無(wú)人機(jī)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量與激光雷達(dá)在地形地貌與地表覆蓋研究中的應(yīng)用及比較

朱佑平

云南省設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，云南 昆明 650000

1 無(wú)人機(jī)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量

無(wú)人機(jī)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)是采用航測(cè)的方式獲取地物位置，航測(cè)系統(tǒng)包括多種類(lèi)型的傳感器，可以獲取更加全面的地表信息。在采集數(shù)據(jù)的過(guò)程中，無(wú)人機(jī)會(huì)在GPS的引導(dǎo)下自動(dòng)拍攝，結(jié)合空間位置的需要完成姿態(tài)角度的調(diào)整。無(wú)人機(jī)攝影的航向重疊度和旁向重疊度可以高于60%以上，由于借助多角度傳感器，此技術(shù)的應(yīng)用不會(huì)受到地表建筑與復(fù)雜地形的限制，航測(cè)系統(tǒng)可以低空飛行，能高效率地獲取地面多角度影像。無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量擁有廣闊的應(yīng)用前景，與航空、航天遙感相比，無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量體現(xiàn)出低成本優(yōu)勢(shì)。無(wú)人機(jī)生產(chǎn)與后期維護(hù)成本較低，人員培訓(xùn)費(fèi)用支出較低，執(zhí)行測(cè)量任務(wù)成本較低。無(wú)人機(jī)具有靈活快速的特點(diǎn)，起降空間較小，不需特定場(chǎng)地，升空時(shí)間短，易于操作，能迅速實(shí)現(xiàn)攝影測(cè)量。無(wú)人機(jī)可以在云下飛行，搭載高精度航拍設(shè)備，獲得影像能達(dá)到分米級(jí)，可以運(yùn)用于高精度測(cè)量。此外，無(wú)人機(jī)能實(shí)現(xiàn)傾斜攝影，可以從不同角度獲取到被測(cè)物的影像信息，能效彌補(bǔ)傳統(tǒng)航空攝影的遮擋問(wèn)題。

2 激光雷達(dá)

激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)包括硬件和軟件。硬件部分有激光掃描器、傳感器、數(shù)據(jù)傳輸裝置等。軟件部分包括數(shù)據(jù)的采集、通信處理、三維重建、可視化處理等。激光雷達(dá)測(cè)量可以依據(jù)不同領(lǐng)域搭設(shè)不同的軟件模塊，如工程管理、三維顯示模塊等。激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)處理是核心部分，其功能是對(duì)數(shù)據(jù)的預(yù)先處理計(jì)算，對(duì)三維信息進(jìn)行分析等。數(shù)據(jù)的采集借助計(jì)算機(jī)與激光掃描之間的通信，以及計(jì)算機(jī)與傳感器之間的數(shù)據(jù)分析等。三維現(xiàn)實(shí)模塊可以生成可視化的場(chǎng)景，包含數(shù)據(jù)的輸入與模型的建設(shè)等內(nèi)容。激光雷達(dá)掃描器可以對(duì)物體表面進(jìn)行測(cè)量，發(fā)出接收信號(hào)，并借助相關(guān)軟件，獲取表面三維坐標(biāo)，完成立體模型的建設(shè)。

3 無(wú)人機(jī)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量與激光雷達(dá)對(duì)比

3.1 數(shù)據(jù)的獲取方法

（1）采集設(shè)備。數(shù)字航空攝影與激光雷達(dá)實(shí)時(shí)測(cè)量都需要搭載多種平臺(tái)。但是攝影測(cè)量的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在影像采集設(shè)備小巧輕便。比如借助一架無(wú)人機(jī)與高像素?cái)?shù)碼相機(jī)就可以完成航測(cè)，但是其總重量?jī)H為2kg，而機(jī)載激光雷達(dá)掃描要完成測(cè)量需要借助動(dòng)態(tài)差分GPS接收機(jī)、測(cè)距系統(tǒng)、姿態(tài)測(cè)量、激光掃描、信號(hào)接收與發(fā)送等多個(gè)裝置，總重量可達(dá)到5kg以上。

（2）數(shù)據(jù)處理。在測(cè)量過(guò)程中，激光雷達(dá)可以直接獲得地表數(shù)據(jù)，借助軟件劃分地表點(diǎn)和非地表點(diǎn)，以獲得高分辨率的地面圖形。數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量基于空間坐標(biāo)，可以多角度、多位置獲得影像，以便于在空間點(diǎn)位置實(shí)施解算和提取，最后生成點(diǎn)云，通過(guò)三維模型表達(dá)結(jié)果。當(dāng)前攝影測(cè)量三維建模軟件具有更加強(qiáng)大的功能，與傳統(tǒng)的立體攝影測(cè)量相比，具有更高的效率。數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量針對(duì)重疊影像的拼接要考慮到影像中地物的反射特性，還要結(jié)合幾何形狀找到相關(guān)點(diǎn)，借助區(qū)域匹配完成影像拼接。區(qū)域匹配是借助影像像元的對(duì)比來(lái)確定最有效的匹配影像。匹配方法的選擇要考慮到地物實(shí)體對(duì)象的特點(diǎn)。在影像拼接中，對(duì)于參數(shù)的選擇還要考慮到立體匹配、分辨率及入射角，以保證測(cè)量精度和分辨率。

（3）分辨率。對(duì)于航線的設(shè)定，無(wú)人機(jī)在沿航線方向有更寬的割幅和重疊區(qū)，在后續(xù)的影像拼接過(guò)程中可以提供豐富的數(shù)據(jù)冗余，以保證計(jì)算結(jié)果。激光雷達(dá)的應(yīng)用會(huì)受到掃描儀性能的影響，如針對(duì)陡峭地形的觀測(cè)，會(huì)受到能量強(qiáng)度不足的限制。無(wú)人機(jī)由于可以飛得更高、更快，因此能拍攝更大的范圍，以保證重疊區(qū)域。數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量是基于影像建模，分辨率會(huì)受到光照條件的影響，而激光雷達(dá)可以不受天氣條件的影響。

3.2 優(yōu)勢(shì)對(duì)比

在地形地貌研究中，數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量與激光雷達(dá)技術(shù)可以互補(bǔ)。在選擇測(cè)量技術(shù)時(shí)，要結(jié)合實(shí)際加以分析，以保證可以快速響應(yīng)、快速出圖，最終保證測(cè)量的高精度。數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量可以借助算法獲得地表數(shù)字模型，測(cè)量精度可以達(dá)到激光雷達(dá)的水平。測(cè)量中要合理布設(shè)地面控制點(diǎn)，通過(guò)兩種技術(shù)的組合，可以進(jìn)一步提高測(cè)量精度。如果區(qū)域內(nèi)的地形變化較小，激光雷達(dá)的應(yīng)用可以獲取高精度地形，然后進(jìn)行多期航測(cè)，以獲取不同條件下的地表信息，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)低成本、長(zhǎng)序列、多期間的觀測(cè)。

攝影測(cè)量的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在操作簡(jiǎn)單，具有成本優(yōu)勢(shì)。要完成大范圍的高精度測(cè)量，需要有地面控制點(diǎn)，可以架設(shè)差分GPS，采用長(zhǎng)續(xù)航無(wú)人機(jī)完成。當(dāng)前攝影測(cè)量技術(shù)由于性能的限制還難以完全取代激光雷達(dá)。攝影測(cè)量?jī)H可獲得地表模型，而激光雷達(dá)能區(qū)分地面點(diǎn)和非地面點(diǎn)，因此能獲得多樣化的數(shù)據(jù)，包括地表模型、高程模型、地形模型、高度模型等。激光雷達(dá)體現(xiàn)出更強(qiáng)的適應(yīng)性，可以在弱光條件下完成數(shù)據(jù)采集，應(yīng)用中不會(huì)受到地物色彩、形成的影響。

3.3 實(shí)際應(yīng)用對(duì)比

（1）林業(yè)資源勘察。在林業(yè)資源勘察中，可以發(fā)揮測(cè)量技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量與激光雷達(dá)技術(shù)相比，空間點(diǎn)云精度不會(huì)存在太大的差距，可以達(dá)到0.5m×0.5m以上的空間分辨率。數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量通過(guò)影像提取點(diǎn)云，激光雷達(dá)直接獲取空間點(diǎn)云。利用這兩種測(cè)量方法都可以獲得森林樹(shù)冠高度模型，對(duì)比樹(shù)冠點(diǎn)云模型，相關(guān)性可以達(dá)到0.9以上。在林業(yè)生態(tài)的多層次對(duì)比研究中發(fā)現(xiàn)，無(wú)人機(jī)遙感可以彌補(bǔ)地面監(jiān)測(cè)與遙感間存在的尺度空缺，因此有利于提高地面監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，可有效滿(mǎn)足區(qū)域尺度的決策分析要求。

（2）地形地貌。在地形地貌變化分析中，當(dāng)前已廣泛應(yīng)用激光雷達(dá)技術(shù)和數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)。特別是針對(duì)土壤侵蝕、冰川研究，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，已成為連接地基地形地貌與衛(wèi)星遙感的紐帶。有學(xué)者借助激光雷達(dá)掃描與攝影測(cè)量研究地面溝道侵蝕，研究表明利用激光雷達(dá)獲取的地表量化結(jié)果更加精細(xì)。在攝影測(cè)量中，基于運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)重建是研究地形變化的主要手段。比如可以利用數(shù)字航空攝影研究山坡溝道形態(tài)，借助軟件處理航拍的影像，建立模型，影像作為“貼圖”附于模型上可以重建出溝道形態(tài)。有試驗(yàn)將攝影測(cè)量獲得的溝道進(jìn)行地形數(shù)據(jù)的對(duì)比，并借助地基激光掃描加以驗(yàn)證，結(jié)果表明攝影測(cè)量成像能對(duì)激光掃描結(jié)果加以補(bǔ)充。但是在冰川測(cè)量中，攝影測(cè)量難以達(dá)到理想效果，這是由于白雪的反射作用，拍攝時(shí)無(wú)法獲取特征點(diǎn)。數(shù)字?jǐn)z影在雪被區(qū)的測(cè)量難以實(shí)現(xiàn)，而激光雷達(dá)可以穿透一定厚度的雪被，獲取雪被與地表信息，因而能獲得雪被區(qū)地形。

（3）災(zāi)害防控。2008年汶川發(fā)生地震后，武漢大學(xué)開(kāi)發(fā)的全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)在抗震救災(zāi)中得以應(yīng)用，可以對(duì)航空影像數(shù)據(jù)實(shí)施快速處理，在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)災(zāi)區(qū)方面發(fā)揮了重要的作用。有研究者借助無(wú)人機(jī)攝影技術(shù)調(diào)查了甘肅地區(qū)黃土滑坡問(wèn)題，并結(jié)合歷史數(shù)據(jù)對(duì)比分析了滑坡前后的正射影像，并以此為基礎(chǔ)分析了黃土滑坡的原因。由于數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)日漸成熟，傳統(tǒng)的地質(zhì)調(diào)查得到了擴(kuò)展與補(bǔ)充，不僅可以提升效率，還可以提高地質(zhì)調(diào)查的精度，原本一些受條件影響幾乎無(wú)法獲得數(shù)據(jù)的地區(qū)的地質(zhì)調(diào)查變?yōu)榭赡堋o(wú)人機(jī)可以應(yīng)對(duì)地形險(xiǎn)峻、環(huán)境惡劣條件下的病害巡查，能實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害的精細(xì)調(diào)查。當(dāng)前，攝影測(cè)量在向著信息化與智能化的方向發(fā)展，特別是攝影測(cè)量傳感器的應(yīng)用，推動(dòng)了攝影測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，攝影測(cè)量服務(wù)范圍得到擴(kuò)展。影像高重疊度成為攝影信息化的重要標(biāo)志。

4 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前，出現(xiàn)了許多的新型測(cè)量方法，其中無(wú)人機(jī)數(shù)字?jǐn)z影與激光雷達(dá)各具有優(yōu)勢(shì)，在開(kāi)展地形地貌與地表覆蓋研究時(shí)，測(cè)量人員要結(jié)合實(shí)際情況加以選擇，以發(fā)揮不同測(cè)量技術(shù)的作用，更加高效地完成測(cè)量任務(wù)，獲取精確度更高的測(cè)量結(jié)果。