城市三维数据获取技术

城市三维数据获取技术


发布日期: 2023-02-01 更新日期: 2023-02-01 编辑:xuzhiping 浏览次数: 1959

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摘要: 由于理论和技术水平的限制,三维空间数据的获取能力相对较弱一直是阻碍三维地理信息系统发展的重要原因。一旦能够实现三维空间数据方便、快捷、廉价的获取,三维地理信息系统将会取得迅猛的发展。下文总结目前常用的几种城市三维数据获取方法,并简要分析各种方式的优缺点及适用范...

由于理论和技术水平的限制,三维空间数据的获取能力相对较弱一直是阻碍三维地理信息系统发展的重要原因。一旦能够实现三维空间数据方便、快捷、廉价的获取,三维地理信息系统将会取得迅猛的发展。下文总结目前常用的几种城市三维数据获取方法,并简要分析各种方式的优缺点及适用范围。

1.地形图+建筑设计图纸

由于城市景观以人文建筑物为主,而大部分建筑物体的平面坐标可以由现有纸质或数字化的二维平面地形图得到,建筑物的高度和形状信息可从设计图纸中获取,两者结合即可获得建筑物的三维数据。这种方法实现技术简单,且获取的建筑物高度信息具有较高的精度,但由于需要进行专业建筑图纸人工判读,对操作人员素质要求较高,同时还要手工输入大量数据并进行实地纹理采集,工作量非常大。而且由于建筑设计图纸属于保密资料或内部资料,获取相对困难。因此只适合城市小范围地区及少数建筑物的三维数据获取。

2.数字摄影测量

摄影测量的发展经历了模拟摄影测量阶段和解析摄影测量阶段,现已进入数字摄影测量阶段。数字摄影测量是基于数字影像与摄影测量的基本原理,应用计算机技术、数字影像处理、影像匹配、模式识别等多学科的理论和方法,提取所摄对象用数字方式表达的几何与物理信息的摄影测量学的分支学科。

数字摄影测量系统是摄影测量技术发展的结晶,它是三维空间数据获取的一种重要途径。在20世纪60年代,第一台解析测图仪AP-1问世不久,美国的全数字化测图系统DAMC就有了初步的实验结果。武汉大学(原武汉测绘科技大学)王之卓教授于1978年 提出了发展全数字自动化测图系统的设想与方案,并于1985年完成了全数字自动化测图软件系统WUDAMS,并采用数字方式实现摄影测量自动化。至1988年日本京都国际摄影测量与遥感协会 第16届大会上展示出DSP-1型为代表的数字摄影测量工作站,基本上都是属于体现数字摄影测量工作站概念的试验系统。到1992年8月在美国华盛顿第17届国际摄影测量与遥感大会上,有了较为成熟的产品。武汉大学张祖勋教授所领导的研究团队 在王之卓院士20世纪70年代末提出全数字化自动测图思想的基础上,突破了立体影像匹配构建计算机视觉的理论难关,创造了VirtuoZ。摄影测量工作站;中国测绘科学研究院刘先林院士于1999年主持研制成功了 JX4数字摄影测量工作站,这两种系统都能实现数字地面高程模型(DEM)自动采集、自动微分纠正,制作数字正射影像(DOM), 利用X、Y手轮、脚轮,进行人工立体数字线化测图以及获取数字栅格地图(DRG)。它们为三维数据的获取提供了一种较为便捷的实现方法。目前,航空摄影测量和遥感技术可以提供目标的几何特征、语义特征,从而获取三维数据信息。它作为最为完善的技术体系在国内外得到广泛的应用。但是,由其立体像对成像和解算的机理决定了 它在数码城市建筑物三维信息和纹理信息提取的缺陷,即它获取的主要是建筑物顶面的信息,漏掉了建筑物立面的大量几何和纹理信息。同时,摄影测量数据在建筑物密集区会有遮掩,不能有效提供建筑物立面纹理信息,需配合地面摄影。

随着美国1m分辨率IKONOS以及0.68m分辨率QuickBird卫星的升空,航天卫星遥感已发展到高分辨率、高精度、多光谱、低费用的时代。极高分辨率的航天遥感影像能提供丰富的城市景观信息,包括几何、纹理、拓扑、语义等多种类型,正日益成为数字正射影像和数字高程模型生产的主要数据源。卫星遥感影像不仅具有很高的空间分辨率,而且具备高时间分辨率的特点,即可在短期内重复获得同一地区的影像;在城市飞速发展的今天,这对保证获取数据的现势性具有重大意义。随着卫星影像价格的不断下降和分辨率的进一步提高,航天遥感影像将会是未来城市三维信息获取的主要源泉之一。

3.激光雷达系统

当将一束特定的光线投射到物体表面时,在与投射方向不同的方向观察,这一束投射到物体表面的特定光线就会受物体表面形状的调制产生形变,通过一定的算法分析这种形变,就可以得到物体的调制信息,即三维形貌,激光扫描仪应用该原理获取扫描对象的三维信息,其工作流程如图1.1所示。

激光扫描仪的工作原理

图1.1激光扫描仪的工作原理

激光雷达系统简称为LIDAR,该技术可以实现空间三维坐标的同步、快速、精确的获取,并根据实时摄影的数码像片,通过计算机重构来实现大型实体或场景目标的3D数据模型,再现客观事物的真实形态。根据载体的不同,LIDAR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。地面三维激光扫描系统的空间载体是地面,类似于传统的地面近景摄影测量,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加,从而达到目标物快速、有效、精确的三维立体建模。地面三维激光扫描系统不但可以安置在固定设备上,也可以装载在运动的汽车上,进行连续的三维场景和目标形态的空间数据采集。机载激光雷达系统是一款高速度、高性能、长距离的航空测量设备,该系统由激光测高仪、GPS定位装置、IMU(惯性制导仪)以及高分辨率数码照相机组成,实现对目标物的同步测量。测量数据通过特定方程解算处理,生成高密度的三维激光点云数值,为地形信息的提取提供精确的数据源。利用机载LIDAR系统进行测高作业,根据不同的航高,其平面精度可以达到0.15~1m,高程精度可达到10~30cm。

与普通光波相比,激光具有方向性好、单色性好、相干性好等特点,不易受大气环境和太阳光线的影响。使用激光进行距离量测可大大提高数据采集的可靠性和抗干扰能力。当来自激光器的激光射到一个物体的表面时,只要不存在方向反射(包括镜面反射),总有一部分光会反射回去,成为回波信号,被系统接收器所接收,当仪器计算出光由激光器射出到返回到接收器的时间为2t后,那么激光器到反射物体的距离(d)=光速(c)*时间(t)/2。在LIDAR系统中,结合GPS得到的激光器位置坐标信息,INS得到的激光方向信息,就可以准确地计算出每一个激光点的大地坐标(X,Y,Z),大量的激光点聚集成激光点云,组成点云图像。

LIDAR信息获取系统

图1.2 LIDAR信息获取系统

用LIDAR系统来精确确定地面上目标点的高度,始于20世纪70年代后期,当时的系统一般称为APR (Airborne Profile Recorder),主要用于辅助空中三角测量。最初的系统是仿型设备,仅能获得在飞行器路径正下方的地面目标数据。这些最初的激光地形测量系统很复杂,并且不适合于获取大范围地面目标的三维数据。到20世纪90年代,经过大量研究试验,激光扫描技术开始得到普及和大规模使用。至2004年全球已经有超过30类不同型号的激光扫描系统投放市场。随着DGPS技术、数据传输技术、计算机技术和图形图像处理技术的发展,现代激光扫描系统己经在许多领域得到了普遍使用。

利用LIDAR技术可实现DEM和DOM的快速生成,LIDAR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,然后构建不规则三角网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,它是解决快速进行DEM数据采集的最有效方法。另外,LIDAR数据也可以辅助进行DOM、DLG数字产品的生产。

LIDAR应用的另一重要领域是精密工程测量。很多精密工程测量都需要采集测量目标的高精度三维坐标信息,甚至需要建立精确的三维物体模型,如电力选线、矿山和隧道测量、水文测量、沉降测量、建筑测量、变形测量、文物考古等行业。地面和机载LIDAR就是解决这种实际问题的有效手段。通过数码像片获取的纹理信息与构筑物模型进行叠加构建三维模型,是进行景观分析、规划决策、形变量测、物体保护的重要依据。如LIDAR技术为公路、铁路设计提供高精度的地面高程模型DEM,以方便线路设计和施工土方量的精确计算。在进行电力线路设计时,通过LIDAR的成果数据可以了解整个线路设计区域内的地形和地物要素情况。在树木密集处,可以估算出需要砍伐树木的面积和木材量。在进行电力线抢修和维护时,根据电力线路上的LIDAR数据点和相应的地面裸露点的 高程可以测算出任意一处线路距离地面的高度,从而便于抢修和维护。

虽然利用激光雷达系统可以获取高精度的三维数据,但由于其价格昂贵,在短期内尚难以实现大范围普及使用。同时激光扫描获取的一般为密集的点状数据,后处理工作非常复杂。另外在数字城市应用中,由于某些物体表面没有漫反射(如窗户和金属结构部分),会在扫描时被漏掉,须同时配备近景摄影协同进行。

4.机载三维成像仪

机载三维成像仪从空中同步获取地面目标的三维位置和遥感光谱信息,实现定位、定性数据的一体化获取。它与机载激光扫描系统具有明显的区别,它在硬件上共用一套主光学系统来实现图像数据和 激光测距数据的同步采集,信息获取效率要高于激光扫描系统。中国科学院遥感应用研究所对机载三维成像仪进行了深入研究,进行了飞行试验。

机载三维成像仪由GPS接收机、姿态测量装置、扫描激光测距仪、扫描成像仪四个主要部分构成。GPS能得到三维成像仪在空中的精确三维位置;姿态测量装置能测出三维成像仪在空中的姿态参数;扫描激光测距仪可以精确测定三维成像仪到地面点的距离,根据几何原理就可以计算激光点的三维位置。同时扫描成像仪同步获取地面的遥感图像,扫描成像仪和扫描激光测距仪在硬件上共用一套扫描光学系统 而组成扫描激光测距-成像组合传感器(AL-Hi),从而保证地面的激光测距点和图像上的像元点严格匹配。

系统的原理如图1.3所示。在事后处理中,这些具有三维位置的激光像元点作为“控制点” 来精确纠正所获得的遥感图像,从而快速获取正射影像。此外这些激光测距点也可以作为“种子点”来求出DTM。和常规的遥感器以及国外的机载激光系统相

机载三维成像仪的原理

图1.3机载三维成像仪的原理

比,机载三维成像仪具有如下特点: DEM和遥感图像的准确匹配并同步获取,通过在硬件上共用一套主光学系统,实现图像数据和激光测距数据的同步采集;获取的原始数据只要软件处理就可以生成DEM和 地学编码图像等三维数据产品,无须地面控制,效率较高;视距测量原理的实现,应用GPS、INS、SLR直接按几何原理测得地面的三维位置;既是位置测量系统,又是遥感系统,利用它可以得到地面的三维位置,又得到图像,可以生成DEM和地学编码图像。

在机载三维成像仪获取的数据中,激光测距数据和图像数据是在空间位置上严格同步获取的,但由于激光器的能量和重复频率有限,因此不能在获取每个像元图像时都进行激光测距,而是每隔固定数量的像元来获取一个激光测距值。根据飞行速度的不同,扫描的速率一般为每秒扫描20~40行。由于姿态测量装置采集姿态数据的反应速率等原因,一般也只是在每个扫描行图像的中间像元(称机下点) 时才发送信号给姿态测量装置来采集当时的姿态参数。GPS数据和姿态、激光测距数据的同步是通过时间进行的,即控制单元向GPS发送一个同步信号,并在原始数据中存储该同步信号的序列号,GPS接收到该同步信号后,存储该同步信号的精确时间 (精确到100ns)和序列号。

5.近景摄影测量

在摄影测量中“近景”一般指在100m以内的摄影距离。其方法是通过从不同方向拍摄的、具有一定重叠度的、同一地物的多幅影像,恢复摄影物体的三维模型。在近景摄影测量中相对于控制点的绝对定向并不起主要的作用,最重要的是测求物体表面上点间的相对位置,以所需要的精度确定其大小、形状和体积。近景摄影测量具有较高的精度,一般采用交向摄影,由不同的角度和方向摄取地物的多幅影像实现整个物体表面的立体覆盖。

近景摄影测量包括近景摄影和图像处理两个过程。近景摄影一般使用量测摄影机,它是框标、内方位元素已知并且物镜畸变小的专用仪器,有的还备有外部定向、同步摄影、连续摄影等设备。也可以使用非量测摄影机,如电影摄影机、高速摄影机、全息摄影机、显微摄影机、数字摄影机、X射线摄影机等。图像处理同通常的摄影测量类似,分为模拟法和解析法,可以获得平面图、立体图、断面图、透视图、等值线图以及包括物点坐标在内的多种物理参数。近景摄影测量在经济建设、国防建设和科学研究中有广泛的用途,特别适用于重要工程的变形和自动生产线的监测,弹体运动轨迹、炮口冲击波等不可接触物体的量测等。

由于近景摄影测量的高精度需要以大量物点的观测为前提,在空中三角测量时,一般每个模型只观测6个点;而在近景摄影测量中常常需要观测几百个点。因此近景摄影测量一般应用于单个地物的三维数据获取,尤其是复杂地物特征。古迹维护、数字遗产构建是目前近景摄影测量在三维建模领域应用的重要方向。

6.车载移动测绘系统

车载移动测绘系统是一个基于多传感器与多技术集成的综合系统。传感器按作用可分为绝对定位传感器、相对定位传感器和属性采集传感器,其中绝对定位传感器包括依赖于外部环境的外部定位传感器 (GPS、无线电导航、罗兰-C等)和自包含内部定位传感器 (INS、DR、陀螺仪、加速计、罗盘等);相对定位传感器包括被动成像传感器(视频摄像机、数字摄像机等)和主动成像传感器(激光测距仪、雷达等);属性采集传感器包括被动成像传感器(视频/数字摄像机、多光谱扫描仪等)和主动成像传感器(激光测距仪、激光扫描仪等)。目前已有学者研究出实验系统。武汉大学的李德仁院士建立了一套以GPS、电子罗盘和车轮计数进行定位,以双CCD摄像机和激光测距仪实现地物测绘,以视频录像和数字录音完成属性采集的车载测绘系统,可用于车辆导航、公路及铁路等道路网测绘、建筑物测绘、机动交通监测等多种领域,其量测流程如图1.4所示。

移动测绘系统量测流程

图1.4移动测绘系统量测流程

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