實(shí)景三維數(shù)據(jù)采集裝備

　　實(shí)景三維數(shù)據(jù)采集裝備按采集目的、對(duì)象和技術(shù)特點(diǎn)可分為衛(wèi)星遙感平臺(tái)、航空遙感平臺(tái)與地面平臺(tái)，聯(lián)合組成了多層次、立體化的實(shí)景三維數(shù)據(jù)采集體系，獲取空天地多源、多模態(tài)數(shù)據(jù)，滿(mǎn)足地形級(jí)、城市級(jí)與部件級(jí)實(shí)景三維建設(shè)的需要。

　　衛(wèi)星遙感平臺(tái)主要用于大范圍數(shù)據(jù)采集，能夠獲取地形地貌等數(shù)據(jù)，具有范圍廣更新快、可重復(fù)觀測(cè)等數(shù)據(jù)采集優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)，隨著衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的時(shí)間、空間和光譜分辨率逐步提升，衛(wèi)星遙感平臺(tái)在地形級(jí)實(shí)景三維場(chǎng)景制作中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

　　航空遙感平臺(tái)主要包括大型有人機(jī)和小型無(wú)人機(jī)平臺(tái)，并根據(jù)數(shù)據(jù)需求的不同搭載多類(lèi)型的采集設(shè)備。其中，大型有人機(jī)主要用于大范圍區(qū)域數(shù)據(jù)采集，小型無(wú)人機(jī)主要用于小區(qū)域和飛行困難區(qū)域數(shù)據(jù)采集，或作為有人機(jī)數(shù)據(jù)采集的補(bǔ)充，兩者各有優(yōu)劣。地面平臺(tái)主要通過(guò)車(chē)載、背包、手持等方式，集激光雷達(dá)、光學(xué)相機(jī)、定姿定位系統(tǒng)等于一體，利用移動(dòng)測(cè)量技術(shù)，獲取建筑、交通、地下管線(xiàn)等對(duì)象的高精度實(shí)景三維數(shù)據(jù)。

　　1.衛(wèi)星遙感平臺(tái)與數(shù)據(jù)采集裝備

　　衛(wèi)星遙感平臺(tái)是指在一定高度的對(duì)地觀測(cè)人造地球衛(wèi)星上安裝各種遙感儀器,即據(jù)采集裝備，主要有全色、多光譜、高光譜相機(jī)、合成孔徑雷達(dá)(synthetic aperture radar，SAR)，以及一些具備立體測(cè)繪能力的相機(jī)等。

不同衛(wèi)星根據(jù)設(shè)計(jì)及用途搭載不同的傳感器，主要包括光學(xué)遙感衛(wèi)星、SAR 衛(wèi)星以及一些具有立體測(cè)繪模式的衛(wèi)星等，這些衛(wèi)星的傳感器參數(shù)見(jiàn)表 2-1。

表 2-1 光學(xué)、SAR、立體測(cè)繪衛(wèi)星的傳感器參數(shù)

　　光學(xué)遙感衛(wèi)星主要有高分系列、GeoEye-1、WorldView-3 等衛(wèi)星。在實(shí)景三維數(shù)據(jù)采集中，光學(xué)遙感衛(wèi)星影像利用已有 DEM 數(shù)據(jù)，消除地形投影誤差后制作成 DOM產(chǎn)品，聯(lián)合構(gòu)建成大范圍的地形級(jí)實(shí)景三維場(chǎng)景，搭建實(shí)景三維時(shí)空底座。同時(shí)，隨著光學(xué)遙感衛(wèi)星影像空間分辨率的不斷提高，在城市級(jí)實(shí)景三維模型重建中也將發(fā)揮重要作用。

　　SAR 衛(wèi)星主要有高分三號(hào)、海絲一號(hào)、齊魯一號(hào)等。SAR 具備全天時(shí)、全天候.全球覆蓋的觀測(cè)特性以及一定的穿透能力，結(jié)合合成孔徑雷達(dá)于涉測(cè)量 (interferometric synthetic aperture radar，InSAR)技術(shù)，能夠獲取地球表面精確高程信息，主要用于生產(chǎn)高精度 DEM、DSM，滿(mǎn)足地形級(jí)實(shí)景三維構(gòu)建需求。

　　立體測(cè)繪衛(wèi)星主要有高分七號(hào)、高景一號(hào)、資源三號(hào) 02 等，采用雙線(xiàn)陣或三線(xiàn)陣測(cè)繪方式，由具有一定交會(huì)角的前視、正視和后視相機(jī)通過(guò)對(duì)同一地面不同視角的觀測(cè)形成立體影像，可以用于 DEM、DSM 和 DOM 制作。另外，立體測(cè)繪衛(wèi)星能夠獲取地形、地貌以及城市建筑的多視角影像數(shù)據(jù),在紋理映射中可以作為三維模型的立面紋理，制作更加精細(xì)的三維模型。

目前，我國(guó)衛(wèi)星遙感平臺(tái)形成高軌到低軌全面覆蓋、大衛(wèi)星與小衛(wèi)星相互協(xié)同態(tài)勢(shì)組成系列衛(wèi)星星座，通過(guò)搭載不同類(lèi)型傳感器，提供不同分辨率、不同角度、全方位全天候的對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步支撐大范圍地形實(shí)景三維數(shù)據(jù)的獲取。

　　2. 航空遙感平臺(tái)與數(shù)據(jù)采集設(shè)備

航空遙感平臺(tái)一般是指高度在 80km 以下的遙感平臺(tái)，根據(jù)飛機(jī)載人與否，可以將航空遙感平臺(tái)分為有人機(jī)航空遙感與無(wú)人機(jī)航空遙感，這兩種航空遙感平臺(tái)各有優(yōu)劣,根據(jù)航空遙感平臺(tái)不同，搭載的數(shù)據(jù)采集裝備也有所區(qū)別。

圖 2-1 典型的航空遙感平臺(tái)及數(shù)據(jù)采集設(shè)備

　　有人機(jī)航空遙感一般采用大飛機(jī)搭載大型量測(cè)相機(jī)或激光雷達(dá)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，能夠執(zhí)行較高航高的長(zhǎng)時(shí)間飛行。其承載能力較強(qiáng)，可以搭載例如 PAN-U5、SWDC-5 等傾斜航攝儀、RIEGLVQ-780I-S 機(jī)載激光掃描儀等大型設(shè)備，從而獲取大畫(huà)幅、高精度的影像或激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在大面積區(qū)域的數(shù)據(jù)獲取具有較大優(yōu)勢(shì)。同時(shí)由于其成果畸變小、畫(huà)幅大，實(shí)景三維建模難度較低、模型精度較高。其不足之處在于.成本相對(duì)高昂，航高較高，數(shù)據(jù)獲取效率易受霧霾、云層等天氣的影響。常見(jiàn)用于航空遙感的有人機(jī)有塞斯納 208B、PC-6 等載人飛機(jī)。

無(wú)人機(jī)航空遙感一般搭載小型輕量級(jí)的傾斜相機(jī)或激光雷達(dá)進(jìn)行實(shí)景三維數(shù)據(jù)采集。由于無(wú)人機(jī)小巧、輕便，在小面積區(qū)域工作有較大優(yōu)勢(shì)，成本相對(duì)低廉;由于相幅小，在大面積區(qū)域，獲取的影像數(shù)量較多，對(duì)處理技術(shù)有較大的挑戰(zhàn)；另外，由于飛行航高較低，在城市的密集高樓區(qū)域難以開(kāi)展一般航飛，需要設(shè)計(jì)航線(xiàn)考慮避免更多危險(xiǎn)因素。無(wú)人機(jī)主要分為三大類(lèi)，一是固定翼無(wú)人機(jī)，其飛行原理與飛機(jī)相似，具備飛行速度快、運(yùn)載能力強(qiáng)、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、飛行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，起飛降落通常需要跑道輔助；二是多旋翼無(wú)人機(jī)，具備操作簡(jiǎn)單、輕便、垂直起降、可懸停的優(yōu)點(diǎn)，但飛行時(shí)間較短且運(yùn)載能力較弱，常見(jiàn)的有大疆經(jīng)緯 M300、飛馬 D2000 等；三是可垂直起降的固定翼無(wú)人機(jī)，結(jié)合了上述兩類(lèi)無(wú)人機(jī)的優(yōu)勢(shì)，例如成都縱橫CW-15、飛馬V-10等。

　　3.地面數(shù)據(jù)采集設(shè)備

針對(duì)城市中復(fù)雜場(chǎng)景、室內(nèi)、地下管線(xiàn)等衛(wèi)星遙感以及航空攝影手段難以獲取數(shù)控的對(duì)象，可在地面進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，如圖 2-2 所示。實(shí)景三維地面數(shù)據(jù)采集主要有車(chē)載背包、手持等方式，通過(guò)將激光掃描儀、影像采集設(shè)備、定位定姿設(shè)備、同步控制器等多傳感器集成于一體，并根據(jù)采集需求將設(shè)備搭載在測(cè)量車(chē)上，對(duì)建筑、道路進(jìn)行高精度實(shí)景三維數(shù)據(jù)采集，或通過(guò)背包、手持的方式對(duì)室內(nèi)室外、地下管線(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

圖 2-2地面數(shù)據(jù)收集

　　我國(guó)地面數(shù)據(jù)采集設(shè)備近年取得較大突破，滿(mǎn)足各項(xiàng)工作需求。例如立得空間設(shè)計(jì)的三維全景激光背包俠將多線(xiàn)激光雷達(dá)、全景相機(jī)、慣導(dǎo)設(shè)備、同步控制器等集成于體，以移動(dòng)測(cè)量技術(shù)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，能夠針對(duì)室內(nèi)、室外或地下場(chǎng)景進(jìn)行三維激光全景數(shù)據(jù)的采集，同時(shí)采用 3D-SLAM 技術(shù)解決室內(nèi)定位的問(wèn)題。該設(shè)備具有采集效率高、速度快、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，作業(yè)過(guò)程不受階梯、路面起伏的影響，可廣泛應(yīng)用于商場(chǎng)、變電站、地鐵、隧道、礦洞等各類(lèi)場(chǎng)景的數(shù)據(jù)獲取;中海達(dá)的 iRTK-10 機(jī)身輕巧，方便快速測(cè)量，搜索解算衛(wèi)星高達(dá) 50 余顆，同時(shí)支持單北斗解算，信號(hào)接收靈敏且抗干擾能力強(qiáng)，采用新型慣導(dǎo)設(shè)備，內(nèi)置全國(guó)連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng) (continuously operating reference stations，CORS)服務(wù)，將實(shí)時(shí)差分定位(real-time kinematic，RTK技術(shù)與近景攝影測(cè)量技術(shù)相結(jié)合，能夠在地面采集影像同時(shí)獲取相機(jī)位置、姿態(tài)信息在地面拍攝的位置、角度與航測(cè)視角天然互補(bǔ)，用于“空天地”一體化影像數(shù)據(jù)采集可以有效補(bǔ)充建筑物局部細(xì)節(jié)、紋理等信息，外業(yè)操作簡(jiǎn)便、工作效率較高，相比激光掃描的方式成本更低。

　　地面采集的方式消耗大量人力，成本較高，但可以解決無(wú)人機(jī)等航空遙感平臺(tái)由于視角有限或飛行困難，導(dǎo)致的房檐下以及被遮擋物體等區(qū)域建模后扭曲、空洞、紋理缺失等問(wèn)題。采用三維激光掃描技術(shù)或地面影像 RTK 技術(shù)與航空攝影結(jié)合的方式，形成的實(shí)景三維數(shù)據(jù)具有較高的精細(xì)度和還原度，可以構(gòu)建高精度部件級(jí)三維模型。