【科普】摄影测量 VS 激光雷达测量

当我们谈论测绘技术时，或多或少会谈到摄影测量和激光雷达。实践中总有人问：这两种方法哪个更好？

在回答这个问题之前，我们先来了解这两种测绘技术的工作原理都是怎样的。

摄影测量：从拍摄的影像中提取研究对象的信息，测定目标物的形状、大小、空间位置、性质和相互作用，进而形成3D绘图。

解析摄影测量的进一步发展是数字摄影测量。具体地说，它是以立体数字影像为基础，由计算机进行影像处理和影像匹配，自动识别相应像点及坐标，运用解析摄影测量的方法确定所摄物体的三维坐标，并输出数字高程模型和正射数字影像，或图解线划等高线图和带等高线的正射影像图等地理信息。数字摄影测量处理的原始资料是数字摄影。影像分析和影像匹配是摄影处理的重要内容。

▲图 | 网络

激光雷达（Light Detection and Ranging, LiDAR）：一种集激光，全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)三种技术与一身的系统，用于获得数据并生成精确的数字高程模型（DEM）。

具体地说，它以激光作为信号源，由激光器发射出的脉冲激光，打到地面的树木、道路、桥梁和建筑物上，引起散射，一部分光波会反射到激光雷达的接收器上，根据激光测距原理计算，就得到从激光雷达到目标点的距离，脉冲激光不断地扫描目标物，就可以得到目标物上全部目标点的数据，用此数据进行成像处理后，就可得到精确的三维立体图像。 

▲图 | 网络

摄影测量从拍摄的影像中提取研究对象的信息，激光雷达通过激光脉冲发射和接收的时间差获取目标三维坐标点云，但二者的区别不只在于数据获取的方式不同，还包括其成本、精度、使用环境等。　

▲图 | 数字绿土

▲图 | 数字绿土

同一区域影像和点云对比

（左图为航空影像，右图为激光雷达点云俯视图及剖面图）

随着科学技术的进步，用无人机进行勘测作业已越来越常见，“无人机+”的方式更鲜明地凸显了二者的优缺点。

无人机+倾斜摄影测量

在摄影测量技术中，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。

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。倾斜摄影的五相机方案中（见图 1），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

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▲倾斜摄影制图 | 来自腾讯视频

2.倾斜摄影测量优点：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。
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。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 某变电站倾斜摄影测量

（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。）

无人机+激光雷达测量

1.机载激光雷达优点

无人机使用的是机载激光雷达（见图4）。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。

它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。

▲图4 机载激光雷达

▲机载激光雷达数据处理界面 | 图自瑞源遥感与地理信息 

▲机载激光雷达数据成果展示 | 图自瑞源遥感与地理信息 

▲激光雷达制图 | 来自腾讯视频

2.激光雷达缺点激光雷达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。

事实上，关于这两种方法哪个更好的问题，并没有一个正确的答案；这只不过是关于具体应用的问题而已。对于某些用例而言，使用摄影测量法更好；而对于其他应用而言，使用激光雷达技术则更佳。　
大体上来说，一般规则是，摄影测量法适用于对那些没有被树覆盖或其他障碍所阻挡的大型场所的测量；而激光雷达技术则适用于较小受阻的场所。
在以下情况下应使用摄影测量法：对裸露的矿场、地球工程项目以及其他不被树木、建筑物或设备遮挡的地方进行绘图时，而无人机更便宜、更轻、更快。将相机捆绑到您的无人机上，为您节省成本。对于一个小型地图项目而言，摄影测量数据就能满足所有需求。
在以下情况下使用激光雷达技术：在给树冠、矿场输送机以及其他障碍物进行绘图时，很难通过摄影测量技术为物体阻挡地面的区域构建高程模型。对需要更准确细节的细长物体进行建模时，如传输线、管道、具有尖锐特征的物体(比如 屋脊边缘)或岩石场等，诸如SfM算法和DIM等替代绘图方法具有比LIDAR更低的“一致性”。　　

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来源：中山大学测绘科学与技术学院

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