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贴近摄影测量:第三种摄影测量方式的诞生——专访武汉大学遥感信息工程学院张祖勋院士

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贴近摄影测量:第三种摄影测量方式的诞生——专访武汉大学遥感信息工程学院张祖勋院士

信息来源:中国测绘杂志 日期:2020-08-06 编辑:协创中心 浏览次数:375次

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2019年8月8日至10日,武汉大学遥感信息工程学院和遥感信息工程实验教学示范中心联合举办了一场“贴近摄影测量技术与应用培训会”,原计划50人的小范围推广学习班却吸引了300多人报名,报名人员所属行业除了测绘、国土、勘察等领域外,还有地质、城建、农业、水文等,其火爆程度可见一斑。那么这个新进入人们视野的“贴近摄影测量”到底为何有如此大的魔力,吸引着多个行业人员的关注?《中国测绘》杂志走进武汉大学,采访“贴近摄影测量”的提出者张祖勋院士及其团队,一探究竟。

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注:题头为张祖勋院士手迹

渊源 ┃ 贴近摄影测量是怎样被提出的?

“贴近摄影测量”实际上渊源于滑坡、危岩崩塌的地质调查、监测与预警。近年来,我国滑坡、泥石流等地质灾害频发,给人民生命财产造成了巨大的损失,习大大总书记已多次对滑坡灾害做出重要指示,要求做好灾害的监测和防范工作,这对相关的监测技术提出了挑战,地质行业也在迫切地寻找一种可以提高地灾监测精度和效果的技术。

张祖勋看过几张地质灾害调查人员在高山峡谷区域实地勘查的工作照,他们悬挂在悬崖峭壁上,以“蜘蛛人”的姿态进行艰苦危险的作业。通过与培训班上相关行业人员交流,更是得知这是国防防护工程、川藏铁路等大型工程建设中的工作常态。他在震撼之余,更油然而生强烈的使命感并发出疑问:摄影测量是从影像获取信息的科学,能否提供一种安全、有效的观测手段,降低地质调查人员野外实地作业的危险性?而在一份《重庆市高位山体地质灾害专项调查技术大纲》的文件里提到,在地质灾害监测预警中,摄影测量还仅仅是作为监测的一种辅助手段,这让多年来一直专注于摄影测量领域的张祖勋敏锐地察觉到:一种能获取滑坡高精度影像的摄影方式在滑坡调查、监测预警方面具有极大的应用前景。同时他也开始重新审视现阶段倾斜摄影测量技术的应用能力与摄影效率问题。如现今无论是单相机的正直摄影还是五相机的倾斜摄影测量,这种“对地观测”的摄影测量系统都不能满足“岩崩、滑坡”地质工编辑的要求,必须“独辟蹊径”寻找新的影像信息获取途径。

现在大家热心的五相机倾斜摄影,“多余的照片远远超过有用的照片,效率实在太低了,提供的结果基本不能用”,张院士这样总结。

既然如此,新的摄影途径就是将相机直接对着坡面(滑坡的面)照相了,即以物体的“面”(三维空间任意坡度、坡向的面)为摄影对象,这个“平面”也是正射影像的输出平面(相当于建筑的“立面”图)。于是,今年年初,张院士团队在他们已获得应用实效的数字摄影测量网格(DPGrid)的基础上,经过成员们多次讨论,并参考了直升机的“贴地飞行”这一名词,提出了“贴近摄影测量(nap-of-the-objectphotogrammetry)”这一概念,并陆续用该技术进行了不仅仅局限于地质灾害调查的精细化摄影测量初步应用实验,获取了多方面宝贵的案例经验。目前为止,这一名词的诞生才9个月左右,却已为众多行业人员所知。而它在公众视野的次亮相则是在今年3月份于敦煌举办的数字学问遗产发展研讨会,会上张祖勋做了《基于无人机贴近摄影测量的古建筑精细化重建》报告,先容了贴近摄影测量技术在古建筑精细化重建中的32 33应用。在此之前,张院士的团队已经利用贴近摄影技术对山西的悬空寺和应县木塔进行了自动贴近飞行,并得出了精细化重建结果。

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图1:巫峡箭穿洞危岩地质调查“蜘蛛人”工作照

次世界大战时期,飞机开始真正出现,伴随着台航空摄影机的问世,航空摄影测量进入测绘领域,主要用于测绘中小比例尺地形图。一百年过去后,五视相机倾斜摄影测量出现,2010年始引入中国。近年来,随着城市的发展、数字城市的建设需求以及人民生活水平的极大提高,人们生产、调查活动的精细化需求变得更为迫切,尤其是在测绘领域,对目标的各个面都能获取厘米甚至毫米级别的影像,成为摄影测量人的共同希望。因此,在垂直航空摄影测量、倾斜摄影测量之后,必将要出现另一种能对目标物进行更精细摄影的测量方式,而现在正逢其时,可以说,张祖勋院士团队提出的贴近摄影——第三种摄影方式的出现是顺应时代、对于大家生存的共同家园进行更加精细描述的需求发展的必然。

理解 ┃ 贴近摄影测量是什么?

近年来,无人机获得了空前快速的发展,无人机摄影测量变得空前火热,从固定翼到旋翼,从垂直摄影到倾斜摄影,进而到多视摄影,获取的影像越来越丰富和多样,通过众多影像信息可以恢复各种目标的三维信息,并且已经取得了瞩目的成绩,可以推测,无人机摄影测量的下一步发展必将是影像信息数据的精细化,那么张院士团队提出的贴近摄影测量则可以看做是解决精细化影像获取的一种思路和方法。贴近摄影测量是精细化对地观测需求与旋翼无人机发展结合的必然产物,有助于推动无人机摄影测量与精细化三维建模的发展,在滑坡监测、城市精细重建、古建筑重建、水利工程监测等方面有较大的应用前景。其技术支撑的来源一方面是无人机云台姿态控制能力,另一方面是无人机高精度定位技术。

贴近摄影测量是面向对象(object)的摄影测量(object-oriented photogrammetry),它以物体的“面”为摄影对象,利用旋翼无人机贴近摄影获取超高分辨率影像,进行精细化地理信息提取,因此可高度还原地表和物体的精细结构。而它之所以能担纲起“第三种测量方式”的名号,是因为相比较现有的垂直航空摄影测量、倾斜摄影测量对XYZ三维空间(或称2.5维——三维空间的表面)进行摄影,贴近摄影测量是针对“面”(三维空间任意坡度、坡向的面)进行摄影,这是他们之间存在的根本差别,贴近摄影测量创造了一种全新的摄影测量方式。

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图2:对武汉大学测绘校区教学实验大楼顶面和东南西北五个面的贴近飞行结果以及外墙上的爬墙虎

不过,要注意的是,“贴近”并不代表在运用这项技术时,所有情况下都要对物体表面贴得很“近”。一般来说,无人机“贴近”的距离在5-50米左右,但在调查范围较大,比如对整个三峡库区做整体的滑坡调查时,影像分辨率必然是大尺度的,飞行距离可能大到150-200米。

新事物产生之初总是会面临一些误解,贴近摄影测量也不例外,很多人认为贴近摄影跟近景摄影或者仿地摄影差不多,没有本质区别。面对这些误解,张院士觉得这是“仁者见仁,智者见智”的事,大家理解并接受一个新名词需要一个过程,而这个过程中他们要做的就是努力去引导。

但也需要说明清楚,贴近摄影测量显然不同于仿地摄影测量,仿地摄影是根据DSM的高程改变飞行高度。这样可以部分减小不同影像间比例尺的差异。但仿地摄影不会顾及地形或地物的坡度与坡向不同而改变摄影机的“姿态”角。

同时,贴近摄影测量也不能简单等同于近景摄影测量,张院士强调,如果非要说他们之间的联系,可以说无人机近景摄影测量是贴近摄影测量的一个特例。如果将贴近摄影针对的“面”坡度确定为90度,成为贴近摄影测量的特例,那么它就酷似无人机“近景摄影测量”。从单个“面”的飞行而言,它确实是无人机“近景摄影测量”。但如果要对一个建筑物实现精细建模,它与近景摄影测量就大大不同。张院士向大家展示了武汉大学测绘校区的“教学实验大楼”突出的“主楼”的三维建模图(图2),它是由顶部、东、南、西、北共五个面的贴近摄影得出。它不仅仅可以对建筑物实现精细建模(可精细到建筑物上的窗台、空调外挂机、爬墙虎等),还可以根据贴近摄影测量的3D绘制“立面线划图”。

可见,贴近摄影测量给大家带来的不仅仅是摄影方式的改变,在它乘着时代的东风、裹挟着与以往不同的新鲜气息向大家款款走来时,手里还握着新的产品形态。

应用 ┃ 贴近摄影测量可以在哪些领域施展长处?

1、高山峡谷区地质灾害无人机贴近正交摄影调查与监测

贴近摄影测量渊源于滑坡调查与监测,自然能在这方面解决一些痛点问题。张院士团队此前已针对巫峡箭穿洞、金沙江白格滑坡做过无人机贴近摄影,并生成了它们的剖面正交影像图。剖面正交影像图是一种全新的影像产品,不同于传统正射影像图的投影面为水平平面,它的投影面为坡面的主切面,这样不仅大大减小了由于坡度角大造成的投影变形,同时也显得更加直观立体、突出细节,对滑坡监测、预警的前期规划显然更有实际的参考价值。从图3可以看出,由于箭穿洞危岩接近垂直,所以在传统正射影像上压缩很大,难以辨识,对于地质调查几乎没有价值,而在正交影像图上则可清晰识别岩体及裂缝。用张院士自己的话说,就是“纵然实地调查也只能是‘不识庐山真面目,只缘身在此山中’,而贴近摄影测量给大家揭示它的真面目。”

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           图3:箭穿洞的1:2000正射影像图和剖面正交影像图

最近,张院士团队又正在花大精力与地质部门合作,计划对三峡水库南北两岸进行大范围的地质灾害隐患调查,这是一个不小的工程,如果开展得顺利,会为今后贴近摄影测量运用在滑坡调查监测方面提供重要经验。谈及该项工程的具体开展,张院士向大家简要描述了这个“由粗到细”的过程。首先,以他们现有的技术水平,要先把“大”的东西做出来,这里的“大”是指要根据三峡几处大拐弯,进行飞行航线划分,然后再依据山体的坡度来改正相机的拍摄角度。这时候得出的影像图虽然还无法进行滑坡监测,但可以提供给地质工编辑进行设计规划和进一步监测的参考,这属于相对较“粗”的阶段,但也已经是一个很大的突破,因为对于“哪个地方有滑坡,应该怎么来监测,大家现在还没有一张图能拿来进行规划设计”,张院士认为这方面还是个空白,而贴近摄影测量的使用可以弥补这个空白。当然,张院士并非否定之前的地质调查工作的成效,只是“他们如果能够有这个图,那成果可以出得更快、更多”。日前,他们已经完成了巫山段示范区两岸约13公里的“粗”的贴近摄影,如图4所示,已有的1:2000比例尺DEM数据用于摄影的分区和航迹的规划,图中不同的颜色表示不同分区的无人机航迹点,共拍摄了4378张影像,基于这些影像的三维重建结果将用于滑坡调查的相关设计规划。

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 图4:三峡库区巫山段两岸约13公里的贴近摄影分区和航迹规划

规划图件出来后,下一步就可以结合GNSS监测站进行裂缝监测,甚至可以精细到对发现的每条裂缝进行监测,真正实现如张院士所期待的:基于贴近摄影测量的“裂缝监测”可成为滑坡监测、预警的一个组成部分。贴近摄影的基本流程也一样,是一个由粗到细的一个逐步精细化的过程,并且这个过程可以重复进行,就如张院士所说:“每次的‘细’都是相对的,细了还可以再细,直到达到要求。”除了滑坡调查及监测以外,张院士认为,在条件非常艰苦,人力难以进行实地测绘作业的地方,比如高原地区桥梁、隧道和铁路(如川藏铁路),甚至密林山区的国防防护工程等的工程勘测,贴近摄影测量都可以派上用场,它必将能减少如图1所示的既艰苦又危险的野外实地勘查,大大地提高功效。当然这些未开发的“处女地”,还需要团队的继续努力和探索。

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2、古建筑、城市3D的精细建模

精细化三维建模是贴近摄影测量另一个重要应用。张院士团队此前已对山西悬空寺、应县木塔都做过三维重建工作,得到的影像分辨率在4mm左右,较为真实地还原了古建筑的细节。在城市精细三维建模方面,贴近摄影测量也有自身无可比拟的优势,它融合了“贴近”与“倾斜”,通过对每个建筑物的面进行的平面拟合实现精细化。正如前文所说,它对建筑物的建模不仅可精细到建筑物上的窗台、空调外挂机、爬墙虎等,还可以根据贴近摄影测量的3D绘制“立面线划图”。可以说,这种精细是与现代社会的发展紧密联系、相得益彰的。

“过去吃饱了就是小康,现在人民生活水平已经有了极大的提高,小康要继续往前走,人们的生产、消费活动对精细化的要求也越来越高”张院士如是说道,他还给大家遐想了一个有趣的例子:以后工人擦窗户都要严格按面积算钱的!

不过,张院士也坦言,并不是所有地方都有必要做得这么精细,比如街道上的树木,不可能要精细到每一片叶子都看得出来,毕竟叶子“过两天它又长大了再过两天又凋落了”。但是在这粗细不一的要求下,制作出来的影像的分辨率也不一样,那么这两者如何统一起来进行存储和表达,也是目前仍需攻克的一个新课题。

那么相比现在正火热、发展势头也猛烈的三维激光扫描,在三维模型重建方面,贴近摄影测量又具备什么竞争优势呢?

张院士首先肯定三维激光扫描是21世纪测绘领域的一个大发展,但是三维激光扫描必须要跟影像配合使用,激光扫描点云本身只能得到物体的白模,而影像本身自己就可以做三维建模,这从技术本体上体现了三维激光扫描的一个劣势。除此之外,三维激光扫描设备工作成本较高(包括相关设备成本的居高不下),成为了目前阻碍它大量推广使用的一个拦路虎。而贴近摄影测量成本相对较低,无人机的商用市场已经相当成熟,使用该技术的成本几乎就只是一台无人机的价格。当然,张院士也强调,“不是说贴近摄影测量要排挤三维激光扫描,不是这个意思,他们各有各的用处。”

除了以上两方面主要的应用,根据张院士团队已有的实践经验,贴近摄影测量还可用于水利工程监测等领域。总之,从目前来看,贴近摄影测量在测绘、地质、文物、水利等多个行业都可以有所作为。但作为一项才刚刚起步的技术,它涉足的领域还相当有限,应用领域的扩展还需要进行更多挖掘。

展望 ┃ 贴近摄影测量的下一步要怎么走?

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张院士就三峡库区地灾调查对团队成员进行工作引导

当被问及下一步的计划时,张院士一声感叹:“下一步要做的太多了!”

首先要解决的是流程标准化的问题,目前来说,要把倾斜摄影测量和贴近摄影测量得出的两个不同分辨率的图融合为一体,还缺乏相关技术,但是做单个立面图的时候,贴近摄影测量就可以顺利地用起来,最终要能形成一个完整的使用流程在社会上推广。张院士希翼在下一次再办相关培训班时,能给大家一个拿回去就能用的方案。

其次,要依靠社会支撑、靠客户来发掘更多应用。“大家搞这个不是自己在学校里转来转去”,张院士一直都非常强调研究与实际需要结合,研究成果要拿到社会上去检验、去让用户帮助发掘和拓宽应用领域。他还希翼贴近摄影测量能应用到数字工厂里去,参与到中国制造2025的建设当中。当然,最重要的还是“要提高技术含量,没有新的技术,就没有新的领域,拓宽领域才能增加产业。”张院士的这番话既是对自己团队不懈攀登科研高峰的鼓励,更是对自己毕生倾注心血之所——摄影测量能够在更多领域开花结果的希望。

但是,做研究是急不来的,也不能急,从研究成果出来到真正落地,总有一段打基础、磨技术的时间。张院士非常重视理论研究,特别是数学、数据在研究中的基础作用,采访前,他还特地发了一篇叫《数学家陈景润研究的“1+1”,究竟有什么实际意义?》的头条文章给我,这篇文章借陈景润的数学研究阐述基础研究不可忽略的“打地基”作用,里面的一句话可以作为张院士对待科研更好的阐释:数学猜想就像基础科学,虽然直接应用很少,但却能延展出庞大的分支,解决将来可能遇到的许多问题。

采访接近尾声时,张院士对在采访现场的团队成员悉心叮咛:“千万不要只看眼前,贴近摄影测量诞生才9个月,而且也就大家这一帮人在搞。也千万不要说大家还没深入进去就搞完了,我最怕这个。”

“就说你那个白格滑坡,你说拟合得真好,我说不一定!”张院士对他的学生语重心长地说到,“换个人去拟合几个点肯定又跟你的不一样,大家要做到理论更优才是目的,这里面离不开数学。”

他还回忆起当初自己带头开发的VirtuoZo(全数字化自动测图系统App)的市场化过程,那时风险投资计划进来,并要实行简单粗暴的“三部曲”战略,即今天投资,明天上市,后天回本。张院士明白“这玩意儿千万不能弄”,及时退了出来。如果当初没有他的及时叫停,也许就没有现在VirtuoZo稳健的运行性能和良好的国际声誉。

在张院士的心里,一直有一个梦想,他称之为摄影测量人之梦——即扩大摄影测量的服务领域。那么梦想如何实现?张院士认真地拿起他的手机,翻出了一张图片,上面显示的是他早前写的一幅字:独辟蹊径,不断创新。确实,正是因为对不落常规、不断创新理念的坚持,团队才在困难和质疑中迎来了贴近摄影测量的面世。而他们也必定不会止步于前,用踏实的心态、长远的眼光把贴近摄影测量真正领进属于它的时代,这将是一段艰难之旅,也会是一段圆梦之旅。

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