倾斜数字航空摄影标准研究与实践

第5期2021年2月No.5February ，2021
倾斜数字航空摄影标准研究与实践
摘要：文章讨论了倾斜数字航空摄影国家标准研制的主要过程、与行业标准的主要区别、标准在实践
中的应用情况和标准研制过程中的经验总结，对标准的制定实施和推广应用具有重要意义。

关键词：倾斜摄影；遥感测绘；三维建模；标准建设中图分类号：P208文献标志码：A 江苏科技信息
Jiangsu Science &Technology Information
李观石，徐建刚
（江苏省测绘研究所，江苏南京210013）
基金项目：江苏省测绘研究所自主科研项目；项目编号：BM2018030。

作者简介：李观石（1977—），男，河北枣强人，硕士研究生；研究方向：天地图与智慧城市建设，摄影测量与遥感。

引言
倾斜数字航空摄影是近年来新发展的对地观测技术，通过多视角航空摄影，同步获取垂直和倾斜影像信息，具有影像获取快捷、成果丰富、成本低廉、应用较广等特点。

伴随着无人机技术的发展和普及，该技术在国内各个行业应用方兴未艾，各行各业对航天摄影测量、无人机测绘标准体系的建设非常关注［1］。

我国已有国产化设备开展了倾斜数字航空摄影生产，其数据成果在DLG 生产、三维快速建模、不动产登记等方面得到了广泛应用。

目前国家标准《倾斜数字航空摄影技术规程》（GB/T 39610—2020）已于2020年12月通过审批，并于2020年12月14日正式实施。

该标准适应了无人机倾斜摄影技术的兴起，起到了规范倾斜数字航空摄影的生产和应用，推动相关技术发展的作用。

1标准研究基础1.1配套支撑条件
参编单位在多种飞行平台的倾斜数字航空摄影方面做了大量的研究工作，尤其在实景三维建模、基础测绘产品生产等方面有较好的理论和实践基础。

参编单位包括高等院校、研究院所和大型国有企业，涵盖了不同行业和多个应用领域，都有倾斜数字航空摄影和三维建模方面的技术积累和生产经验，有助于标准的推广和应用。

在人员方面，参与人员19人，其中高级职称14人（包括教授级专家2人），中级职称5人。

参编人员涵盖了多个研究领域和专业方向，包括项目管理人员、技术研发人员和生产一线人员，标准的研制工作得到了充分保障。

在技术方面，课题承担单位和参与单位为标准研发提供了实践与实验的基础，并从事了一系列倾斜航空摄影项目和三维模型生产工作，为标准的实用性和
科学性打下基础。

1.2已有标准
在制定标准的时候，充分研究已有相关标准和正在研制的相关标准，协调好和其他标准的关系，保持好标准内容的一致性、衔接性和科学性，避免内容上
的冲突和重复［2］。

2017年6月9日，按国家有关标准化管理制度和标准制修订程序要求，国家测绘地理信息局测绘标准化工作委员会秘书处在西安组织专家召开标准审查会，审查通过了测绘地理信息行业标准《倾斜数字航
空摄影技术规程》（CH/T 3021—2018）［3］。

该标准规范能够推动相关技术发展，规范倾斜数字航空摄影的生产和应用，填补了国内相关标准的空白。

本文标准是在该标准基础上的升级。

现有的国家标准《数字航空摄影规范第一部分：
框幅式数字航空摄影》（GB/T 27920.1—2011）［4］
、《IMU/
GPS 辅助航空摄影技术规范》（GB/T 27919—2011）［5］
对现有标准的制定具有很强的指导意义，部分内容可做参考、引用。

测绘行业标准《低空数字航空摄影规范》（CH/Z
3005—2010）［6］
也规定了无人机飞行质量控制的相关指标。

1.3仪器设备
参编单位购入了多种型号的倾斜摄影测量设备，在实验区域开展一系列倾斜摄影工作；与此同时，参编单位还开展了国产仪器TOPDC-5倾斜数字航摄仪的研制。

该航摄仪集成了五镜头同步获取垂直和前视、后视、左视、右视5个方向的影像；采用自主研制的中画幅量测型相机（4000/6000/8000万像素），能够满足测图要求；可集成IMU/GPS 系统；多视全立体
覆盖，实现全新理念的多视立体测图与建模。

有了这些仪器设备的技术积累和储备，参照国内外仪器的技术性能和参数指标，才能更好地制定标准的主要内容、关键指标和技术方法。

2关键技术指标研究
2.1倾斜航摄仪型号的选择
对于倾斜航摄仪的界定是本次标准制定的难点。

倾斜航摄仪种类繁多，本文件不可能涵盖各种类型的倾斜航摄仪，因此需要进行合适的定义。

航摄仪型号的选择主要遵循以下基本原则：
（1）航摄仪的型号应覆盖市场主流产品，既能引领行业的健康发展，又能促进技术创新；
（2）倾斜航摄仪概念的形成要根据当前航摄仪技术发展现状，广泛开展市场调研；
（3）广泛征求相关专家的意见，要不断论证、研究、提炼和总结。

最终，经广泛调研和专家咨询，倾斜数字航摄仪确定为：由一个垂直相机和多个倾斜相机组成，对地面进行多个视角摄影的数字航摄设备与器械。

2.2IMU/GNSS系统要求
传统数字航摄对IMU/GNSS采样频率的基本要求是64Hz，和目前的航飞要求相比较低，尤其对于面向城市级的大范围倾斜数字航空摄影而言，倾斜摄影对POS的精度要求很高。

对于城市级建模所采用的后处理软件空三数据处理，海量影像的处理效率是个关键问题。

主流三维模型处理软件在没有高精度POS 的情况下，一个空三工程的影像加载量约为1万张影像，而在有高精度POS的情况下，处理能力可以扩大到3万张；其次单次空三的成功率会因为高精度POS 参数的加入而大大提高。

因此提高POS精度是必要的，尤其是IMU的原始采样率，至少应达到200Hz。

2.3影像重叠度的设定
倾斜数字航空摄影能够同时获取建筑物各个角度的几何结构和纹理信息。

为了保证三维模型达到最佳的效果，编写组分别采用不同重叠度的倾斜影像进行三维重建，分析重叠度对三维建模的影响。

在较高影像重叠度情形下，三维模型建模效果较好，建筑物的边界线较直，模型效果逼真；而当重叠度变小时，地表模型效果也会变差，建筑物边界线波浪形较多。

最终结合实验分析，重叠度不足会造成模型结构缺失、地物重建不完整、建筑物出现漏洞等难题［7］，考虑飞行效率和航飞经济性，影像重叠度也不能一味加大，否则会影响后续数据处理效率。

因此，相比于传统航空摄影测量，倾斜航空摄影在重叠度设计上有一定的区别，基本原则如下：①垂直影像的航向重叠度一般不低于60%；旁向重叠度一般应设计为40%~80%，最低不低于30%；在陡峭山区、高层建筑密集区，航向重叠度设计为70%~80%；②当满足垂直影像重叠度后，倾斜影像的航向、旁向重叠度可不再重新设计。

和已经发布的行业标准相比，影像的旁向重叠度进行了放宽。

这是因为40%~80%的影像旁向重叠更多地考虑了市场上主流的三维建模软件的重叠度要求，但是目前实际应用中还存在很多其他技术手段进行三维建模，比如影像智能匹配、深度学习等，这些三维建模手段对于旁向重叠的要求不高，因此可适当放宽旁向重叠的要求，只需要满足大于40%即可。

2.4航摄质量控制
倾斜数字航空摄影获取的影像包含了垂直影像和倾斜影像，结合目前的技术水平和各单位掌握的处理方法，仍参照框幅式数字航空摄影技术规范进行影像的质量检查。

2.4.1像片倾斜角
该项指标在框幅式数字航空摄影技术规范的基础上进行了放宽，主要倾斜数字航摄仪由多个相机组合而成，同一目标物的观测光线较多，对后续的数据处理影响不大。

和行业标准相比，本标准放宽了垂直影像倾斜角的要求。

行业标准要求垂直影像倾斜角一般应不大于3°，最大应不大于6°，本标准则要求垂直影像倾斜角一般应不大于6°，最大应不大于10°。

原因是经过专家论证，目前的倾斜摄影相比于传统垂直摄影，首先是飞行载体多样化，姿态把控难度大，如直升机、旋翼无人机等水平姿态容易受气流影响，产生方向偏移；其次，倾斜摄影相比于传统垂直航空摄影，所获取影像的影像分辨率更为精细，主流产品达到或超过了3cm，这要求飞行航高更低，在低空下空气乱流较大，飞机姿态控制能力变差。

目前虽然在设备上大部分都使用了稳定平台，但是目前稳定平台是按照传统垂直摄影设计的，补偿范围较小，对目前的倾斜低空摄影补偿能力有限。

基于以上原因，本文件放宽了对于航摄倾斜角的限制。

已有标准《低空数字航空摄影规范》（CH/Z 3005—2010）中7.1.2规定的是像片倾角一般不大于5°，最大不超过12°。

经过综合考虑、反复论证、专家咨询，调整为垂直影像倾斜角一般应不大于6°，最大应不大于10°。

2.4.2航高保持
目前无人机技术发展迅速，飞行高度都能控制在误差5m以内，因此标准规定，同一航线上相邻像片的航高差一般应不大于30m，最大航高与最小航高之差一般应不大于50m，实际航高与设计航高之差应不大于50m。

在行文内容上和行业标准有所不同，内容指导性和可操作性更强。

2.5成果质量检查、成果整理和验收
本标准对质量检查项目、检查方法和质量检查报告进行规定，这点和已有的行业标准内容有区别，主要是考虑了和其他标准的协调一致，不在具体内容上过多重复。

在成果整理和验收部分，国家标准将行业标准的
内容重新梳理，将成果整理和成果验收重新划分为两个独立的章节，在内容上进行了增删、细化，使条理更加清晰。

3试验与实践
按照课题任务书的具体要求，参编单位开展了倾斜摄影测量技术的技术验证。

通过实验，检验了制定的技术标准，了解了实际工作中存在的问题，并明确了标准条文所涉及的关键技术。

参编单位开展了系列倾斜摄影测量飞行、数据处理和三维建模工作。

这些工作的开展，可以和倾斜摄影测量标准内容进行印证，保证了标准内容在实践中的可行性。

3.1黄山市倾斜航摄及三维数据处理项目
项目概况：为获取高质量、大重叠的倾斜影像，黄山市采用航向重叠82%、旁向重叠80%的大重叠航空摄影。

同时为保证摄区边缘区域倾斜视角影像的覆盖率，航线旁向方向在摄区边界范围外增加4条航线，以保证左视和右视镜头影像均覆盖全摄区范围；在航线航向方向摄区边界范围外，每条航线延长1.5km ，以保证前视和后视镜头影像均覆盖全摄区范围。

按照本设计思路，摄区共需敷设85条航线，航线总长度为1322.560km 。

黄山摄区倾斜航摄航线示意图如图1所示。

项目设计：本项目采用倾斜航空摄影技术，摄影
面积为162.1km 2，影像平均地面分辨率为0.08m ，按照以下航空摄影技术要求进行设计：摄区倾斜航空摄影采用大重叠的航摄设计方案，设计航向重叠度为82%，旁向重叠度为80%。

为保证摄区边缘覆盖，在航线旁向方向摄区边界范围外增加3条航线，以保证左视和右视镜头影像均覆盖全摄区范围；在航线航向方向摄区边界范围外，每条航线延长1.5km ，以保证
前视和后视镜头影像均覆盖全摄区范围。

质量综述：通过对模型成果进行目视浏览检查，重点对建筑、水系、主要道路等地物进行检查。

区域内主要地貌完整无缺失，逻辑正确，效果良好。

模型中不存在变形、漏洞、扭曲等现象，在航空影像所覆盖区域和精度范围内无纹理拉花现象；重点建筑无漏洞及大幅度扭曲；对于主体包含多种几何形状的复杂建筑物，能够完整表现建筑物的主体几何特征。

建筑模型的基底与所处地形位置处于同一水平面上，与地形起伏相吻合。

3.2上海市浦东新区（一期）倾斜摄影测量与三维数据制作
项目概况：本项目摄区位于上海市浦东地区，作业面积521.7km 2。

作业区域为121°27′8.61″~121°42′29.61″E ，30°58′58.47″~31°15′16.55″N 。

具体范围如图2所示。

项目设计：本项目拟选用AS350直升机，领航采
用高性能导航GPS ，地面数据处理基地为北京市。

本项目倾斜航空摄影使用AMC5100倾斜数字航摄系统。

AMC5100系统由5台大幅面PHASE ONE IXU 1000航空照相机组成，集成了Applanix POS AP20（IMU/GPS 惯性导航系统），并使用FANS （Flexible airborne navigation system ）作为飞行管理系统。

倾斜摄影地面分辨率要求优于0.05m ；航空摄影采用大重叠度，航向重叠80%，旁向重叠70%，满足三维模型制作要求。

质量综述：成果数据作业范围及作业量、空间参考满足设计要求；成果数据要素完整，无重复和遗漏，无冗余且不同类型不同层次数据的拓扑关系完整、正确；模型分类正确，编码完整、唯一；数据概念模式规则一致、存储格式一致、空间位置具有拓扑一致性；建筑模型成果纹理清晰、明暗面统一、光影效果一致，交通设施模型及植被模型位置基本符合实际；模型各型精度指标满足设计要求；综上所述，
本项目形成的各
图1
黄山摄区倾斜航摄航线示意
图2上海市浦东新区（一期）倾斜摄影测量范围
Research and practice of standard for oblique digital aerial photography
Li Guanshi,Xu Jiangang
（Jiangsu Institute of Surveying and Mapping,Nanjing 210013,China ）
Abstract:This paper discusses the main process of developing the national standard for oblique digital aerial photography,the main differences between the national standard and the industry standard,the application of the national standard in practice and the summary of the experience in the process of developing the national standard,which is of great significance to formulate,implement and popularize the standards.
Key words:oblique photography;remote sensing surveying and mapping;3D modeling;standard construction
项成果资料均满足规范及设计要求,根据《数字测绘
成果质量检查与验收》，本项目评定为合格。

4经验总结
4.1充分进行市场调研、广泛听取多方意见
标准编制过程中，对倾斜数字航空摄影测量市场进行了充分调研，面向全国多方征集各方面的意见和建议，在认真分析各方意见建议、充分考虑行业健康发展和鼓励新技术创新的基础上，进行归纳分析，妥善处理与相关法律法规、国家标准、测绘地理信息行业标准之间的关系，将标准内容不断论证、补充和完善。

4.2针对飞行平台多样性，注重标准普适性和技术前瞻性
本标准突出了倾斜数字摄影的特点，适应市场需求和技术发展，兼顾大飞机飞行平台和无人机等轻小型飞行平台的倾斜航空摄影，注重指导意义和可操作性，适应技术发展潮流。

标准内容紧跟倾斜数字航空摄影技术的最新进展，在航飞设计与计划、航摄质量控制等方面根据倾斜航空摄影的特点进行规范，同时注重轻小型飞行平台、倾斜数字航摄仪的技术前瞻性。

认真分析倾斜数字航空摄影的当前发展情况和技术热点，摒弃落后的技术方法等，并将具有指导意义的技术指标纳入规范内容。

4.3针对航摄仪多样性，对相关指标进行约束指导
从倾斜摄影仪来看，单镜头、双镜头、三镜头、五镜头相机甚至摆动式相机等都有应用，当前以五镜头相机为主流，各大相机厂家和研究机构都推出了各自的主要产品，并随着市场的发展不断地推陈出新。

因此本规范对相机提出了相应的约束条件，即从事倾斜摄影需多镜头相机且具备垂直镜头，从而更好地约束市场行为，规范产品成果，保障产品质量。

4.4对规范条文反复锤炼，与相关规定衔接
本标准在文本结构的编排上按GB/T 1.1—2009
《标准化工作导则第一部分：标准的结构和编写规则》要求编写，充分考虑与相关规定和现有标准的兼容性和适应性，与相关规定进行充分衔接。

5结语
为了推动城市化进程，促进测绘行业的发展，采
用倾斜摄影测量技术已经是行业大势［8］。

该标准是倾斜数字航空摄影基本技术规范，可指导倾斜航空摄影更好地服务于基础测绘、城市规划、应急测绘、三维实景建模等领域，更好地服务于国民经济建设。

参考文献［1］马聪丽，薛艳丽，陈俊，等.航空航天遥感测绘标准建设研究初探［J ］.遥感信息，2018（3）：17-25.［2］付克磊.倾斜数字航空摄影专业技术设计相关问题探讨［J ］.经纬天地，2016（6）：57-60.［3］国家自然资源部.倾斜数字航空摄影技术规程：CH/T 3021—2018［S ］.北京：测绘出版社，2018.［4］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.数字航空摄影规范第1部分：框幅式数字航空摄影：GB/T 27920.1—2011［S ］.北京：测绘出版社，2011.［5］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化委员会.IMU/GPS 辅助航空摄影技术规范：GB/T 27919—2011［S ］.北京：中国标准出版社，2011.［6］国家测绘局.低空数字航空摄影规范：CH/Z 3005—2010［S ］.北京：测绘出版社，2010.［7］刘文壮，周惠慧.不同重叠度下倾斜摄影三维模型影像质量分析［J ］.测绘与空间地理信息，2018（12）：225-228.［8］安可，张顺喜.倾斜摄影测量技术应用及展望［J ］.经纬天地，2019（4）：102-103.
（编辑何琳）。