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【新名词】LiDAR倾斜三维——自动化建模三维中的全能选手

时间:2015-08-28来源:华正字号:

“倾斜三维”这个词对业内人士来说已不陌生,它是指基于倾斜摄影的自动化建模三维模型。在这里,我们提出的“LiDAR倾斜三维”是一个新名词,虽然也属于倾斜三维的范畴,但顾名思义,这种三维模型不仅基于倾斜摄影,还同时基于LiDAR,即激光雷达技术。

接下来,让我们分别了解一下这两项技术。

倾斜摄影技术

倾斜摄影技术是国际测绘领域近些年发展起来的一项高新技术,它颠覆了以往正射影像只能从垂直角度拍摄的局限,通过在同一飞行平台上搭载多台传感器,同时从一个垂直、四个倾斜等五个不同的角度采集影像,不仅能够真实地反映地物,还通过采用先进的定位技术,嵌入精确的地理信息、更丰富的影像信息,带来新的用户体验,极大地扩展了遥感影像的应用领域,并使遥感影像的行业应用更加深入。

工作原理示意

倾斜影像成果

激光雷达(LiDAR)技术

激光雷达技术,即LiDAR技术(Light Detection and Ranging),是一种集激光、全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)三种技术于一身的系统,用于获得点云数据并生成精确的数字高程模型。

激光雷达技术与激光测距技术的技术原理类似,理论依据及技术储备均比较成熟,保证了成果的精度(目前高程绝对精度达到厘米级)。

LiDAR数据由于其高精度、一致性、完整性和可靠性,目前已被业内广泛认可、接受和采用,并作为其它地形数据的参照和标准。

                                          工作原理示意                                                                                  数据成果(DSM)

基于上述两种技术进行数据获取,再利用自动化三维建模技术生成模型的方式,彻底突破了传统三维数据的生产模式,大大缩短了系统建设的周期,一个中型城市几个月的时间就可以建成,生产效率有了质的飞跃。

当效率的问题解决了,用户便开始关注数据的质量,接下来我们了解一下,自动化三维建模技术中不同技术路径及其成果。

目前,倾斜摄影自动化三维建模(简称"倾斜三维")技术有两条路线:匹配三维技术和LiDAR三维技术。

技术路线一:LiDAR三维

在获取到符合要求的倾斜影像以及同区域激光点云数据后,通过高度自动化的手段对两种数据进行解算合成处理,快速生成三维模型。

技术路线二:匹配三维

基于传统摄影测量原理,从大重叠度的倾斜影像立体像对中,利用同名点匹配方式,通过数学运算生成三维点云,在此基础上快速构建三维模型。

 

(图片节选自Astrium)

以下是这两种技术路线的处理软件及代表性厂商列表。

两种技术共同的特点是人工干预少,自动化程度高,真实性强,都属于真三维的范畴。

两种技术路线最根本的差异是数据结构不同:匹配三维是一个整体,也就是常说的“一张皮”,而LiDAR三维的每个部分都是可以对象化的。这种数据结构的差异会带来在应用上的差异:

一、单体对象化及编辑修改方面

匹配倾斜三维:由于匹配技术生成的三角网、纹理均来源于影像,因此三角网与纹理之间有严格对应的关系,任何大范围的编辑、改动都会破坏其三角网和纹理之间的对应关系。

说到这里,大家可能会说:依靠三维GIS平台的工具,匹配三维就实现单体化。听上去这个方法似乎解决了匹配三维数据本身不具备单体化结构这一问题,但当二维矢量数据和三维不一致时(如采集时间的不同等等),问题麻烦就来了,也更谈不上编辑和修改,这使得该技术难以解决专业应用的需求。

LiDAR倾斜三维:以激光点云作为空间依据,每个建筑模型及其部件是可编辑的单体化模型,有效解决了三维数据局部更新和修改的难题。在后期的应用中,LiDAR三维的优势更加凸显:

• 模型数据可以分解为多个数据层,如建筑物、树木、桥梁、道路、水体等,以实现面对不同对象的管理,精细化程度高——建筑物不仅可单体化,还能定位到楼层、甚至窗户。

• 能够加载地面获取的数据,将空中数据与地面数据相结合,有效优化数据效果。

加载了地面数据的“大头”建筑

二、精度方面

匹配倾斜三维:虽然匹配技术也对倾斜影像进行严格的空三加密处理,但受到噪声干扰或影像特征点不明显等原因,匹配的结果具有很大的不确定性、随机性,解算得到的三角网不能满足相应比例尺定位精度的要求,基于此类数据进行的三维分析,其结果可信度可想而知。

LiDAR倾斜三维:采用高精度的激光点云作为模型TIN网构造的数据源,后处理阶段严格遵循摄影测量工艺,因此,具有非常高的测绘精度和精度可靠性,整体及局部的高程、平面精度均能够达到1:1000比例尺精度标准。

下图为两种技术得到的DSM对比,右图(LiDAR技术)的整体效果明显优于左图。

备注:测区为约100x130米的区域,匹配点22828个,LiDAR点约23000个。

三、数据效果方面

匹配倾斜三维:曾经使用过匹配技术的用户会发现由其生成的三维模型中,存在一定程度的(约10%-25%)问题区域,表现形式一般为空洞和缺失,模型破碎、纹理拉伸等现象,无法近距离浏览数据。根本原因在于:纹理的高度重复对匹配造成了致命影响。道路匹配的结果往往高低不平、上下起伏;建筑物失去了棱角,看起来像融化的蜡烛。


建筑表面纹理的扭曲和拉伸
 

LiDAR倾斜三维:虽然也存在摄影死角等不可避免的问题,但数据大体上能够如实反映城市和建筑物的现实情况,形状、纹理信息均相对准确。


了解到以上几个方面的主要差异,我们不难得到这样的结论:

倾斜三维生产速度快,能保证大范围数据生产的效率,适用于城镇范围的应用。

匹配倾斜三维比较适用于对数据精度要求不高的领域,如面向公众的展示和互联网应用等。

LiDAR倾斜三维严格按照航空摄影工艺生产,不仅可以用来展示,更能够满足规划、国土、公安等领域对精度的要求,可以进行数据的对象化管理,局部更新,还能进行结果可靠的三维分析,适合作为基础的城市空间数据,实现各行业乃至公众的互通及共享,是当之无愧的全能选手。