技术丨人工建模、倾斜摄影与激光雷达的方法原理及优劣对比

2021-05-14

随着“实景三维中国”建设计划的推进

大规模、大范围、高精细的实景三维生产需求日益增长
在商业软件迅速发展的背景下
多种方法可以满足实景三维建模的需求
但往往很难全面了解各种方法的特点和适用性
今天我们就从方法原理及优劣势三大方面
区别辨析人工建模、倾斜摄影和激光雷达技术

——三维建模——

1 人工建模
获取数据:利用 GNSS-RTK 或全站仪
建模软件:利用 3DSMax、Skyline、Sketch Up等传统的三维建模软件人工建模。
方法原理:利用平面信息的基础上建立没有纹理的三维模型。模型中的纹理需要人工拍照后贴到三维模型上。
方法弊端:工作量大,费时费力,生产成本高,效率低下。



2 传统遥感技术、卫星和航空摄影测量技术
方法原理:
利用快速影像匹配技术,生成DOM需要手动或者半自动人工地物的采集的方式获取影像的建筑物表面纹理。最后实现基于高分辨影像的三维建模。
方法优势遥感影像覆盖范围广、成本低而且较高的分辨率所以能够快速获取精确的数据。目前高分辨率的比较成熟的商用卫星影像比如0.31 m的WorldView-3卫星影像等,这种高分率的影像通过几何纠正,辐射校正能达到很高的精度。
方法弊端:这种方式三维建模存在遮挡问题严重,建筑立面纹理数据获取成本较高,内业贴图费时费力。

——倾斜摄影测量——
倾斜摄影技术是国际测绘遥感领域近年发展起来的一项高新技术。倾斜摄影测量的技术是自动化的方法构建三维模型,很大程度上提高了三维建模的效率。
方法原理:

倾斜摄影测量它是同一台无人机上搭载着五镜头相机从垂直、倾斜等多角度采集影像数据、获取完整准确的纹理数据和定位信息。丰富多彩的影像信息给三维模型带来更加真实的视觉效果。倾斜摄影技术在三维建模的成本上大大节省了成本。倾斜摄影测量能够弥补传统三维建模技术的缺陷,提供了高效率,低成本等优点。倾斜摄影的五相机方案中(见图 1-2),一台获取垂直影像,另外四台从前后左右 4个方向同时获取地物的侧视影像。相机倾斜角度在 40 °~60 °之间,因此可以较为完整地获取地物侧面的轮廓和纹理信息。倾斜摄影系统可以搭载在有人飞机或者无人机上,可以快速获取地物三维模型且成像效果好,是大场景三维建模的重要选择之一。


图1 倾斜摄影测量相机


图2 倾斜摄影影像获取示意图

——倾斜摄影测量技术优势——

高分辨率
倾斜摄影平台搭载于低空飞行器,可获取厘米级高分辨率的垂直和倾斜影像。
· 获取丰富的地物纹理信息
倾斜摄影从多个不同的角度采集影像,能够获取地物侧面更加真实丰富的纹理信息,弥补了正摄影像只能获取地物顶面纹理的不足。
· 高效自动化的三维模型生产
通过垂直与倾斜影像的全自动联合空三加密,无需人工干预,即可全自动化纹理映射,并构建三维模型。
· 逼真的三维空间场景
通过影像构建的真实三维场景,不仅拥有准确地物地理位置坐标信息,并且可精细的表达地物的细节特征,包括突出的屋顶和外墙,以及地形地貌等精细特征。
· 倾斜摄影测量缺点
倾斜摄影技术采用可见光进行测量,对天气要求较高,并且对密集植被下的地形无能为力,对细小物体的建模能力不足。
· 适用场景

倾斜摄影可以获取具有真实纹理的三维数据,适合做大范围三维建模、一些对精度要求稍低的三维工程测量应用。


图3 某变电站倾斜摄影测量成果
图 3为变电站出现倾斜摄影测量成果,从图上可以看出电力杆塔、导地线,绝缘子,金具等细小物体的建模效果不佳,杆塔出现扭曲,电力线丢失无法建模。

——激光雷达测量——

1 激光雷达测量原理

激光雷达是一种集激光扫描与定位定姿系统于一身的测量装备,可以高度准确地定位激光束打在物体上的光斑。激光雷达系统包括激光器和一个接收系统。激光器产生并发射一束光脉冲,打在物体上并反射回来,最终被接收器所接收。接收器准确地测量光脉冲从发射到被反射回的传播时间。鉴于光速是已知的,传播时间即可被转换为对距离的测量。结合激光器的高度,激光扫描角度,就可以准确地计算出每一个地面光斑的三维坐标 X,Y,Z,如图4所示。

图4 激光雷达测量原理示意图
从近年来在电网行业应用的情况看,中大型机载激光雷达系统通常会集成一个垂直视角的光学相机,用于同步获取地面影像或者给激光点云着色以达到更好的视觉效果。激光雷达技术已经在国内外输电线路应用中崭露头角,获得了大家的认可。
2 激光雷达分类
根据载体的不同,激光雷达技术主要分地面三维激光扫描技术和机载激光雷达扫描技术两大类,顾名思义,地面二维激光扫描系统的空间载体是地面。它将激光扫描仪直接与数码相机、GPS相结合,对目标物进行扫描成像,获取激光反射回波数据和目标表面影像,并在软件支持下构建三维数字模型和纹理的精确贴图,从而达到目标物快速、有效、精确的三维立体建模。
激光雷达技术按平台分为星载激光雷达、机载激光雷达(包括大飞机和无人飞机)和地面激光雷达。因为我国目前低空管制问题以及使用的方便性来看,地面激光雷达更有优势机载激光雷达系统则是一种高速度、长距离的航空测量设备。


3 激光雷达特点
快速获取数字高程模型激光雷达技术最主要的数据产品是高密度、高精度的激光点云数据,该数据直接反映点位的三维坐标。通过自动或人工交互处理,把人射到植被、房屋、建筑物等非地形目标上的点云进行分类、滤波或去除,然后构建不规则二角网TIN,就可以快速提取 DEM。由于激光点密度大,数目多,使得生产高精度、高分辨率的 DEM 也成为可能,因此它是解决快速进行 DEM数据采集的最有效方法,其产品精度甚至可以满足多行业对高程的需求。
机载激光雷达优化技术提取的地面三维坐标,满足高精度影像微分纠正的需要,使得数字正摄影像图(DOM)的生产变得相当容易,无需使用数字摄影测量昂贵的专业数据处理平台,在一般的遥感图像处理系统中即能实现规模化生产。

激光雷达具有穿透植被的能力,可以测量植被覆盖下的地形。同时,激光雷达获取的高精度点云数据测量精度高,适合做高精度地形测量与工程勘测、以及对精度要求很高的工程测量应用。



激光雷达技术一次测量可以获取高精度的大面积的数字高程数据(DEM),已成为各种三维设计系统重要的三维数据来源。是常用于输变电线路走廊三维建模,但激光雷达不能获取被测物体颜色纹理,如要建三维模型须后期数码相机采集后,内业贴图,工作量巨大;且激光雷达设备价格较为昂贵。

本文来源:测绘学术资讯
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