机载LiDAR与倾斜摄影测量在区域三维建模中的应用

机载LiDAR与倾斜摄影测量在区域三维建模中的应用

蒋礼程

广州建通测绘地理信息技术股份有限公司

摘要：LiDAR机载激光扫描仪是一种便捷型、非接触式、自动化的电子主动观测设备。该测量系统的工作原理是利用采集实际接收到的三维点云数据，通过倾斜摄影测量技术的具象化技术，来实现对观测对象的快速建模。这项技术的应用为实现区域数据的多元化获取提供了可行的操作。基于此，本文将对LiDAR机载设备的原理进行基本的讲解，同时对倾斜影像的采集与三维建模的过程进行大概的介绍。

关键词：机载LiDAR；倾斜摄影测量；三维建模

随着信息化社会建设进程的逐步加快，各行各业都在着手尝试电子信息技术的应用，并取得了不小的成效。在城市建设规划中，利用信息处理技术进行局域的三维城市模型设计以及构建，成为新型的城市建模方式。利用信息技术进行城市三维建模的优势在于可以加强城市功能的划分以及综合管理，同时有利于城市建设资源的合理高效配置。目前常见的信息处理技术在城市规划上的应用有使用线化地形图与DEM数字模型进行三维城市模型构建，但这种应用目前来说还是少数。传统的数字城市建模，对于基础的地理信息技术的采集一般使用GNSS定位、全站仪等方式，由于这些方式收集地理位置信息耗费的时间比较长，采集流程繁琐，因此数字建模的效率比较低，严重影响了城市建设的效率。本文将采用机载LiDAR扫描与倾斜摄影测量的组合作业模式进行城市建设初期的地理信息数据获取，降低数字城市建模时的工作难度，减少建模花费时间，提升城市建模工作的效率。

一、LiDAR机载设备以及倾斜摄影测量的概念及特点

（一）机载LiDAR激光测距系统的概念及特点

LiDAR机载设备是新型地理空间信息采集系统，其是建立在GNSS定位、激光测距与惯性导航等技术共同支撑下的电子信息系统。机载LiDAR设备是搭载在飞行设备上的主动式对地激光探查及测距系统，主要是进行地表三维物体信息的扫描与及时呈现，集电子计算机技术、激光测量技术以及测量差分定位技术为一身，目前能够达到精准的实时3D地理信息的获取。机载LiDAR激光测距系统的突出优势体现在自动化水平高、天气因素影响不大、数据的收集生成时间较短、效率高且该系统测得的数据精度大等方面。由于机载LiDAR激光测距系统发射的激光脉冲部分对于林木植被具有较强的穿透力，因此常被应用在精度要求高的3D地理信息收集上。经过相关软件对机载LiDAR激光测距系统扫描得到的原始数据进行处理后，将得到传统测绘技术得不到的高精度三维成像地图，包括DTM数字模拟模型以及等高线地形地貌信息图。机载LiDAR激光测距系统技术的应用及发展在外国已经有十几载之久，然而国内才正式起步不长时间，因此利用机载LiDAR激光测距系统进行复杂地貌的测绘成像成为热门的研究方向，这项技术在三维城市建模工作中起着重要的作用。

（二）倾斜摄影测量的概念及特点

倾斜摄影测量技术指的是通过在同一飞行设备上搭载不同角度的多个传感器进行数据采集，以一垂直，四倾斜的五角度进行多维画面拍摄及数据采集。最大程度对地形地貌进行真实度还原。其突出特点有以下几个方面：

1.对拍摄物的真实情况进行如实反馈，真实度更强，立体化效果好。较之传统单一正射影像来说，倾斜影像能提供多维视角，对客观地理事物的反应效果更佳，对于单一正射影像的应用缺陷有所补充和修正。

2.倾斜摄影技术目前已经可以实现单一影像的量测。基于配套软件的数据处理技术，只需要一张倾斜摄影的最终成影就可以进行长度、宽度、高度、表面积、坡度等数据的分析和整理。

3.建筑物侧面纹理的录入。由于倾斜摄影技术能够大量提取并进行纹理粘贴，对于城市3D数字模型的建设成本的降低以及建设效率的提高都有着不小的帮助。

4.数据量较小，有利于网络传输

和传统的三维GIS技术冗杂的数据量相比较，使用倾斜摄影技术得到的影像的数据量大小要精简得多。尤其是倾斜摄影技术最终的数据生成格式便于在网络发布，能够有效实现资源共享。

倾斜摄影测量技术的优势在于能够大范围、高清晰、高精准地提供全面感知地理场景的服务，能够提供传统测量方式达不到的真实效果的呈现以及测量精确度的保证。航拍墙面倾斜角主要控制在25-30度之间。效果见图1。

图1：航空倾斜拍摄垂直墙面影像倾斜角

生成的最终数据结果能够清晰地反映被测事物的外观、位置以及高度等属性特征。其突出优势在于大大提升了模型的生产效率。传统建模方式受制于数据采集方式的落后，需要一两年的时间才能完成中小型城市的建模工作，相当耗费人力物力以及财力。但是通过倾斜摄影测量技术完成城市建模只需要3-5个月就能完成工作，节约了3D城市数字模型建设的经济成本以及时间成本。倾斜摄影测量技术已经在国内外被广泛应用，成为数字化城市建模的重要手段。

（三）倾斜摄影获取影像的相关要求

1.获取影像数据要求

要求成影清晰，反差适度，色彩鲜明，色调统一，层次丰富，分辨率高，地面细小影像明显，满足倾斜实景三维建模的要求，相关记录影像清晰、齐全，数据正确。

2.补摄与重摄

航摄过程中如果出现绝对漏洞、相对漏洞和其它的严重缺陷，必须予以及时补摄，漏洞补摄应严格按照原航线进行。二次补充摄像的航线长度应满足用户区域网加密布点的要求。云影、瘢痕等局部缺陷以及影响不大的相对漏洞可以选择漏洞点补摄，补摄航线的长度应超出漏洞外一条基线。

二、机载LiDAR与倾斜摄影测量在区域三维建模中的实际应用

（一）项目实施技术路线流程设计

进行项目实施时，采取机载LiDAR激光雷达进行航拍测量，在具体的项目操作之时，应按照固定的流程进行项目的展开，具体流程见下图。

图2：项目实施技术路线流程图

（二）像控点位置选择

在进行像控点的具体位置选择时，应按照具体的要求进行相应测量，要求在像控点在整体测量位置内进行均匀分布，具体的选择要求是：

1.目标影像要求像素高，清晰可见，便于识别，不能进行弧面位置的选择。

2.进行像控点位置选择之时，应选取线性地表物体的交叉点以及较为显眼的斑马线外围边角位置，通常球场会选择边缘线的边角点，房屋的边角点等较为显著，方便选点的地理位置。

3.进行像控点位置选择的时候应该注意周围是否有遮挡物，应该尽量选择没有明显遮挡物的地方进行像控点的定位以及确定。

4.短时间内会发生相应变化的位置不应该成为像控点的布设选址，如正在进行施工的工地以及近期进行规划设计改造的城区等。

5.通常进行像控点的布设时选用的像控点间距离为1-2公里左右。

（三）像控点的拍照要求

1.对被观测处进行取点之时应该进行两次及以上的拍摄，其中应该保证至少有一张远照以及一张近照，对于近照的要求是必须对摄清天线的摆放位置以及杆尖的落地处进行准确的拍摄，如果一张照片不能清晰表述，可以进行多张拍摄，确保位置的拍摄足够清晰。远景要求反应刺点处和周边的特征地物之间的相对位置关系，有利于业内其他人员进行相应的刺点工作的进行。远照要求拍摄到周边的重要标志物，诸如花圃、道路等地形。可进行多张多角度拍摄。

2.观测时对于天线位置要真实拍摄，不可以进行补拍。

（四）影像数据预处理

航摄获得的原始影像数据应该进行相应的图像处理。对每次飞行获取的影像数据进行认真、及时地预处理，严格按照匀色、匀光等步骤调整生成的影像，最终获得最佳成像并整理归档，得到最终成果。数据预处理的质量控制流程如下图所示：

图3：数据预处理的质量控制流程图

参考文献

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[2]马静，石莹.浅谈倾斜摄影测量在大比例尺地形图测绘中的应用[J].测绘标准化，2017，3303：46-48.

[3]高莎，袁希平，甘淑.倾斜摄影测量在地形三维建模中的实验研究[J].河南科技大学学报（自然科学版），2018，3904：99-104+10.