朱佑平

云南省設(shè)計院集團有限公司，云南 昆明 650000

1 無人機數(shù)字攝影測量

無人機數(shù)字攝影測量技術(shù)是采用航測的方式獲取地物位置，航測系統(tǒng)包括多種類型的傳感器，可以獲取更加全面的地表信息。在采集數(shù)據(jù)的過程中，無人機會在GPS的引導下自動拍攝，結(jié)合空間位置的需要完成姿態(tài)角度的調(diào)整。無人機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)用不會受到地表建筑與復雜地形的限制，航測系統(tǒng)可以低空飛行，能高效率地獲取地面多角度影像。無人機攝影測量擁有廣闊的應(yīng)用前景，與航空、航天遙感相比，無人機攝影測量體現(xiàn)出低成本優(yōu)勢。無人機生產(chǎn)與后期維護成本較低，人員培訓費用支出較低，執(zhí)行測量任務(wù)成本較低。無人機具有靈活快速的特點，起降空間較小，不需特定場地，升空時間短，易于操作，能迅速實現(xiàn)攝影測量。無人機可以在云下飛行，搭載高精度航拍設(shè)備，獲得影像能達到分米級，可以運用于高精度測量。此外，無人機能實現(xiàn)傾斜攝影，可以從不同角度獲取到被測物的影像信息，能效彌補傳統(tǒng)航空攝影的遮擋問題。

2 激光雷達

激光雷達測量系統(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。激光雷達測量可以依據(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。激光雷達測量系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)處理是核心部分，其功能是對數(shù)據(jù)的預(yù)先處理計算，對三維信息進行分析等。數(shù)據(jù)的采集借助計算機與激光掃描之間的通信，以及計算機與傳感器之間的數(shù)據(jù)分析等。三維現(xiàn)實模塊可以生成可視化的場景，包含數(shù)據(jù)的輸入與模型的建設(shè)等內(nèi)容。激光雷達掃描器可以對物體表面進行測量，發(fā)出接收信號，并借助相關(guān)軟件，獲取表面三維坐標，完成立體模型的建設(shè)。

3 無人機數(shù)字攝影測量與激光雷達對比

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實時測量都需要搭載多種平臺。但是攝影測量的優(yōu)勢體現(xiàn)在影像采集設(shè)備小巧輕便。比如借助一架無人機與高像素數(shù)碼相機就可以完成航測，但是其總重量僅為2kg，而機載激光雷達掃描要完成測量需要借助動態(tài)差分GPS接收機、測距系統(tǒng)、姿態(tài)測量、激光掃描、信號接收與發(fā)送等多個裝置，總重量可達到5kg以上。

（2）數(shù)據(jù)處理。在測量過程中，激光雷達可以直接獲得地表數(shù)據(jù)，借助軟件劃分地表點和非地表點，以獲得高分辨率的地面圖形。數(shù)字攝影測量基于空間坐標，可以多角度、多位置獲得影像，以便于在空間點位置實施解算和提取，最后生成點云，通過三維模型表達結(jié)果。當前攝影測量三維建模軟件具有更加強大的功能，與傳統(tǒng)的立體攝影測量相比，具有更高的效率。數(shù)字攝影測量針對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，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比來確定最有效的匹配影像。匹配方法的選擇要考慮到地物實體對象的特點。在影像拼接中，對于參數(shù)的選擇還要考慮到立體匹配、分辨率及入射角，以保證測量精度和分辨率。

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

3.2 優(yōu)勢對比

在地形地貌研究中，數(shù)字攝影測量與激光雷達技術(shù)可以互補。在選擇測量技術(shù)時，要結(jié)合實際加以分析，以保證可以快速響應(yīng)、快速出圖，最終保證測量的高精度。數(shù)字攝影測量可以借助算法獲得地表數(shù)字模型，測量精度可以達到激光雷達的水平。測量中要合理布設(shè)地面控制點，通過兩種技術(shù)的組合，可以進一步提高測量精度。如果區(qū)域內(nèi)的地形變化較小，激光雷達的應(yīng)用可以獲取高精度地形，然后進行多期航測，以獲取不同條件下的地表信息，進而可以實現(xiàn)低成本、長序列、多期間的觀測。

攝影測量的優(yōu)勢體現(xiàn)在操作簡單，具有成本優(yōu)勢。要完成大范圍的高精度測量，需要有地面控制點，可以架設(shè)差分GPS，采用長續(xù)航無人機完成。當前攝影測量技術(shù)由于性能的限制還難以完全取代激光雷達。攝影測量僅可獲得地表模型，而激光雷達能區(qū)分地面點和非地面點，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。激光雷達體現(xiàn)出更強的適應(yīng)性，可以在弱光條件下完成數(shù)據(jù)采集，應(yīng)用中不會受到地物色彩、形成的影響。

3.3 實際應(yīng)用對比

（1）林業(yè)資源勘察。在林業(yè)資源勘察中，可以發(fā)揮測量技術(shù)的優(yōu)勢。數(shù)字攝影測量與激光雷達技術(shù)相比，空間點云精度不會存在太大的差距，可以達到0.5m×0.5m以上的空間分辨率。數(shù)字攝影測量通過影像提取點云，激光雷達直接獲取空間點云。利用這兩種測量方法都可以獲得森林樹冠高度模型，對比樹冠點云模型，相關(guān)性可以達到0.9以上。在林業(yè)生態(tài)的多層次對比研究中發(fā)現(xiàn)，無人機遙感可以彌補地面監(jiān)測與遙感間存在的尺度空缺，因此有利于提高地面監(jiān)測結(jié)果的準確性，可有效滿足區(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，當前已廣泛應(yīng)用激光雷達技術(shù)和數(shù)字攝影測量技術(shù)。特別是針對土壤侵蝕、冰川研究，應(yīng)用范圍不斷擴大，已成為連接地基地形地貌與衛(wèi)星遙感的紐帶。有學者借助激光雷達掃描與攝影測量研究地面溝道侵蝕，研究表明利用激光雷達獲取的地表量化結(jié)果更加精細。在攝影測量中，基于運動結(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)。有試驗將攝影測量獲得的溝道進行地形數(shù)據(jù)的對比，并借助地基激光掃描加以驗證，結(jié)果表明攝影測量成像能對激光掃描結(jié)果加以補充。但是在冰川測量中，攝影測量難以達到理想效果，這是由于白雪的反射作用，拍攝時無法獲取特征點。數(shù)字攝影在雪被區(qū)的測量難以實現(xiàn)，而激光雷達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，武漢大學開發(fā)的全數(shù)字攝影測量系統(tǒng)在抗震救災(zāi)中得以應(yīng)用，可以對航空影像數(shù)據(jù)實施快速處理，在實時監(jiān)測災(zāi)區(qū)方面發(fā)揮了重要的作用。有研究者借助無人機攝影技術(shù)調(diào)查了甘肅地區(qū)黃土滑坡問題，并結(jié)合歷史數(shù)據(jù)對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)字攝影測量技術(shù)日漸成熟，傳統(tǒng)的地質(zhì)調(diào)查得到了擴展與補充，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法獲得數(shù)據(jù)的地區(qū)的地質(zhì)調(diào)查變?yōu)榭赡?。無人機可以應(yīng)對地形險峻、環(huán)境惡劣條件下的病害巡查，能實現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害的精細調(diào)查。當前，攝影測量在向著信息化與智能化的方向發(fā)展，特別是攝影測量傳感器的應(yīng)用，推動了攝影測量技術(shù)的發(fā)展，攝影測量服務(wù)范圍得到擴展。影像高重疊度成為攝影信息化的重要標志。

4 結(jié)束語

當前，出現(xiàn)了許多的新型測量方法，其中無人機數(shù)字攝影與激光雷達各具有優(yōu)勢，在開展地形地貌與地表覆蓋研究時，測量人員要結(jié)合實際情況加以選擇，以發(fā)揮不同測量技術(shù)的作用，更加高效地完成測量任務(wù)，獲取精確度更高的測量結(jié)果。