产 
多视影像密集匹配能得到高精度高分辨率的数字表面模型(DSM)，充分表达地形地物起伏特征，已经成为新一代空间数据基础设施的重要内容。由于多角度倾斜影像之间的尺度差异较大，加上较严重的遮挡和阴影等问题，基于倾斜影像的 DSM 自动获取存在新的难点。
可以首先根据自动空三解算出来的各影像外方位元素，分析与选择合适的影像匹配单元进行特征匹配和逐像素级的密集匹配，并引入并行算法，提高计算效率。在获取高密度 DSM数据后，进行滤波处理，并将不同匹配单元进行融合，形成统一的 DSM。
真正射影像纠正 
多视影像真正射纠正涉及物方连续的数字高程模型(DEM)和大量离散分布粒度差异很大的地物对象，以及海量的像方多角度影像，具有典型的数据密集和计算密集特点。因此多视影像的真正射纠正，可分为物方和像方同时进行。在有 DSM 的基础上根据物方连续地形和离散地物对象的几何特征，通过轮廓提取、面片拟合、屋顶重建等方法提取物方语义信息，同时在多视影像上通过影像分割、边缘提取、纹理聚类等方法获取像方语义信息，再根据联合平差和密集匹配的结果建立物方和像方的同名点对应关系，继而建立全局优化采样策略和顾及几何辐射特性的联合纠正，同时进行整体匀光处理，实现多视影像的真正射纠正。

八、  倾斜摄影应用 
一幅图像胜过千言万语，惟有直观立体的方式才能做到赋予领导者敏锐的洞察力。相对于二维地图，在智慧城市的管理体系中，倾斜摄影模型能让用户从多个角度观察地物，更加真实地反映地物的实际情况，弥补基于二维地图及传统虚拟三维模型应用的不足。倾斜摄影高效加载海量倾斜模型数据，流场的三维体验满足了旅游、景区等行业应用；轻松实单体化操作与表达，为房产、国土、城管、智慧城市等行业应用提供了基础平台；实用的压平操作，模拟建筑物拆除，满足规划行业应用；还可以进行包括高度、长度、面积、角度、坡度等的量测，应用于水利、能源开采等管理系统；同时软件提供了基于GPU的三维空间分析功能，结合倾斜摄影模型的高精度，分析出供决策者参考的准确数值指标；在三维场景中能看到房屋侧面的紧急出口，倾斜模型上任意点之间可以进行准确量算，比如计算通视距离、设计制高点和狙击方案等，这些事发地周围的详细信息，在应急行动中关乎人员及财产的安全，有时甚至能起到决定性作用。

美国“9·11”恐怖袭击发生后，美国军方立刻使用倾斜摄影测量技术获取了五角大楼影像，迅速了解现场情况，并制定了最合理的执行方案。目前，该技术已经在美国警方普及应用，帮助后方指挥人员掌握最细致的案发地情况，以便发出合理的指令。这样不仅提高了执行效率，而且提高了警务人员的安全性，取得了良好的效果
．倾斜摄影建模技术有哪些优势？
 倾斜摄影测量技术以大范围、高精度、高清晰的方式全面感知复杂场景，通过高效的数据采集设备及专业的数据处理流程生成的数据成果直观反映地物的外观、位置、高度等属性，为真实效果和测绘级精度提供保证。同时有效提升模型的生产效率，采用人工建模方式一两年才能完成的一个中小城市建模工作，通过倾斜摄影建模方式只需要三至五个月时间即可完成，大大降低了三维模型数据采集的经济代价和时间代价。目前，国内外已广泛开展倾斜摄影测量技术的应用，倾斜摄影建模数据也逐渐成为城市空间数据框架的重要内容。
．倾斜摄影模型未来的应用与发展前景如何？
倾斜摄影模型具有真实的影像纹理，因而每个模型三角面都与其纹理一一对应，这样模型的数据量就非常庞大，对GIS软件的加载及实时渲染是一个难点；倾斜摄影模型本身并不是一个一个的单体模型，所有的地物都连在了一起，成为“一张皮”，那么如何管理、查询、分析、应用就成为非单体化倾斜摄影模型应用的又一难点。
智航无人机提出了直接加载倾斜摄影模型，不需要进行数据格式转换，方便快捷的加载显示倾斜摄影模型， 这样用户获取数据之后第一时间可以在GIS软件中进行浏览，测量等操作，数据本身带有LOD结构，充分利用这种金字塔结构，结合动态调度解决了海量倾斜摄影模型加载浏览的难题；智航无人机结合自身二三维一体化优势，提出了叠加二维矢量面的方式实现了倾斜摄影模型的单体化技术，利用现有的二维矢量面数据，叠加到三维场景中，可以实现模型的单体化操作，属性查询操作、sql查询操作、周边查询操作及专题图制作等GIS基础功能。
倾斜摄影是从高空中获取地面信息，当建筑较为密集的区域，或者树木遮挡较为严重区域，这种自动化建模效果就表现的比较一般，这些区域除了通过补拍等其他手段获取信息外，也可以采用街景或者全景数据融合建模，这样建筑物底部同样可以达到比较好的效果。
这种以“全要素、全纹理”的方式来表达空间，提供了不需要解析的语义，是物理城市的全息再现，倾斜摄影三维技术是当今三维建模技术的主流，也代表着未来的发展方向。