人工建模，倾斜摄影和激光雷达的原理及优缺点
1.1 人工建模
通常利用 GNSS-RTK 或全站仪获取测量数据，在此基础上利用 3DSMax、Skyline、Sketch Up等传统的三维建模软件人工建模。这种方法是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。这样操作工作量大，费时费力，生产成本高，效率低下。
1.2 传统遥感技术、卫星和航空摄影测量技术
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。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。但是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。
上述两种三维建模技术存在低效率、高成本、纹理数据不足，数据处理复杂等问题。已不能满足当前输电线路走廊三维建模的的要求。倾斜摄影测量和激光雷达测量新的勘测技术的出现，满足了输变电三维建模的勘测技术需求。
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。
2.1 倾斜摄影测量原理
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 1-3），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
图3 倾斜摄影获取1个垂直4个倾斜影像
2.2 倾斜摄影测量优点
某输电线路工程采用旋翼无人机搭载 5 镜头倾斜相机，在 120 m飞行高度采集并自动完成建模的输电线路走廊实景三维模型。由于倾斜摄影数据采集需要航带重叠（60%~80%），需要多次飞行才能获取电力走廊三维数据，因此采集效率稍低。
正射影像（DOM）具有精度高、信息丰富、直观逼真、获取快捷等优点，如图 4。正摄影像图只是俯视图，没有立体信息，不能实时调整观察者视觉方向，不符合人眼实地观察的感觉。
图4 某地正摄影像图
图5 某地倾斜摄影测量成果
图 5、图 6为某地倾斜摄影测量三维模型，图中的地貌地物，房屋、道路，山头，水塘等大场景物体建模效果非常好，如同观察者在实地的感觉一样，且视角可以随意调整。
图6 倾斜摄影测量局部放大两个视角
倾斜摄影测量优点有：
1）建模效果好，倾斜影像能让人从多个方向观察地物，弥补了正射影像不足。
2）可对成果影像进行包括高度、长度、面积、角度、坡度等的量测，这是正射影像图所没有的。
3）比地面
高的物体立面纹理采集，从倾斜影像批量提取及贴纹理的方式，能够有效的降低城市三维建模成本。
4）数据量小，相较庞大激光点云的三维数据，应用倾斜摄影技术获取的影像的数据量要小得多，其影像的数据格式可以应用于各种输电线路三维设计平台。
2.3 倾斜摄影测量缺点
倾斜摄影测量是获取输电线路三维设计平台基础数据的主要勘测方法，由于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。更多干货敬请关注：GIS前沿 但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7 某变电站倾斜摄影测量成果
图 7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。
3.1 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8所示。
图8 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。
3.2 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，见图9，该设备由激光测高仪、GPS定位装置、IMU（惯性制导仪）和高分辨率数码照相机组成，实现对目标物的同步测量。更多干货敬请关注：GIS前沿 它能为测绘工程、数字地图和GIS应用快速提供精确的空间坐标信息和三维模型信息。非常输电线路走廊的三维建模测量。
图9 机载激光雷达和地面三维激光扫描仪
地面三维激光扫描仪可用于电网规划、为电力线路优化、设计施工提供数据支持与指导、还可以用于电力线预警监测等。由于在地面架设，适合小面积范围的测量工作，如变电站，已建线路净空测量，检验线路放线弧垂等。
3.3 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。
某测绘局对约 1 km2测区获取的激光点云数据，共采用 77个外业点对其进行检查，精度结果如下：最大值：0.157 m，最小值：-0.168 m，平均值：-0.015 m，中误差：0.075 m，测量精度完全满足电力勘测规程。见图10、图11。
图10 带状激光点云图
图11 激光雷达穿透植被影像图
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。
作者：杜永亮，吕杰部分内容有所删减，版权归原作者所有。本文仅供学习参考如有侵权请联系删除
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