三維建模技術(shù)
目前在數(shù)字城市中，常用的三維建模技術(shù)可分為點云三維建模、航測法三維建模、地形圖精細三維建模。涉及到的關(guān)鍵技術(shù)包括星載、機載LiDAR技術(shù)、傾斜攝影技術(shù)、地面三維激光掃描技術(shù)、三維精細建模技術(shù)和移動測量技術(shù)。本章將具體展開介紹。
機載LiDAR
1LiDAR技術(shù)概述
LiDAR（Light Detection And Ranging），直譯為激光探測與測量，俗稱激光雷達，該技術(shù)集成激光測距技術(shù)、計算機技術(shù)、慣性測量單元（IMU） /DGPS差分定位技術(shù)于一體，通過激光回波原理探測地表三維信息，為獲取高時空分辨率地球空間信息提供了一種全新的技術(shù)手段。與光學(xué)航空攝影相比，具有以下技術(shù)特點：
（1）點云密度高、植被穿透能力強、產(chǎn)品豐富
根據(jù)不同工程需要，可以靈活調(diào)節(jié)激光點采集間隔，目前新型LiDAR設(shè)備激光點采集間距可以達到0.15m甚至更小。LiDAR數(shù)據(jù)采集密度極大，有利于真實地面高程模型的模擬，此外由于激光探測具有多次回波的特性，激光脈沖在穿越植被空隙時，可返回樹冠、樹枝、地面等多個高程數(shù)據(jù)，從而有效克服植被影響，更精確探測地面真實地形，利用獲取的高密度、高精度的點云及影像數(shù)據(jù)，可以生成數(shù)字表面模型（DSM，Digital Surface Model）、數(shù)字高程模型（DEM， Digital Elevation Model）、數(shù)字線劃圖（DLG， Digital Line Graph）、數(shù)字正射影像（DOM， Digital Ortho Map）等多種產(chǎn)品。
（2）點云精度高、野外控制少、不受陰影和太陽高度角影響
與傳統(tǒng)航攝不同，LiDAR數(shù)據(jù)的高程精度不受航飛高度影響，加上LiDAR配置的高精度姿態(tài)測量系統(tǒng)，采集的每個激光點都帶有真實的三維坐標信息，即使在沒有地面控制點的情況下，也能達到較高的定位精度。同時LiDAR技術(shù)以主動測量方式，不依賴自然光，因而LiDAR不受太陽高度角以及傳統(tǒng)航測方式無能為力的陰影地區(qū)影響。
正因為上述特點，LiDAR技術(shù)使人們從傳統(tǒng)的單點數(shù)據(jù)獲取進入到連續(xù)自動數(shù)據(jù)獲取，不但提高了區(qū)域觀測的高程精度和速度，獲取地表物體的垂直結(jié)構(gòu)形態(tài)，而且配合地物的影像或紅外成像結(jié)果，增強了對地物的判讀能力，在數(shù)字城市的三維建模等領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用價值。
2LiDAR技術(shù)國內(nèi)外現(xiàn)狀及趨勢
目前LiDAR應(yīng)用主要集中在機載LiDAR上，機載LiDAR是一種安裝在航空飛行器（飛機、飛艇）上的機載激光探測和測距系統(tǒng)，作為一種主動式對地觀測系統(tǒng)，于九十年代初首先在西方國家發(fā)展起來并投入商業(yè)化應(yīng)用。截至2001年7月全球約有75個商業(yè)組織使用60多種類似的系統(tǒng)，從1998年起，以每年25％的速度遞增。加拿大Optech公司生產(chǎn)的ATLM和SHOALS、瑞士Leica公司的ALS5O、瑞典的TopoEyeAB公司生產(chǎn)的TopEye、德國IGI公司的LiteMapper、法國TopoSys公司的FalconⅡ等是當前較成熟的商業(yè)系統(tǒng)。LiDAR技術(shù)在國外的發(fā)展和應(yīng)用已有十幾年的歷史，我國在這方面的研究和應(yīng)用還只是剛剛起步。在國家863計劃的支持下，中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所等研究的機載三維成像系統(tǒng)于1996年完成了第一臺線掃描原理樣機的研制，該系統(tǒng)有別于目前國際上流行的機載LiDAR系統(tǒng)，它將激光測距掃描儀與多光譜掃描成像儀共用一套掃描光學(xué)系統(tǒng)，從而保證地面的激光測距點和圖像上的像元點嚴格匹配，即在獲取地面點的圖像同時還獲取該點到成像儀的激光距離值。針對不同的應(yīng)用領(lǐng)域及成果要求，目前結(jié)合靈活的搭載方式，機載LiDAR技術(shù)廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)測繪、道路工程、電力電網(wǎng)、石油管線、海岸線及海島礁、數(shù)字城市等領(lǐng)域，提供高精度、大比例尺（1∶500至1∶10000）的空間數(shù)據(jù)成果。
此外，由于LiDAR產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量非常巨大，現(xiàn)有的測量軟件很難適應(yīng)處理如此大量的數(shù)據(jù)，因此，需要特殊的專業(yè)軟件來處理。目前處理此類數(shù)據(jù)主要芬蘭Terrasolid公司的TerraModeler、TerraScan和TerraPhoto軟件進行處理三維坐標數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)。其中TerraScan軟件能裝載和處理大量的激光掃描測距數(shù)據(jù)，根據(jù)激光點的坐標、光強等信息將大量激光掃描測量數(shù)據(jù)進行分類，并利用鼠標編輯圖形，從不同角度觀察圖形。TerraModeler軟件是用來生成和處理各種表面的，可用來計算體積、面積，生成等高線、輪廓線，洪水淹沒計算。TerraPhoto軟件是用來處理原始數(shù)碼航空影像的，將飛機的飛行數(shù)據(jù)文件（包括飛機位置、姿態(tài)、拍攝時間、影像排列等數(shù)據(jù)）、影像數(shù)據(jù)文件及地面數(shù)字模型文件輸入系統(tǒng)，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)進行全自動空三平差、鑲嵌，形成彩色正射影像圖（DOM）。
3在數(shù)字城市中的應(yīng)用
由于機載LiDAR點云可獲取DSM、點云密度大、精度高，非常適合構(gòu)筑物三維建模，同時還可同步獲取DEM和DOM，方便地面模型與構(gòu)筑物模型連接以及紋理貼賦，因此可為數(shù)字城市高精度三維建模和模型分析提供數(shù)據(jù)源。具體應(yīng)用包括：
（1）三維建模
DEM建模：LiDAR獲取的DEM產(chǎn)品可直接用于地面三維建模，并可與其他建筑物、道路模型無縫相接。
植被建模：LiDAR產(chǎn)品通過點云分類獲取植被層，可用于植被精細建模、制作植被模型。精確的植被模型可以在單個樹木分析的基礎(chǔ)上，確定單個樹高、平均樹高、木材體積、平均密度、每平均生長體積。
建筑物建模：LiDAR產(chǎn)品通過點云分類獲取建筑物層，可用于建筑物規(guī)則化、制作樓頂紋理、重建建筑物模型。
交通和附屬設(shè)施建模：LiDAR產(chǎn)品可重構(gòu)高速公路、鐵路和其周圍的環(huán)境，并利用影像數(shù)據(jù)恢復(fù)高壓電塔、電線等周圍地物的實際場景。
（2）模型分析
線路及通道工程設(shè)計：在數(shù)字城市模型分析中，LiDAR模型產(chǎn)品可用于視域線的決定、管道傾斜度的決定、開方量的評估、植被和地物凈空的決定，并可利用模型數(shù)據(jù)評估高速公路的質(zhì)量、展示重要細節(jié)以計劃重建和修復(fù)任務(wù)，與設(shè)計方案進行比較。
電力線路設(shè)計：LiDAR模型產(chǎn)品可為電力線路運行管理提供準實時高精度的三維數(shù)據(jù)，為電力線路設(shè)計實時提供高精度的斷面，一方面減少外業(yè)工作量，一方面可以精確測量線路走廊內(nèi)危險點的距離。
災(zāi)害模擬和評估：LiDAR三維建模結(jié)果可用于水災(zāi)、地質(zhì)災(zāi)害地區(qū)的復(fù)原和環(huán)境保護、獲得排水路線、堤防的監(jiān)控、洪水流向的模擬、對災(zāi)害進行計劃預(yù)防、水壓和水文測量，通過DEM精細建模，可以快速判斷容易發(fā)生崩塌滑坡的邊坡三維形變，檢測邊坡位移、形變量，檢測災(zāi)害點邊坡健康狀況，以及潛在滑坡區(qū)域受損后的風險性和形變發(fā)展趨勢，對已滑坡地段其受損后的形變發(fā)展趨勢進行預(yù)測，指導(dǎo)災(zāi)后恢復(fù)、重建的規(guī)劃、滑坡風險評價等。
傾斜攝影技術(shù)
1.傾斜攝影技術(shù)概述
近年來，國際地理信息領(lǐng)域?qū)鹘y(tǒng)航空攝影技術(shù)和數(shù)字地面采集技術(shù)結(jié)合起來，發(fā)展了一種稱為機載多角度傾斜攝影的高新技術(shù)，簡稱傾斜攝影技術(shù)。傾斜攝影技術(shù)顛覆了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限，通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從多個不同的角度采集影像。由此獲得的傾斜影像不僅能夠真實地反映地物情況，而且還能利用先進的定位技術(shù)，嵌入精確的地理信息。傾斜攝影技術(shù)彌補了正射影像的不足，通過整合POS、DSM及矢量等數(shù)據(jù)，進行基于影像的各種三維測量，同時基于人眼視覺適合于觀察傾斜透視像片的特點，傾斜影像測量技術(shù)更適合于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境應(yīng)用（李鎮(zhèn)洲等，2012）。機載多角度傾斜攝影測量系統(tǒng)是新一代攝影測量系統(tǒng)。其主要內(nèi)容包括傾斜攝影數(shù)據(jù)獲取技術(shù)和相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)。該系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取部分一般由5個數(shù)碼相機組成，包括1個垂直攝影相機和4個傾斜攝影相機，系統(tǒng)還可將攝影相機與機載GPS接收機、高精度IMU進行高度集成。攝影相機用來提供影像信息，而GPS、IMU則分別提供位置和狀態(tài)信息。通過進行傾斜攝影空中三角測量處理可為每張影像提供位置姿態(tài)信息用于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。
2.傾斜攝影國內(nèi)外現(xiàn)狀及趨勢
國外方面，在20世紀90年代就開始了對傾斜攝影測量系統(tǒng)的研究，目前該技術(shù)正成為研究的熱點和市場的應(yīng)用方向。國外傾斜攝影系統(tǒng)主要分3 種類型: 扇形布局、塊狀布局和馬耳他十字形布局。扇形布局主要用于勘察，塊狀布局主要用于測圖和監(jiān)察，馬耳他十字形布局用于可視化、測圖和解譯。美國Pictometry公司是世界上最早研究傾斜攝影技術(shù)的公司，目前Pictometry公司的傾斜攝影系統(tǒng)已在北美、歐洲得到廣泛的應(yīng)用，該系統(tǒng)所具有的特點對人們使用地理空間信息的方式產(chǎn)生著很大的影響。它在美國的早期成功是用于突發(fā)事件方面的應(yīng)用，而真正的發(fā)展始自于與微軟的合作，并被集成進微軟公司開發(fā)的BinMAPS之中。在歐洲市場，2005年，歐洲的Blom Group（布姆集團）與Pictometry公司簽署了一份獨家協(xié)議，利用Pictometry公司系統(tǒng)進行12個國家的傾斜攝影應(yīng)用。該項目覆蓋西歐人口超過5萬的所有城鎮(zhèn)、80％的人口、大約1000個城市。Pictometry公司的歐洲項目圖像分辨率為10cm～12cm，位置精度約0.5m（王偉等，2011）。在系統(tǒng)組成方面，美國Pictometry公司的航控傾斜攝影系統(tǒng)采用5 鏡頭，Trimble 公司推出了一款由三個相機組成（一個垂直和兩個傾斜相機）的航空傾斜攝影系統(tǒng)，并在相機幾何和數(shù)據(jù)處理方面展開了深入研究。國內(nèi)方面，國內(nèi)測繪行業(yè)在2010年首次引進傾斜攝影技術(shù)（田野等，2013），隨后劉先林院士研制SWDC-5 傾斜攝影系統(tǒng)，通過同一飛行平臺、5 個視角對地進行拍攝，該系統(tǒng)已成功地應(yīng)用到平頂山試驗中，成為國內(nèi)的航空傾斜攝影相機的一大突破。
3.在數(shù)字城市中的應(yīng)用
傾斜攝影測量技術(shù)是國際測繪領(lǐng)域近年來倡導(dǎo)使用的一項高新技術(shù)，它顛覆了以往影像只能從正攝角度拍攝影像的局限，通過在同一飛行器上搭載多臺傳感器，同時從一個正射、四個傾斜等五個不同的角度采集影像數(shù)據(jù)，將用戶引入一個符合人眼視覺習(xí)慣的真實且直觀的世界。相對于正射影像，傾斜影像能讓用戶從多個角度觀察被制作建筑，更加真實地反映地物的實際情況，極大地彌補了基于正射影像分析應(yīng)用的不足。傾斜攝影測量不僅能夠真實地反應(yīng)地物情況，而且可通過先進的定位技術(shù)，嵌入精確的地理信息、更豐富的影像信息、更高級的用戶體驗，極大地提高了航空影像處理的速度。傾斜影像技術(shù)的引進和應(yīng)用，使目前高昂的三維城市建模成本大幅降低，大大提高三維城市建模的速度，它將開辟攝影測量與遙感應(yīng)用的新領(lǐng)域，提高我國數(shù)字城市建設(shè)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取效率（李祎峰等，2013）。
圖文摘錄于《走向大數(shù)據(jù)——從數(shù)字北京到智慧北京》一書
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