倾斜摄影——重塑城市世界
倾斜摄影——重塑城市世界
三维模型是物体的多边形表示，在计算机或其他视频设备上进行显示。它可以是现实世界实体或虚构物体的表示形式。三维模型已广泛应用于各个领域。在医疗行业，它们被用于制作精确的器官模型；电影行业使用它们来展现活动的人物、物体和实景；建筑业使用它们展示建筑物或风景的设计概念；近年来，地球科学领域开始构建三维地质模型。倾斜摄影测量技术作为一种新兴的技术方法，在三维建模和工程测量中具有广阔的应用前景。倾斜摄影测量技术利用倾斜摄影获取的影像数据，通过处理和分析，可以生成高精度的三维模型。这种技术在许多行业中都有重要的应用，例如城市规划、土地测量、环境监测等。倾斜摄影测量技术的发展为三维建模和工程测量带来了更高效、更准确的解决方案。
一、什么是倾斜摄影？
近年来，智慧城市的建设正在快速推进，而城市三维数字模型在其中扮演着至关重要的角色。为了绘制高效、智能的城市图景，需要对城市空间的三维数据进行表达和处理，这就需要建立城市的三维景观模型。在这个过程中，除了备受关注的人工建模技术，还有一种新兴的建模技术正在崭露头角，并发挥着越来越重要的作用。
图1 倾斜摄影瓦片数据
初见图1所示的模型确实具有参差不齐的棱角，并且没有完整的建筑，这看起来与使用人工建模软件（如3Ds MAX）得到的结果不太相符。但实际上，图中展示的三维模型是通过倾斜摄影相机在城市上空飞行，并经过软件的预处理后获取的一块瓦片数据（如图2所示）。当将大量的这样的瓦片数据拼接在一起时，就形成了一个完整的城市三维景观模型。
这种新兴的建模技术被称为倾斜摄影技术，它包括倾斜摄影数据获取设备和后处理软件，能够自动化地生成城市三维景观模型。倾斜摄影技术通过倾斜摄影相机获取大量的高分辨率影像数据，然后经过软件的处理和拼接，生成准确且具有丰富细节的三维模型。
图2 瓦片数据组成的整体模型实例
倾斜摄影技术通过一个航空飞行器携带一组倾斜摄影设备（包括一个垂直正射镜头和若干个倾斜镜头），飞行过城市上空，实现了自动化、迅速的建模，真实还原了城市的三维场景。这项技术是近十几年来才发展起来的新兴技术，被誉为“后起之秀”，它颠覆了传统的城市建模方式。倾斜摄影技术的发展主要集中在两个方面：数据获取设备（即倾斜相机）和后处理软件。通过不断的创新和改进，倾斜摄影技术为城市建模带来了全新的可能性。
目前国内已经涌现出许多倾斜摄影系统，例如北京红鹏天绘公司的微型无人机倾斜摄影系统和广州中海达公司的iScan系列。越来越多的人也开始投入到倾斜摄影技术的研究中。倾斜摄影技术最大的特点是快速，这与现代城市化进程对建模的基本要求非常契合。例如，武汉市的城市口号是“武汉，每天不一样”，这要求对城市进行及时、高效的建模。倾斜摄影技术能够快速获取大量的数据，并通过后处理软件实现快速建模，满足了这种需求。
传统的基于人工或半人工的城市三维建模方法显然无法满足快速城市化发展的需求，因此倾斜摄影技术应运而生。倾斜摄影技术显著提高了建模速度，实现了自动化建模，从而解放了人力资源。而在模型精度方面，倾斜摄影技术也在不断突破创新，某些应用领域的模型精度已经不逊于人工建模。倾斜摄影技术的快速建模能力使得城市三维建模更加高效，能够满足快速发展的城市化需求。同时，倾斜摄影技术的自动化特点减少了人力投入，提高了建模的效率。在模型精度方面，倾斜摄影技术不断创新，已经在某些应用层面上达到甚至超越了传统的人工建模方法。
总的来说，倾斜摄影技术具有以下特点：
1.真实性：倾斜摄影技术使用无人机观测数据直接构建模型，确保地物的外观、位置和高度属性与真实场景一致。
2.高效性：借助无人机或其他飞行设备，可以在一天内采集整个城市的数据。后续的软件预处理过程也是全自动化的，提高了数据处理的效率。
3.性价比较高：倾斜摄影技术在人力、财力和时间方面具有优势。它属于航空摄影测量的一种，所得数据是带有空间位置信息的可测量影像数据，可以输出多种成果，并应用于其他多个领域。
二、倾斜摄影两大关键技术
倾斜摄影技术的发展主要集中在两个方面：数据获取设备和后处理软件。
数据获取设备，也称为倾斜摄影相机，与传统的摄影测量不同，它采用多角度全方位的影像采集方式。传统摄影测量只是从正上方垂直拍摄正投影像，而倾斜摄影设备是由一个飞行平台搭载多个传感器，同时从正射和多个倾斜角度进行影像采集。一些代表性的倾斜摄影设备包括德国IGI公司的Penta-DigiCam系统、徕卡公司的RCD30和ADS40三线阵数码相机、微软公司的UCO等。最常见的设备是1+4传感器设备，即一个垂直传感器加上四个倾斜传感器。随着技术的进步，出现了搭载更多倾斜镜头的倾斜摄影设备，如1+8传感器的倾斜摄影设备。
后处理软件是对倾斜摄影设备拍摄的航空影像进行解算和预处理，以获取城市的三维数据模型。这些软件能够从多个角度观察地物，并记录地物的三维空间位置信息。一些代表性的后处理软件包括美国Pictometry公司的Pictometry系统、法国Acute3D公司的Smart3DCapture和微软Vexcel公司的Ultramap软件等。数据获取设备和后处理软件共同推动了倾斜摄影技术的发展。
3. 倾斜摄影建模原理
在学习倾斜摄影建模原理之前，我们需要先了解地形地貌模型的构建原理。地形地貌建模是早期实现的自动化建模方法，它基于数字高程模型（Digital Elevation Model, DEM）数据，在软件如ArcGIS或3Ds MAX中可以实现三维模型的构建。在地貌模型的构建过程中，为了达到逼真效果，常见的方法是将DEM与数字正射影像（类似于纹理图像）叠加，形成地表景观。
在高程三维建模中，主要有两种方式：基于不规则三角网（Triangulated Irregular Network, TIN）的三维表面建模和基于规则格网的三维表面建模。不规则三角网通过离散数据点的不规则分布生成连续的三角面来逼近地形表面（参见图3）。在生成不规则三角网时，常使用狄洛尼（Delaunay）三角形，因为它在地形拟合方面应用广泛。狄洛尼三角形的构成原则是三角形的外接圆内部不包含其他点。当地形中包含大量特征线，如断裂线、构造线等时，TIN模型能更准确地表达地表形态。
图3 不规则三角网构造的地形表面
规则格网是一种直接由原始的DEM数据（栅格影像，其中像元值存储高程值）生成地形的方法。它在X和Y方向上具有固定的分辨率。然而，当地形起伏较大时，规则格网的表达效果可能不如不规则三角网。规则格网的生成过程中，DEM数据被分割成等大小的网格单元，每个单元都具有相同的分辨率。这种方法简单直接，适用于地形变化较为平缓的区域。然而，当地形起伏较大时，规则格网可能无法捕捉到细节和复杂的地形特征，因为它的分辨率在整个区域都是相同的。相比之下，不规则三角网可以更好地逼近地形表面，特别是在地形起伏较大的区域。不规则三角网通过离散数据点的不规则分布生成连续的三角面，能够更准确地表达地表形态。因此，在具有大量特征线（如断裂线、构造线）的地形中，不规则三角网通常能够提供更精确和合理的地表模型。
图4 DEM与DEM生成的地形图
传统的城市建模方式通常是半自动化半人工的。首先，使用DEM数据自动构建地形地貌模型，并叠加数字正射影像，形成初步的城市三维模型。然后，使用建模软件如3Ds MAX、Sketch Up等进行房屋和植被的精细建模。
在这种建模方式下，并不需要完全逼真地表达每一个细节，而是根据需求和限制的时间、经济和技术等因素进行取舍和简化。即使如此，获取高精度的城市三维模型仍然需要大量的人力、财力和时间投入。而且，随着城市化建设进程的加快，仅依靠人力的建模方法无法在短时间内更新，存在许多问题。
相比之下，倾斜摄影技术进一步推动了自动化建模的发展，包括房屋和植被的精细建模。这意味着整个城市景观都可以采用自动化的方式进行建模。倾斜摄影技术可以提供三种数据形式：实体模型文件、TIN三角网数据和点云数据。其中，点云数据是倾斜摄影获取的最基础的数据，点云中的点在空间中的分布代表具有变化特征的位置，一般来说，变化越剧烈的位置，点云越密集。点云数据的获取利用了多角度拍摄地物所蕴含的三维空间信息，是航空影像处理的直接结果。
倾斜摄影航空拍摄中，通常使用五个镜头拍摄的影像，这些影像需要有一定的重叠部分。一般采用30%的旁向重叠度和66%的航向重叠度。通过多视影像联合平差和多视影像密集匹配等方法，可以计算得到三维点的坐标。
图5，6 无人机倾斜摄影航拍效果图
在获取了点云数据之后，可以使用这些数据构建TIN（三角不规则网格）模型。基于TIN模型，可以通过组合三角面片来生成白模（即只有几何结构，没有纹理信息的模型）。接下来，可以通过将纹理图片投影映射到白模上，来生成我们所看到的实体模型文件。这样，我们就可以得到一个具有几何结构和纹理信息的城市模型。
图7,8,9 由点云到真实三维模型的建构过程
4. 倾斜摄影数据应用的难题
那么，为什么倾斜摄影技术的快速建模方法没有得到普及应用呢？尽管倾斜摄影技术在建模速度和精度方面相对于传统的人工建模已经取得了很大优势，但它仍然存在一个重要的缺点：建模原理决定了所建立的三维模型是一个整体。
倾斜摄影技术通过影像解算出点云，然后迅速构建三角网，并贴上纹理生成三维模型。这种建模方法构建的是一个连续的不规则三角网，整个模型是一个整体。尽管人眼可以通过纹理迅速识别出楼栋、树木、车辆等物体，但对于计算机来说，将物体分开是一项困难的任务。
相比之下，传统的人工建模方法通过对每个物体或物体类别进行独立建模，然后将它们叠加在一起形成三维场景。从建模开始，物体是独立的，不存在连在一起的现象。
倾斜摄影技术获取的三维模型数据在初期只能用于简单的场景漫游，无法分离出物体对象，也无法记录每个物体的属性信息，因此无法进行单独管理。在智慧城市的应用中，大数据和多属性是关键技术，三维立体城市不仅仅是视觉上的立体化，更应该成为数据的载体，使每个物体都可以被有效管理和利用。
因此，在对倾斜数据进行应用之前，"单体化"成为必不可少的预处理过程。这意味着需要对连续的不规则三角网进行处理，将其分割成独立的物体，并记录每个物体的属性信息。这样才能实现对倾斜摄影技术建模的进一步应用，使其成为智慧城市等领域中的有用工具。
"单体化"的目标是将倾斜摄影数据中的每个物体分离开来，使其能够在整个模型中进行单独选中、赋予属性、查询属性等基础GIS操作。这一研究方向也吸引了许多学者的关注。目前，单体化主要有三种方法。
第一种方法是利用三角面片中每个顶点的额外存储空间，将建筑物（或其他物体）的ID存储起来，使得具有相同ID值的三角形表示同一个建筑物。
第二种方法是在三维渲染过程中，动态地将对应的矢量面叠加到倾斜摄影模型上，以实现单体效果。
第三种方法是对三角形进行切割，从物理上将连续的三角网分割开来。切割单体化方法实现了真正意义上的分离，因此成为许多学者研究的重点。目前，基于点集的切割方法已经比较成熟，但存在一个问题：切割后的模型会出现明显的"锯齿"，无法达到良好的视觉效果。而基于三角形的切割技术有效地解决了这个问题。
因此，当我们有意识地观察时，会发现倾斜摄影技术的普及对智慧城市的发展产生了积极的影响。它为城市提供了更多的数据和信息，推动了城市的规划和管理，同时也让我们对城市的美景有了更深入的感知和欣赏。
