目前在數(shù)字城市中，常用的三維建模技術(shù)可分為點(diǎn)云三維建模、航測(cè)法三維建模、地形圖精細(xì)三維建模。涉及到的關(guān)鍵技術(shù)包括星載、機(jī)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(xì)建模技術(shù)和移動(dòng)測(cè)量技術(shù)。本章將具體展開(kāi)介紹。

機(jī)載LiDAR

1LiDAR技術(shù)概述

LiDAR（Light Detection And Ranging），直譯為激光探測(cè)與測(cè)量，俗稱激光雷達(dá)，該技術(shù)集成激光測(cè)距技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、慣性測(cè)量單元（IMU） /DGPS差分定位技術(shù)于一體，通過(guò)激光回波原理探測(cè)地表三維信息，為獲取高時(shí)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(diǎn)：
（1）點(diǎn)云密度高、植被穿透能力強(qiáng)、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(diǎn)采集間隔，目前新型LiDAR設(shè)備激光點(diǎn)采集間距可以達(dá)到0.15m甚至更小。LiDAR數(shù)據(jù)采集密度極大，有利于真實(shí)地面高程模型的模擬，此外由于激光探測(cè)具有多次回波的特性，激光脈沖在穿越植被空隙時(shí)，可返回樹(shù)冠、樹(shù)枝、地面等多個(gè)高程數(shù)據(jù)，從而有效克服植被影響，更精確探測(cè)地面真實(shí)地形，利用獲取的高密度、高精度的點(diǎn)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(diǎn)云精度高、野外控制少、不受陰影和太陽(yáng)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(cè)量系統(tǒng)，采集的每個(gè)激光點(diǎn)都帶有真實(shí)的三維坐標(biāo)信息，即使在沒(méi)有地面控制點(diǎn)的情況下，也能達(dá)到較高的定位精度。同時(shí)LiDAR技術(shù)以主動(dòng)測(cè)量方式，不依賴自然光，因而LiDAR不受太陽(yáng)高度角以及傳統(tǒng)航測(cè)方式無(wú)能為力的陰影地區(qū)影響。

正因?yàn)樯鲜鎏攸c(diǎn)，LiDAR技術(shù)使人們從傳統(tǒng)的單點(diǎn)數(shù)據(jù)獲取進(jìn)入到連續(xù)自動(dòng)數(shù)據(jù)獲取，不但提高了區(qū)域觀測(cè)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(qiáng)了對(duì)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(jià)值。

2LiDAR技術(shù)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及趨勢(shì)

目前LiDAR應(yīng)用主要集中在機(jī)載LiDAR上，機(jī)載LiDAR是一種安裝在航空飛行器（飛機(jī)、飛艇）上的機(jī)載激光探測(cè)和測(cè)距系統(tǒng)，作為一種主動(dòng)式對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)，于九十年代初首先在西方國(guó)家發(fā)展起來(lái)并投入商業(yè)化應(yīng)用。截至2001年7月全球約有75個(gè)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(guó)IGI公司的LiteMapper、法國(guó)TopoSys公司的FalconⅡ等是當(dāng)前較成熟的商業(yè)系統(tǒng)。LiDAR技術(shù)在國(guó)外的發(fā)展和應(yīng)用已有十幾年的歷史，我國(guó)在這方面的研究和應(yīng)用還只是剛剛起步。在國(guó)家863計(jì)劃的支持下，中國(guó)科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所等研究的機(jī)載三維成像系統(tǒng)于1996年完成了第一臺(tái)線掃描原理樣機(jī)的研制，該系統(tǒng)有別于目前國(guó)際上流行的機(jī)載LiDAR系統(tǒng)，它將激光測(cè)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(cè)距點(diǎn)和圖像上的像元點(diǎn)嚴(yán)格匹配，即在獲取地面點(diǎn)的圖像同時(shí)還獲取該點(diǎn)到成像儀的激光距離值。針對(duì)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(jī)載LiDAR技術(shù)廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)測(cè)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(cè)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(lái)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(jìn)行處理三維坐標(biāo)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(cè)距數(shù)據(jù)，根據(jù)激光點(diǎn)的坐標(biāo)、光強(qiáng)等信息將大量激光掃描測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，并利用鼠標(biāo)編輯圖形，從不同角度觀察圖形。TerraModeler軟件是用來(lái)生成和處理各種表面的，可用來(lái)計(jì)算體積、面積，生成等高線、輪廓線，洪水淹沒(méi)計(jì)算。TerraPhoto軟件是用來(lái)處理原始數(shù)碼航空影像的，將飛機(jī)的飛行數(shù)據(jù)文件（包括飛機(jī)位置、姿態(tài)、拍攝時(shí)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(jìn)行全自動(dòng)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(jī)載LiDAR點(diǎn)云可獲取DSM、點(diǎn)云密度大、精度高，非常適合構(gòu)筑物三維建模，同時(shí)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(wú)縫相接。

植被建模：LiDAR產(chǎn)品通過(guò)點(diǎn)云分類獲取植被層，可用于植被精細(xì)建模、制作植被模型。精確的植被模型可以在單個(gè)樹(shù)木分析的基礎(chǔ)上，確定單個(gè)樹(shù)高、平均樹(shù)高、木材體積、平均密度、每平均生長(zhǎng)體積。

建筑物建模：LiDAR產(chǎn)品通過(guò)點(diǎn)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(shí)際場(chǎng)景。
（2）模型分析

線路及通道工程設(shè)計(jì)：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(kāi)方量的評(píng)估、植被和地物凈空的決定，并可利用模型數(shù)據(jù)評(píng)估高速公路的質(zhì)量、展示重要細(xì)節(jié)以計(jì)劃重建和修復(fù)任務(wù)，與設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較。

電力線路設(shè)計(jì)：LiDAR模型產(chǎn)品可為電力線路運(yùn)行管理提供準(zhǔn)實(shí)時(shí)高精度的三維數(shù)據(jù)，為電力線路設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)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(cè)量線路走廊內(nèi)危險(xiǎn)點(diǎn)的距離。

災(zāi)害模擬和評(píng)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(hù)、獲得排水路線、堤防的監(jiān)控、洪水流向的模擬、對(duì)災(zāi)害進(jìn)行計(jì)劃預(yù)防、水壓和水文測(cè)量，通過(guò)DEM精細(xì)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(cè)邊坡位移、形變量，檢測(cè)災(zāi)害點(diǎn)邊坡健康狀況，以及潛在滑坡區(qū)域受損后的風(fēng)險(xiǎn)性和形變發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)已滑坡地段其受損后的形變發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，指導(dǎo)災(zāi)后恢復(fù)、重建的規(guī)劃、滑坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等。


1.傾斜攝影技術(shù)概述

近年來(lái)，國(guó)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(lái)，發(fā)展了一種稱為機(jī)載多角度傾斜攝影的高新技術(shù)，簡(jiǎn)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(guò)在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器，同時(shí)從多個(gè)不同的角度采集影像。由此獲得的傾斜影像不僅能夠真實(shí)地反映地物情況，而且還能利用先進(jìn)的定位技術(shù)，嵌入精確的地理信息。傾斜攝影技術(shù)彌補(bǔ)了正射影像的不足，通過(guò)整合POS、DSM及矢量等數(shù)據(jù)，進(jìn)行基于影像的各種三維測(cè)量，同時(shí)基于人眼視覺(jué)適合于觀察傾斜透視像片的特點(diǎn)，傾斜影像測(cè)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(jī)載多角度傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)是新一代攝影測(cè)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(gè)數(shù)碼相機(jī)組成，包括1個(gè)垂直攝影相機(jī)和4個(gè)傾斜攝影相機(jī)，系統(tǒng)還可將攝影相機(jī)與機(jī)載GPS接收機(jī)、高精度IMU進(jìn)行高度集成。攝影相機(jī)用來(lái)提供影像信息，而GPS、IMU則分別提供位置和狀態(tài)信息。通過(guò)進(jìn)行傾斜攝影空中三角測(cè)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(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及趨勢(shì)

國(guó)外方面，在20世紀(jì)90年代就開(kāi)始了對(duì)傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)的研究，目前該技術(shù)正成為研究的熱點(diǎn)和市場(chǎng)的應(yīng)用方向。國(guó)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(cè)圖和監(jiān)察，馬耳他十字形布局用于可視化、測(cè)圖和解譯。美國(guó)Pictometry公司是世界上最早研究?jī)A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(diǎn)對(duì)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(guó)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(jìn)微軟公司開(kāi)發(fā)的BinMAPS之中。在歐洲市場(chǎng)，2005年，歐洲的Blom Group（布姆集團(tuán)）與Pictometry公司簽署了一份獨(dú)家協(xié)議，利用Pictometry公司系統(tǒng)進(jìn)行12個(gè)國(guó)家的傾斜攝影應(yīng)用。該項(xiàng)目覆蓋西歐人口超過(guò)5萬(wàn)的所有城鎮(zhèn)、80％的人口、大約1000個(gè)城市。Pictometry公司的歐洲項(xiàng)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(guó)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(gè)相機(jī)組成（一個(gè)垂直和兩個(gè)傾斜相機(jī)）的航空傾斜攝影系統(tǒng)，并在相機(jī)幾何和數(shù)據(jù)處理方面展開(kāi)了深入研究。國(guó)內(nèi)方面，國(guó)內(nèi)測(cè)繪行業(yè)在2010年首次引進(jìn)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(guò)同一飛行平臺(tái)、5 個(gè)視角對(duì)地進(jìn)行拍攝，該系統(tǒng)已成功地應(yīng)用到平頂山試驗(yàn)中，成為國(guó)內(nèi)的航空傾斜攝影相機(jī)的一大突破。

3.在數(shù)字城市中的應(yīng)用

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是國(guó)際測(cè)繪領(lǐng)域近年來(lái)倡導(dǎo)使用的一項(xiàng)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(guò)在同一飛行器上搭載多臺(tái)傳感器，同時(shí)從一個(gè)正射、四個(gè)傾斜等五個(gè)不同的角度采集影像數(shù)據(jù)，將用戶引入一個(gè)符合人眼視覺(jué)習(xí)慣的真實(shí)且直觀的世界。相對(duì)于正射影像，傾斜影像能讓用戶從多個(gè)角度觀察被制作建筑，更加真實(shí)地反映地物的實(shí)際情況，極大地彌補(bǔ)了基于正射影像分析應(yīng)用的不足。傾斜攝影測(cè)量不僅能夠真實(shí)地反應(yīng)地物情況，而且可通過(guò)先進(jìn)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(jí)的用戶體驗(yàn)，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(jìn)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(kāi)辟攝影測(cè)量與遙感應(yīng)用的新領(lǐng)域，提高我國(guó)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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