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【摘 要】近几年，世界地理信息范畴将传统航空拍照技能和数字地面收集技能结合起来，开展了一种称为机载多视点歪斜拍照的高新技能，简称歪斜拍照技能。歪斜拍照技能通过在同一飞行平台上搭载多台或多种传感器，同时从多个视点收集地面印象，然后克服了传统航空拍照技能只能从笔直视点进行拍照的局限性，可以愈加真实地反映地物的实际情况，弥补了正射印象的缺乏，通过结合POS、DSM及矢量等数据，进行根据印象的各种三维丈量。根据人眼视觉适合于调查歪斜透视像片的特色，歪斜印象丈量技能更适合于网络环境使用。对于歪斜拍照数据的特色，大家进行了多方面的研讨探讨。该技能可广泛使用于测绘、疆土安全、城市管理等范畴。这篇文章对于当前全国广泛开展的数字城市建设中最大的疑问———城市三维建模，这篇文章提出了一种根据歪斜航空印象效果的城市三维建模办法，即使用歪斜拍照技能获取建模区域的歪斜印象，通过数据预处理和已有修建的几许模型，将印象中获取的修建物纹路与几许模型相结合，终究建立三维模型。
【关键词】倾斜摄影；城市；三维建模
一、倾斜摄影测量技术
基于多角度观测的倾斜摄影测量技术（ObliquePhotography Technique）是新一代的摄影测量技术。它主要包括倾斜摄影数据获取技术和数据处理技术。倾斜摄影测量技术的数据获取部分一般由四个个倾斜摄影相机和一个垂直摄影相机构成，与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。在后续的数据处理过程中，一般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为拍摄的每张影像提供位置姿态信息。倾斜摄影测量技术使得“非现场”测量和分析可以在倾斜航片上进行，这—突破取决于它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“场景文件”中，而“场景文件”则能够提供对任一构筑物及特征物的多视向、多维度的观察，将地物的观测引入符合人眼视觉的真实直观界。
二、倾斜摄影测量技术在国内外的发展现状
国外对倾斜摄影测量技术的研究起始于上世纪90年代，目前该技术的应用已经逐渐推广，并在北美、欧洲得到广泛的应用。世界上最早研究倾斜摄影技术的公司是美国的PICTOMETRY公司。目前PICTOMETRY公司的倾斜摄影系统对人们使用地理空间信息的方式产生了很大的影响。美国微软公司开发的Bing Maps的使用也引发了Google Earth的高度关注。2005年，欧洲的Blom集团与PICTOMETRY公司签署了协议，以利用其倾斜摄影测量技术对覆盖西欧人口超过5万的所有城镇、大约1000个城市，十万余平方公里的地域提供图像分辨率为10cm-12cm、位置精度约0.5m的数据服务。国内测绘行业于2010年首次引进倾斜摄影技术。国内方面，刘先林院士研制的SWDC-5倾斜摄影系统在河南省平顶山市新城区成功完成了试验，该系统通过同一飞行平台用5个视角对地面进行拍摄，通过集成POS系统获取影像的位置、姿态信息。位于武大科技园空间信息产业基地的华正空间（武汉）软件技术有限公司在机载多镜头倾斜摄影测量系统的基础上自主研发了地理空间信息和应用平台系统“3DRealWorld”，该系统软件是具有世界领先水平的基于航空倾斜影像的地理空间信息和应用平台系统。北京天下图公司则作为全国首次引进斜摄影技术的航摄单位，将美国PICTOMETRY公司的机载倾斜摄影设备及相关解决方案引入中国，结合北京天下图在国内航摄领域的技术优势和市场资源，形成了自有的倾斜摄影影像获取及应用技术。
三、基于倾斜摄影成果的三维测量技术
使用常规基于垂直摄影像片的摄影测量技术进行三维建模，只能够处理屋顶等平面上和部分立面纹理，而大部分的立面纹理需要费时费力的地面摄影来提供。由于倾斜摄影测量能够直接观测到地面建筑物的立面并能够在影像上直接测量物体的高度、长度，或参考激光雷达获取的DSM建立建筑物的几何模型。建筑物几何模型的纹理由倾斜摄影像片提供，甚至可以通过倾斜航空像片技术与三维块状模型技术组合得到具有真实图像纹理细节的三维建筑物模型。
倾斜摄影测量系统进行三维建模的主要过程是，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、DLG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。其主要过程如图1所示。
四、利用倾斜摄影测量技术的城市三维建模方法
在三维建模过程中，我们一般将简单建筑物视为一个多面体，将复杂的建筑物视为多个多面体的组合。城市中的建筑物随着近年来建筑科学的发展，外形越来越复杂，要建立建筑物三维模型，多个多边形模块组成的建筑物模型是我们城市三维建模遇見的基本问题。而另一方面，三维建模还需要根据建筑物的几何信息和建筑物表面的真实纹理进行贴图。
目前建筑物的三维建模方法主要有模拟建模、半模拟建模和测量建模，前面两种方法的思路为：通过地物的平面轮廓模型与地物的高程模型结合，方法简单，但是与实际模型比较差距较大。城市三维建模的方法主要是测量建模，可通过航空摄影测量的方案实现，主要方法包括基于航空影像的交互式获取和基于航空影像及地面摄影对建筑物特征线特点进行自动提取这两种方法。
前者能够真实地获取建筑物信息，但是整个过程中需人工干预，数据处理缓慢，后者则可以满足大批量数据处理，但是需要整合的信息量大，目前应用较为困难。综上所述，目前较为合适的方法为：从测区DLG数据中提取建筑平面边界数据。以倾斜摄影测量的立体像对为基础，将平面边界数据与摄影测量预处理的产品（DSM、DEM）进行配准、套合，继而进行建筑物几何模型的建立。具体的建模思路如下：
由机载倾斜摄影系统实施航空倾斜摄影，对航摄后获取的原始影像及POS数据进行处理，包括亮度、饱和度等视觉方面的统一；垂直和倾斜影像的筛选甄别；根据已有检校数据对POS系统进行改正，确实精确的方位元素。然后根据以上成果，利用垂直影像、倾斜影像数据和空三测量加密成果，进行影像密集匹配，生产出基于真实影像超高密度点云的DSM数据，初步制作全要素的三维数字城市模型场景，最后利用模型编辑软件进行后处理，生产出全要素的三维数字城市模型及场景。
结束语
通过以上内容的论述和分析，可以看出，运用倾斜摄影测量技术实施的三维数字城市建模方法与原有三维建模方法有很大区别，初步实现了批量化数据处理，对于不规则的地物（例如路灯杆、旗杆等建筑附属物）也能进行区分（但是由于匹配截面小，暂未能实现批量处理）、进行剔除，故该方案相对原有方法有着较大的优势。当然倾斜摄影技术也会有一定的不足，如在建筑物底部造成模型扭曲、变形；个别地方提取纹理困难，进而产生空洞（后期模型修补时可以完善），总之，该技术无论是对于数据采集数据的后处理有较大的进步，但是该技术存在的不足还需在今后的三维城市建模中不断改进和完善。
参考文献：
[1]石帅锋.非线性轴承—转子系统的不平衡响应特性研究[D].郑州大学，2014.
[2]张德胜，汪靖，施卫东，叶晓琰，田海平.高压多级离心泵转子系统的不平衡响应特性[J].排灌机械工程学报，2014，01：17-22.
[3]马艳红，何天元，张大义，洪杰.支承刚度非线性转子系统的不平衡响应[J].航空动力学报，2014，07：1527-1534.
[4]殷勍.基于ANSYS的涡轮增压器转子系统动力学特性研究[D].中北大学，2014.
【关键词】倾斜摄影；城市；三维建模
一、倾斜摄影测量技术
基于多角度观测的倾斜摄影测量技术（ObliquePhotography Technique）是新一代的摄影测量技术。它主要包括倾斜摄影数据获取技术和数据处理技术。倾斜摄影测量技术的数据获取部分一般由四个个倾斜摄影相机和一个垂直摄影相机构成，与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。在后续的数据处理过程中，一般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为拍摄的每张影像提供位置姿态信息。倾斜摄影测量技术使得“非现场”测量和分析可以在倾斜航片上进行，这—突破取决于它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“场景文件”中，而“场景文件”则能够提供对任一构筑物及特征物的多视向、多维度的观察，将地物的观测引入符合人眼视觉的真实直观界。
二、倾斜摄影测量技术在国内外的发展现状
国外对倾斜摄影测量技术的研究起始于上世纪90年代，目前该技术的应用已经逐渐推广，并在北美、欧洲得到广泛的应用。世界上最早研究倾斜摄影技术的公司是美国的PICTOMETRY公司。目前PICTOMETRY公司的倾斜摄影系统对人们使用地理空间信息的方式产生了很大的影响。美国微软公司开发的Bing Maps的使用也引发了Google Earth的高度关注。2005年，欧洲的Blom集团与PICTOMETRY公司签署了协议，以利用其倾斜摄影测量技术对覆盖西欧人口超过5万的所有城镇、大约1000个城市，十万余平方公里的地域提供图像分辨率为10cm-12cm、位置精度约0.5m的数据服务。国内测绘行业于2010年首次引进倾斜摄影技术。国内方面，刘先林院士研制的SWDC-5倾斜摄影系统在河南省平顶山市新城区成功完成了试验，该系统通过同一飞行平台用5个视角对地面进行拍摄，通过集成POS系统获取影像的位置、姿态信息。位于武大科技园空间信息产业基地的华正空间（武汉）软件技术有限公司在机载多镜头倾斜摄影测量系统的基础上自主研发了地理空间信息和应用平台系统“3DRealWorld”，该系统软件是具有世界领先水平的基于航空倾斜影像的地理空间信息和应用平台系统。北京天下图公司则作为全国首次引进斜摄影技术的航摄单位，将美国PICTOMETRY公司的机载倾斜摄影设备及相关解决方案引入中国，结合北京天下图在国内航摄领域的技术优势和市场资源，形成了自有的倾斜摄影影像获取及应用技术。
三、基于倾斜摄影成果的三维测量技术
使用常规基于垂直摄影像片的摄影测量技术进行三维建模，只能够处理屋顶等平面上和部分立面纹理，而大部分的立面纹理需要费时费力的地面摄影来提供。由于倾斜摄影测量能够直接观测到地面建筑物的立面并能够在影像上直接测量物体的高度、长度，或参考激光雷达获取的DSM建立建筑物的几何模型。建筑物几何模型的纹理由倾斜摄影像片提供，甚至可以通过倾斜航空像片技术与三维块状模型技术组合得到具有真实图像纹理细节的三维建筑物模型。
倾斜摄影测量系统进行三维建模的主要过程是，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、DLG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。其主要过程如图1所示。
四、利用倾斜摄影测量技术的城市三维建模方法
在三维建模过程中，我们一般将简单建筑物视为一个多面体，将复杂的建筑物视为多个多面体的组合。城市中的建筑物随着近年来建筑科学的发展，外形越来越复杂，要建立建筑物三维模型，多个多边形模块组成的建筑物模型是我们城市三维建模遇見的基本问题。而另一方面，三维建模还需要根据建筑物的几何信息和建筑物表面的真实纹理进行贴图。
目前建筑物的三维建模方法主要有模拟建模、半模拟建模和测量建模，前面两种方法的思路为：通过地物的平面轮廓模型与地物的高程模型结合，方法简单，但是与实际模型比较差距较大。城市三维建模的方法主要是测量建模，可通过航空摄影测量的方案实现，主要方法包括基于航空影像的交互式获取和基于航空影像及地面摄影对建筑物特征线特点进行自动提取这两种方法。
前者能够真实地获取建筑物信息，但是整个过程中需人工干预，数据处理缓慢，后者则可以满足大批量数据处理，但是需要整合的信息量大，目前应用较为困难。综上所述，目前较为合适的方法为：从测区DLG数据中提取建筑平面边界数据。以倾斜摄影测量的立体像对为基础，将平面边界数据与摄影测量预处理的产品（DSM、DEM）进行配准、套合，继而进行建筑物几何模型的建立。具体的建模思路如下：
由机载倾斜摄影系统实施航空倾斜摄影，对航摄后获取的原始影像及POS数据进行处理，包括亮度、饱和度等视觉方面的统一；垂直和倾斜影像的筛选甄别；根据已有检校数据对POS系统进行改正，确实精确的方位元素。然后根据以上成果，利用垂直影像、倾斜影像数据和空三测量加密成果，进行影像密集匹配，生产出基于真实影像超高密度点云的DSM数据，初步制作全要素的三维数字城市模型场景，最后利用模型编辑软件进行后处理，生产出全要素的三维数字城市模型及场景。
结束语
通过以上内容的论述和分析，可以看出，运用倾斜摄影测量技术实施的三维数字城市建模方法与原有三维建模方法有很大区别，初步实现了批量化数据处理，对于不规则的地物（例如路灯杆、旗杆等建筑附属物）也能进行区分（但是由于匹配截面小，暂未能实现批量处理）、进行剔除，故该方案相对原有方法有着较大的优势。当然倾斜摄影技术也会有一定的不足，如在建筑物底部造成模型扭曲、变形；个别地方提取纹理困难，进而产生空洞（后期模型修补时可以完善），总之，该技术无论是对于数据采集数据的后处理有较大的进步，但是该技术存在的不足还需在今后的三维城市建模中不断改进和完善。
参考文献：
[1]石帅锋.非线性轴承—转子系统的不平衡响应特性研究[D].郑州大学，2014.
[2]张德胜，汪靖，施卫东，叶晓琰，田海平.高压多级离心泵转子系统的不平衡响应特性[J].排灌机械工程学报，2014，01：17-22.
[3]马艳红，何天元，张大义，洪杰.支承刚度非线性转子系统的不平衡响应[J].航空动力学报，2014，07：1527-1534.
[4]殷勍.基于ANSYS的涡轮增压器转子系统动力学特性研究[D].中北大学，2014.