无人机数字摄影测量与激光雷达在地形地貌与地表覆盖研究中的应用及比较

朱佑平

云南省设计院集团有限公司，云南 昆明 650000

1 无人机数字摄影测量

无人机数字摄影测量技术是采用航测的方式获取地物位置，航测系统包括多种类型的传感器，可以获取更加全面的地表信息。在采集数据的过程中，无人机会在GPS的引导下自动拍摄，结合空间位置的需要完成姿态角度的调整。无人机摄影的航向重叠度和旁向重叠度可以高于60%以上，由于借助多角度传感器，此技术的应用不会受到地表建筑与复杂地形的限制，航测系统可以低空飞行，能高效率地获取地面多角度影像。无人机摄影测量拥有广阔的应用前景，与航空、航天遥感相比，无人机摄影测量体现出低成本优势。无人机生产与后期维护成本较低，人员培训费用支出较低，执行测量任务成本较低。无人机具有灵活快速的特点，起降空间较小，不需特定场地，升空时间短，易于操作，能迅速实现摄影测量。无人机可以在云下飞行，搭载高精度航拍设备，获得影像能达到分米级，可以运用于高精度测量。此外，无人机能实现倾斜摄影，可以从不同角度获取到被测物的影像信息，能效弥补传统航空摄影的遮挡问题。

2 激光雷达

激光雷达测量系统包括硬件和软件。硬件部分有激光扫描器、传感器、数据传输装置等。软件部分包括数据的采集、通信处理、三维重建、可视化处理等。激光雷达测量可以依据不同领域搭设不同的软件模块，如工程管理、三维显示模块等。激光雷达测量系统中，数据处理是核心部分，其功能是对数据的预先处理计算，对三维信息进行分析等。数据的采集借助计算机与激光扫描之间的通信，以及计算机与传感器之间的数据分析等。三维现实模块可以生成可视化的场景，包含数据的输入与模型的建设等内容。激光雷达扫描器可以对物体表面进行测量，发出接收信号，并借助相关软件，获取表面三维坐标，完成立体模型的建设。

3 无人机数字摄影测量与激光雷达对比

3.1 数据的获取方法

（1）采集设备。数字航空摄影与激光雷达实时测量都需要搭载多种平台。但是摄影测量的优势体现在影像采集设备小巧轻便。比如借助一架无人机与高像素数码相机就可以完成航测，但是其总重量仅为2kg，而机载激光雷达扫描要完成测量需要借助动态差分GPS接收机、测距系统、姿态测量、激光扫描、信号接收与发送等多个装置，总重量可达到5kg以上。

（2）数据处理。在测量过程中，激光雷达可以直接获得地表数据，借助软件划分地表点和非地表点，以获得高分辨率的地面图形。数字摄影测量基于空间坐标，可以多角度、多位置获得影像，以便于在空间点位置实施解算和提取，最后生成点云，通过三维模型表达结果。当前摄影测量三维建模软件具有更加强大的功能，与传统的立体摄影测量相比，具有更高的效率。数字摄影测量针对重叠影像的拼接要考虑到影像中地物的反射特性，还要结合几何形状找到相关点，借助区域匹配完成影像拼接。区域匹配是借助影像像元的对比来确定最有效的匹配影像。匹配方法的选择要考虑到地物实体对象的特点。在影像拼接中，对于参数的选择还要考虑到立体匹配、分辨率及入射角，以保证测量精度和分辨率。

（3）分辨率。对于航线的设定，无人机在沿航线方向有更宽的割幅和重叠区，在后续的影像拼接过程中可以提供丰富的数据冗余，以保证计算结果。激光雷达的应用会受到扫描仪性能的影响，如针对陡峭地形的观测，会受到能量强度不足的限制。无人机由于可以飞得更高、更快，因此能拍摄更大的范围，以保证重叠区域。数字摄影测量是基于影像建模，分辨率会受到光照条件的影响，而激光雷达可以不受天气条件的影响。

3.2 优势对比

在地形地貌研究中，数字摄影测量与激光雷达技术可以互补。在选择测量技术时，要结合实际加以分析，以保证可以快速响应、快速出图，最终保证测量的高精度。数字摄影测量可以借助算法获得地表数字模型，测量精度可以达到激光雷达的水平。测量中要合理布设地面控制点，通过两种技术的组合，可以进一步提高测量精度。如果区域内的地形变化较小，激光雷达的应用可以获取高精度地形，然后进行多期航测，以获取不同条件下的地表信息，进而可以实现低成本、长序列、多期间的观测。

摄影测量的优势体现在操作简单，具有成本优势。要完成大范围的高精度测量，需要有地面控制点，可以架设差分GPS，采用长续航无人机完成。当前摄影测量技术由于性能的限制还难以完全取代激光雷达。摄影测量仅可获得地表模型，而激光雷达能区分地面点和非地面点，因此能获得多样化的数据，包括地表模型、高程模型、地形模型、高度模型等。激光雷达体现出更强的适应性，可以在弱光条件下完成数据采集，应用中不会受到地物色彩、形成的影响。

3.3 实际应用对比

（1）林业资源勘察。在林业资源勘察中，可以发挥测量技术的优势。数字摄影测量与激光雷达技术相比，空间点云精度不会存在太大的差距，可以达到0.5m×0.5m以上的空间分辨率。数字摄影测量通过影像提取点云，激光雷达直接获取空间点云。利用这两种测量方法都可以获得森林树冠高度模型，对比树冠点云模型，相关性可以达到0.9以上。在林业生态的多层次对比研究中发现，无人机遥感可以弥补地面监测与遥感间存在的尺度空缺，因此有利于提高地面监测结果的准确性，可有效满足区域尺度的决策分析要求。

（2）地形地貌。在地形地貌变化分析中，当前已广泛应用激光雷达技术和数字摄影测量技术。特别是针对土壤侵蚀、冰川研究，应用范围不断扩大，已成为连接地基地形地貌与卫星遥感的纽带。有学者借助激光雷达扫描与摄影测量研究地面沟道侵蚀，研究表明利用激光雷达获取的地表量化结果更加精细。在摄影测量中，基于运动结构重建是研究地形变化的主要手段。比如可以利用数字航空摄影研究山坡沟道形态，借助软件处理航拍的影像，建立模型，影像作为“贴图”附于模型上可以重建出沟道形态。有试验将摄影测量获得的沟道进行地形数据的对比，并借助地基激光扫描加以验证，结果表明摄影测量成像能对激光扫描结果加以补充。但是在冰川测量中，摄影测量难以达到理想效果，这是由于白雪的反射作用，拍摄时无法获取特征点。数字摄影在雪被区的测量难以实现，而激光雷达可以穿透一定厚度的雪被，获取雪被与地表信息，因而能获得雪被区地形。

（3）灾害防控。2008年汶川发生地震后，武汉大学开发的全数字摄影测量系统在抗震救灾中得以应用，可以对航空影像数据实施快速处理，在实时监测灾区方面发挥了重要的作用。有研究者借助无人机摄影技术调查了甘肃地区黄土滑坡问题，并结合历史数据对比分析了滑坡前后的正射影像，并以此为基础分析了黄土滑坡的原因。由于数字摄影测量技术日渐成熟，传统的地质调查得到了扩展与补充，不仅可以提升效率，还可以提高地质调查的精度，原本一些受条件影响几乎无法获得数据的地区的地质调查变为可能。无人机可以应对地形险峻、环境恶劣条件下的病害巡查，能实现地质灾害的精细调查。当前，摄影测量在向着信息化与智能化的方向发展，特别是摄影测量传感器的应用，推动了摄影测量技术的发展，摄影测量服务范围得到扩展。影像高重叠度成为摄影信息化的重要标志。

4 结束语

当前，出现了许多的新型测量方法，其中无人机数字摄影与激光雷达各具有优势，在开展地形地貌与地表覆盖研究时，测量人员要结合实际情况加以选择，以发挥不同测量技术的作用，更加高效地完成测量任务，获取精确度更高的测量结果。