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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_政务_澎湃新闻-ThePaper

2020-06-06        来源:尼鸿教育频道

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本文内容摘自《中国测绘》2019年第10期



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,习近平总书记已多次对滑坡灾害做出重要指示,拒绝作好灾害的监测和防范工作,这对涉及的监测技术提出了挑战,地质行业也在急迫地找寻一种可以提高地灾监测精度和效果的技术。

张祖勋看完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,他们挂在悬崖峭壁上,以“蜘蛛人”的姿态进行艰难危险的作业。通过与培训班上相关行业人员交流,更是得知这是国防防水工程、川藏铁路等大型工程建设中的工作常态。他在震惊之余,更油然而生反感的使命感并收到疑问:摄影测量就是指影像获取信息的科学,能否提供一种安全、有效地的观测手段,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》的文件里提及,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:一种能提供滑坡高精度影像的摄影方式在滑坡调查、监测预警方面具备很大的应用于前景。同时他也开始新的检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”的摄影测量系统都无法符合“岩崩、滑坡”地质工作者的拒绝,必须“独辟蹊径”找寻新的影像信息获取途径。

现在大家热心的五相机弯曲摄影,“多余的照片远远多达有用的照片,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必要对着坡面(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”也是正射影像的输入平面(相等于建筑的“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“张贴地飞行中”这一名词,提出了“贴近摄影测量(nap-of-the-objectphotogrammetry)”这一概念,并陆续用该技术展开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,提供了多方面宝贵的案例经验。目前为止,这一名词的问世才9个月左右,却已为众多行业人员熟知。而它在公众视野的第一次亮相则是在今年3月份于敦煌举行的数字文化遗产发展研讨会,会上张祖勋做到了《基于无人机切合摄影测量的古建筑精细化修复》报告,讲解了贴近摄影测量技术在古建筑精细化修复中的32 33应用。在此之前,张院士的团队已经利用切合摄影技术对山西著名的悬空寺和应县木塔进行了自动切合飞行中,并得出结论了精细化重建结果。


第一次世界大战时期,飞机开始真正出现,预示着第一台航空摄影机的问世,航空摄影测量进入测绘领域,主要用作测绘中小比例尺地形图。一百年过去后,五视相机弯曲摄影测量出现,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升,人们生产、调查活动的精细化市场需求显得更为迫切,尤其是在测绘领域,对目标的各个面都能提供厘米甚至毫米级别的影像,沦为摄影测量人的共同期望。因此,在横向航空摄影测量、弯曲摄影测量之后,必将要经常出现另一种能对目标物进行更细致摄影的测量方式,而现在正逢其时,可以说道,张祖勋院士团队提出的切合摄影——第三种摄影方式的经常出现是顺应时代、对于我们存活的共同家园进行更加细致描述的市场需求发展的必然。

解读 ┃ 切合摄影测量是什么?

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,可以推断,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,那么张院士团队明确提出的切合摄影测量则可以看作是解决精细化影像获取的一种思路和方法。切合摄影测量是精细化对地观测市场需求与旋翼无人机发展结合的必然产物,有助于推展无人机摄影测量与精细化三维建模的发展,在滑坡监测、城市精细修复、古建筑修复、水利工程监测等方面有较大的应用于前景。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。

切合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,利用旋翼无人机切合摄影提供超高分辨率影像,展开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横向航空摄影测量、弯曲摄影测量对XYZ三维空间(或称之为2.5维——三维空间的表面)进行摄影,切合摄影测量是针对“面”(三维空间任意坡度、坡向的面)展开摄影,这是他们之间不存在的根本差别,切合摄影测量建构了一种全新的摄影测量方式。


不过,要注意的是,“切合”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“切合”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到整体的滑坡调查时,影像分辨率必然是大尺度的,飞行距离有可能大到150-200米。

新事物产生之初总是不会面临一些误解,贴近摄影测量也不值得注意,很多人认为切合摄影跟近景摄影或者仿地摄影差不多,没有本质区别。面临这些误解,张院士觉得这是“仁者见仁,智者见智”的事,大家解读并拒绝接受一个新名词必须一个过程,而这个过程中他们要做到的就是努力去引导。

但也必须解释清楚,切合摄影测量显然不同于仿地摄影测量,仿地摄影是根据DSM的高程转变飞行高度。这样可以部分增大不同影像间比例尺的差异。但仿地摄影会顾及地形或地物的坡度与坡向有所不同而改变摄影机的“姿态”角。

同时,贴近摄影测量也不能非常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切合摄影测量的一个特例。如果将贴近摄影针对的“面”坡度确认为90度,成为切合摄影测量的特例,那么它就貌似无人机“近景摄影测量”。从单个“面”的飞行中而言,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细致建模,它与近景摄影测量就大大有所不同。张院士向我们展出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构建细致建模(可精细到建筑物上的窗台、空调外挂机、爬墙虎等),还可以根据切合摄影测量的3D绘制“立面线划图”。

可见,切合摄影测量给我们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我们款款走过时,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、金沙江白格滑坡做到过无人机切合摄影,并分解了它们的剖面向量影像图。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,这样不仅大大增大了由于坡度角大导致的投影变形,同时也变得更加直观立体、引人注目细节,对滑坡监测、预警的前期规划似乎更有实际的参考价值。从图3可以显现出,由于箭穿洞危岩接近横向,所以在传统正射影像上传输很大,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明晰辨识岩体及裂缝。用张院士自己的话说道,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’,而切合摄影测量首次给我们揭示它的真面目。”


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,如果开展得成功,不会为今后切合摄影测量运用在滑坡调查监测方面提供最重要经验。谈及该项工程的明确积极开展,张院士向我们详细叙述了这个“由粗到细”的过程。首先,以他们现有的技术水平,要先把“大”的东西做到出来,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修正相机的拍摄角度。这时候得出的影像图虽然还无法展开滑坡监测,但可以获取给地质工作者进行设计规划和进一步监测的参考,这归属于相对较“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,应当怎么来监测,我们现在还没有一张图能当作进行规划设计”,张院士认为这方面还是个空白,而贴近摄影测量的用于可以弥补这个空白。当然,张院士并非驳斥之前的地质调查工作的效益,只是“他们如果需要有这个图,那成果可以出得更快、更多”。日前,他们已经已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,图中有所不同的颜色回应有所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作滑坡调查的相关设计规划。


规划图件出来后,下一步就可以融合GNSS监测站展开裂缝监测,甚至可以细致到对找到的每条裂缝进行监测,真正构建如张院士所期望的:基于贴近摄影测量的“裂缝监测”可沦为滑坡监测、预警的一个组成部分。切合摄影的基本流程也一样,是一个由细到细的一个逐步精细化的过程,并且这个过程可以重复展开,就如张院士所说:“每次的‘粗’都是相对的,细了还可以再细,直到超过拒绝。”除了滑坡调查及监测以外,张院士认为,在条件非常艰苦,人力难以展开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,它必将能增加如图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”,还必须团队的之后努力和探索。


精细化三维建模是切合摄影测量另一个最重要应用。张院士团队此前已对山西悬空寺、应县木塔都做到过三维重建工作,获得的影像分辨率在4mm左右,较为真实地还原成了古建筑的细节。在城市细致三维建模方面,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准确的平面数值实现精细化。正如前文所说,它对建筑物的建模不仅可细致到建筑物上的窗台、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,这种细致是与现代社会的发展紧密联系、交相辉映的。

“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,小康要之后往前走,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,他送给我们天马行空了一个有意思的例子:以后工人甩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细致,比如街道上的树木,不有可能要精细到每一片叶子都看出,毕竟叶子“过两天它又长大了再过两天又凋落了”。但是在这笔画不一的拒绝下,制作出来的影像的分辨率也不一样,那么这两者如何统一一起进行存储和传达,也是目前仍须要攻克的一个新的课题。

那么相比现在正火热、发展势头也激烈的三维激光扫描,在三维模型修复方面,切合摄影测量又具备什么竞争优势呢?

张院士首先认同三维激光扫描是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,激光扫描点云本身不能获得物体的白模,而影像本身自己就可以做三维建模,这从技术本体上反映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用于的一个拦路虎。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期,使用该技术的成本几乎就只是一台无人机的价格。当然,张院士也特别强调,“不是说道切合摄影测量要排挤三维激光扫描,绝对不是这个意思,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,切合摄影测量还可用作水利工程监测等领域。总之,从目前来看,切合摄影测量在测绘、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,它投身于的领域还相当有限,应用领域的扩展还必须展开更多挖掘。

展望 ┃ 切合摄影测量的下一步要怎么走?


当被问及下一步的计划时,张院士一声感叹:“下一步要做到的太多了!”

首先要解决的是流程标准化的问题,目前来说,要把弯曲摄影测量和切合摄影测量得出的两个有所不同分辨率的图融合为一体,还缺乏相关技术,但是做到单个立面图的时候,贴近摄影测量就可以顺利地用起来,最终要能构成一个完整的用于流程在社会上推广。张院士期望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,要依靠社会反对、靠客户来考古更多应用于。“我们做这个不是自己在学校里转来转去”,张院士一直都非常特别强调研究与实际需要融合,研究成果要拿到社会上去检验、去让用户帮助考古和拓宽应用领域。他还期望贴近摄影测量能应用到数字工厂里去,参予到中国生产2025的建设当中。当然,最重要的还是“要提升技术含量,没新的技术,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登顶科研高峰的希望,更是对自己毕生寄托心血之所——摄影测量需要在更多领域开花结果的希望。

但是,做研究是缓不出的,也不能缓,从研究成果出来到真正落地,总有一段打基础、篦技术的时间。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,专访前,他还特地放了一篇叫《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释基础研究不能忽略的“打地基”起到,里面的一句话可以作为张院士对待科研最差的阐述:数学庞加莱就像基础科学,虽然必要应用很少,但却能延展出庞大的分支,解决问题将来有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,切合摄影测量诞生才9个月,而且也就我们这一帮人在搞。也千万不要说我们还没了解进来就搞完了,我最怕这个。”

“就说你那个白格滑坡,你说道拟合得真好,我说不一定!”张院士对他的学生语重心长地说到,“换个人去数值几个点肯定又跟你的不一样,我们要做理论最优才是目的,这里面离不开数学。”

他还回忆起当初自己坚决开发的VirtuoZo(仅有数字化自动测图系统软件)的市场化过程,那时风险投资计划进来,并要实施简单蛮横的“三部曲”战略,即今天投资,明天上市,后天回本。张院士明白“这玩意儿千万无法摸”,及时退了出来。如果当初没他的及时叫停,也许就没现在VirtuoZo务实的运营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。那么梦想如何构建?张院士严肃地拿起他的手机,翻出了一张图片,上面显示的是他早前写出的一幅字:独辟蹊径,不断创新。显然,正是因为对不落常规、不断创新理念的坚决,团队才在困难和质疑中步入了切合摄影测量的面世。而他们也必定不会止步于前,用踏实的心态、长远的眼光把切合摄影测量真正领进属于它的时代,这将是一段艰苦之旅,也不会是一段圆梦之旅。

文/本刊记者 言司

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原标题:《专访 | 切合摄影测量: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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原创 中国测绘杂志 中国测绘学会可快速注目我们本文内容节录《中国测绘》2019年第10期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国家级实验教学样板中心联合举行了一场“切合摄影测量技术与应用于培训会”,原计划50人的小范围推广学习班却吸引了300多人报名,甄选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。那么这个新的进入人们视野的“切合摄影测量”到底为何有如此大的魔力,吸引着多个行业人员的注目?《中国测绘》杂志走出武汉大学,采访“切合摄影测量”的提出者张祖勋院士及其团队,一探究竟。录: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?“切合摄影测量”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,习近平总书记已多次对滑坡灾害作出重要指示,拒绝作好灾害的监测和防止工作,这对涉及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升地灾监测精度和效果的技术。张祖勋看完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,他们挂在悬崖峭壁上,以“蜘蛛人”的姿态展开艰苦危险的作业。通过与培训班上涉及行业人员交流,更是获知这是国防防水工程、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惑:摄影测量是从影像获取信息的科学,能否获取一种安全、有效的观测手段,减少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》的文件里提及,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,这让多年来一直专心于摄影测量领域的张祖勋敏锐地察觉到:一种能提供滑坡高精度影像的摄影方式在滑坡调查、监测预警方面具备很大的应用前景。同时他也开始重新检视现阶段弯曲摄影测量技术的应用于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”地质工作者的要求,必须“独辟蹊径”找寻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简单的照片,效率觉得太低了,提供的结果基本无法用”,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”(三维空间给定坡度、坡向的面)为摄影对象,这个“平面”也是正射影像的输入平面(相当于建筑的“立面”图)。于是,今年年初,张院士团队在他们已取得应用于实效的数字摄影测量网格(DPGrid)的基础上,经过成员们多次辩论,并参照了直升机的“张贴地飞行中”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于实验,提供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熟知。而它在公众视野的第一次亮相则是在今年3月份于敦煌举办的数字文化遗产发展研讨会,会上张祖勋做到了《基于无人机贴近摄影测量的古建筑精细化重建》报告,介绍了贴近摄影测量技术在古建筑精细化修复中的32 33应用。在此之前,张院士的团队已经利用切合摄影技术对山西知名的悬空寺和应县木塔展开了自动切合飞行中,并得出了精细化重建结果。图1:巫峡箭穿洞危岩地质调查“蜘蛛人”工作照第一次世界大战时期,飞机开始真正出现,预示着第一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经常出现,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很大提升,人们生产、调查活动的精细化市场需求显得更为急迫,尤其是在测绘领域,对目标的各个面都能提供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,而现在时值其时,可以说道,张祖勋院士团队明确提出的贴近摄影——第三种摄影方式的出现是顺应时代、对于我们生存的共同家园展开更加细致叙述的需求发展的必然。解读 ┃ 贴近摄影测量是什么?近年来,无人机取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,并且已经取得了注目的成绩,可以推断,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切合摄影测量则可以看作是解决问题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市场需求与旋翼无人机发展融合的必然产物,有助推展无人机摄影测量与精细化三维建模的发展,在滑坡监测、城市细致修复、古建筑重建、水利工程监测等方面有较大的应用于前景。其技术承托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,展开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。而它之所以能参演起“第三种测量方式”的名号,是因为相比较现有的横向航空摄影测量、倾斜摄影测量对XYZ三维空间(或称之为2.5维——三维空间的表面)展开摄影,贴近摄影测量是针对“面”(三维空间给定坡度、坡向的面)展开摄影,这是他们之间存在的显然差别,贴近摄影测量建构了一种全新的摄影测量方式。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切合飞行中结果以及外墙上的爬墙虎不过,要留意的是,“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“将近”。一般来说,无人机“切合”的距离在5-50米左右,但在调查范围较小,比如对整个三峡库区做到整体的滑坡调查时,影像分辨率必然是大尺度的,飞行距离有可能大到150-200米。新事物产生之初总是会面临一些误解,贴近摄影测量也不值得注意,很多人认为贴近摄影跟近景摄影或者仿地摄影差不多,没本质区别。面临这些误会,张院士实在这是“仁者见仁,智者见智”的事,大家解读并拒绝接受一个新名词必须一个过程,而这个过程中他们要做到的就是努力去引领。但也需要说明确切,贴近摄影测量似乎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。这样可以部分减小有所不同影像间比例尺的差异。但仿地摄影会顾及地形或地物的坡度与坡向有所不同而改变摄影机的“姿态”角。同时,贴近摄影测量也不能非常简单等同于近景摄影测量,张院士特别强调,如果非要说他们之间的联系,可以说道无人机近景摄影测量是贴近摄影测量的一个特例。如果将切合摄影针对的“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”的飞行中而言,它确实是无人机“近景摄影测量”。但如果要对一个建筑物构建细致建模,它与近景摄影测量就大大有所不同。张院士向我们展示了武汉大学测绘校区的“教学实验大楼”引人注目的“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构建细致建模(可细致到建筑物上的窗台、空调外挂机、爬墙虎等),还可以根据切合摄影测量的3D绘制“立面线划图”。可见,贴近摄影测量给我们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我们款款走来时,手里还握着新的产品形态。应用于 ┃ 切合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切合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、金沙江白格滑坡做到过无人机切合摄影,并分解了它们的剖面正交影像图。剖面向量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穿孔,这样不仅大大增大了由于坡度角大导致的投影变形,同时也显得更加直观立体、引人注目细节,对滑坡监测、预警的前期规划似乎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传输相当大,难以识别,对于地质调查几乎没价值,而在正交影像图上则可明晰识别岩体及裂缝。用张院士自己的话说道,就是“纵然实地调查也不能是‘不识庐山真面目,只缘身在此山中’,而切合摄影测量首次给我们说明了它的真面目。”图3:箭穿洞的1:2000正射影像图和剖面向量影像图最近,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,这是一个极大的工程,如果开展得顺利,不会为今后贴近摄影测量运用在滑坡调查监测方面获取最重要经验。谈到该项工程的明确积极开展,张院士向我们详细叙述了这个“由细到细”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”是李先生根据三峡几处大拐弯,展开飞行中航线区分,然后再依据山体的坡度来修正相机的拍摄角度。这时候得出结论的影像图虽然还无法进行滑坡监测,但可以提供给地质工作者进行设计规划和进一步监测的参照,这属于相对较“细”的阶段,但也已经是一个相当大的突破,因为对于“哪个地方有滑坡,应该怎么来监测,我们现在还没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,而切合摄影测量的使用可以填补这个空白。当然,张院士并非否定之前的地质调查工作的效益,只是“他们如果需要有这个图,那成果可以出得更快、更多”。日前,他们已经已完成了巫山段示范区两岸约13公里的“粗”的切合摄影,如图4所示,有数的1:2000比例尺DEM数据用作摄影的分区和航迹的规划,图中不同的颜色表示有所不同分区的无人机航迹点,共摄制了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涉及设计规划。图4:三峡库区巫山段两岸约13公里的切合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监测站展开裂缝监测,甚至可以精细到对发现的每条裂缝展开监测,真正实现如张院士所期待的:基于切合摄影测量的“裂缝监测”可成为滑坡监测、预警的一个组成部分。切合摄影的基本流程也一样,是一个由细到粗的一个逐步精细化的过程,并且这个过程可以重复展开,就如张院士所说:“每次的‘细’都是相对的,细了还可以再粗,直到超过要求。”除了滑坡调查及监测以外,张院士指出,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,切合摄影测量都可以派上用场,它必将能减少如图1右图的既艰难又危险的野外实地勘查,大大地提升功效。当然这些未开发的“处女地”,还需要团队的继续努力和探索。2、古建筑、城市3D的细致建模精细化三维建模是切合摄影测量另一个重要应用于。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,获得的影像分辨率在4mm左右,较为真实地还原成了古建筑的细节。在城市细致三维建模方面,切合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展开精确的平面拟合构建精细化。正如前文所说,它对建筑物的建模不仅可细致到建筑物上的窗台、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,这种细致是与现代社会的发展紧密联系、交相辉映的。“过去吃饱了就是小康,现在人民生活水平已经有了很大的提高,小康要之后往前走,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,他还给我们天马行空了一个有趣的例子:以后工人甩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细致,比如街道上的树木,不有可能要精细到每一片叶子都看出,毕竟叶子“过两天它又长大了再过两天又凋落了”。但是在这笔画不一的要求下,制作出来的影像的分辨率也不一样,那么这两者如何统一一起展开存储和传达,也是目前仍须要攻克的一个新的课题。那么比起现在正火热、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用于,激光扫描点云本身不能得到物体的白模,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展使用的一个拦路虎。而切合摄影测量成本相对较低,无人机的商用市场已经相当成熟期,用于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,“不是说道切合摄影测量要排斥三维激光扫描,绝对不是这个意思,他们各有各的用处。”除了以上两方面主要的应用于,根据张院士团队有数的实践经验,切合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,它投身于的领域还相当受限,应用领域的扩展还需要展开更多挖出。未来发展 ┃ 切合摄影测量的下一步要怎么走?张院士就三峡库区地灾调查对团队成员进行工作指导当被问及下一步的计划时,张院士一声感慨:“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切合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成功地用起来,最终要能形成一个原始的用于流程在社会上推展。张院士希望在下一次再办相关培训班时,能给大家一个拿回去就要用的方案。其次,要依靠社会反对、靠客户来发掘更多应用。“我们做这个不是自己在学校里转来转去”,张院士一直都非常特别强调研究与实际需要融合,研究成果要获得社会上去检验、去让用户协助考古和拓宽应用领域。他还希望切合摄影测量能应用于到数字工厂里去,参予到中国制造2025的建设当中。当然,最重要的还是“要提升技术含量,没新的技术,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,更是对自己毕生寄托心血之所——摄影测量需要在更多领域开花结果的期望。但是,做到研究是急不出的,也无法急,从研究成果出来到真正落地,总有一段打基础、篦技术的时间。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能忽略的“打地基”作用,里面的一句话可以作为张院士对待科研最差的阐述:数学猜想就像基础科学,虽然必要应用于很少,但却能延展出庞大的分支,解决问题将来有可能遇上的许多问题。专访接近尾声时,张院士对在专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,而且也就我们这一帮人在搞。也千万不要说我们还没有深入进来就搞完了,我最怕这个。”“就说你那个白格滑坡,你说道数值得真好,我说道不一定!”张院士对他的学生语重心长地说道到,“换个人去数值几个点认同又跟你的不一样,我们要做到理论最优才是目的,这里面离不开数学。”他还回忆起当初自己带头研发的VirtuoZo(仅有数字化自动测图系统软件)的市场化过程,那时风险投资计划进来,并要实施简单蛮横的“三部曲”战略,即今天投资,明天上市,后天回本。张院士明白“这玩意儿千万不能摸”,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务实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——即不断扩大摄影测量的服务领域。那么梦想如何构建?张院士认真地拿起他的手机,改头换面了一张图片,上面显示的是他早前写的一幅字:独辟蹊径,不断创新。显然,正是因为对不动常规、不断创新理念的坚决,团队才在困难和批评中迎来了贴近摄影测量的面世。而他们也必定会止步于前,用踏实的心态、长远的眼光把贴近摄影测量真正领进归属于它的时代,这将是一段艰苦之旅,也会是一段圆梦之旅。文/本刊记者 言司声明:本文为《中国测绘》原创文章,授权合作请在本公众号留言,或致电:010-63881401。《中国测绘》期待您的来稿《中国测绘》测绘地理信息发展变迁的记录者、思考者、传播者自然资源部主管中国测绘学会主办面向测绘地理信息行业的全国性综合刊物投稿信箱(只接受电子投稿):letters@sino-survey.com《中国测绘》全年征订中,宽按下方二维码添加关注,可在线订阅原标题:《采访 | 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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