實(shí)景三維數據采集裝備

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

　　衛星遙感平臺主要用于大范圍數據采集，能夠獲取地形地貌等數據，具有范圍廣更新快、可重復觀(guān)測等數據采集優(yōu)勢。近年來(lái)，隨著(zhù)衛星遙感數據的時(shí)間、空間和光譜分辨率逐步提升，衛星遙感平臺在地形級實(shí)景三維場(chǎng)景制作中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

　　航空遙感平臺主要包括大型有人機和小型無(wú)人機平臺，并根據數據需求的不同搭載多類(lèi)型的采集設備。其中，大型有人機主要用于大范圍區域數據采集，小型無(wú)人機主要用于小區域和飛行困難區域數據采集，或作為有人機數據采集的補充，兩者各有優(yōu)劣。地面平臺主要通過(guò)車(chē)載、背包、手持等方式，集激光雷達、光學(xué)相機、定姿定位系統等于一體，利用移動(dòng)測量技術(shù)，獲取建筑、交通、地下管線(xiàn)等對象的高精度實(shí)景三維數據。

　　1.衛星遙感平臺與數據采集裝備

　　衛星遙感平臺是指在一定高度的對地觀(guān)測人造地球衛星上安裝各種遙感儀器,即據采集裝備，主要有全色、多光譜、高光譜相機、合成孔徑雷達(synthetic aperture radar，SAR)，以及一些具備立體測繪能力的相機等。

不同衛星根據設計及用途搭載不同的傳感器，主要包括光學(xué)遙感衛星、SAR 衛星以及一些具有立體測繪模式的衛星等，這些衛星的傳感器參數見(jiàn)表 2-1。

表 2-1 光學(xué)、SAR、立體測繪衛星的傳感器參數

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

　　SAR 衛星主要有高分三號、海絲一號、齊魯一號等。SAR 具備全天時(shí)、全天候.全球覆蓋的觀(guān)測特性以及一定的穿透能力，結合合成孔徑雷達于涉測量 (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)足地形級實(shí)景三維構建需求。

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

目前，我國衛星遙感平臺形成高軌到低軌全面覆蓋、大衛星與小衛星相互協(xié)同態(tài)勢組成系列衛星星座，通過(guò)搭載不同類(lèi)型傳感器，提供不同分辨率、不同角度、全方位全天候的對地觀(guān)測數據，進(jìn)一步支撐大范圍地形實(shí)景三維數據的獲取。

　　2. 航空遙感平臺與數據采集設備

航空遙感平臺一般是指高度在 80km 以下的遙感平臺，根據飛機載人與否，可以將航空遙感平臺分為有人機航空遙感與無(wú)人機航空遙感，這兩種航空遙感平臺各有優(yōu)劣,根據航空遙感平臺不同，搭載的數據采集裝備也有所區別。

圖 2-1 典型的航空遙感平臺及數據采集設備

　　有人機航空遙感一般采用大飛機搭載大型量測相機或激光雷達的方式進(jìn)行數據采集，能夠執行較高航高的長(cháng)時(shí)間飛行。其承載能力較強，可以搭載例如 PAN-U5、SWDC-5 等傾斜航攝儀、RIEGLVQ-780I-S 機載激光掃描儀等大型設備，從而獲取大畫(huà)幅、高精度的影像或激光點(diǎn)云數據，在大面積區域的數據獲取具有較大優(yōu)勢。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.成本相對高昂，航高較高，數據獲取效率易受霧霾、云層等天氣的影響。常見(jiàn)用于航空遙感的有人機有塞斯納 208B、PC-6 等載人飛機。

無(wú)人機航空遙感一般搭載小型輕量級的傾斜相機或激光雷達進(jìn)行實(shí)景三維數據采集。由于無(wú)人機小巧、輕便，在小面積區域工作有較大優(yōu)勢，成本相對低廉;由于相幅小，在大面積區域，獲取的影像數量較多，對處理技術(shù)有較大的挑戰；另外，由于飛行航高較低，在城市的密集高樓區域難以開(kāi)展一般航飛，需要設計航線(xiàn)考慮避免更多危險因素。無(wú)人機主要分為三大類(lèi)，一是固定翼無(wú)人機，其飛行原理與飛機相似，具備飛行速度快、運載能力強、續航時(shí)間長(cháng)、飛行穩定等優(yōu)點(diǎn)，起飛降落通常需要跑道輔助；二是多旋翼無(wú)人機，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，結合了上述兩類(lèi)無(wú)人機的優(yōu)勢，例如成都縱橫CW-15、飛馬V-10等。

　　3.地面數據采集設備

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

圖 2-2地面數據收集

　　我國地面數據采集設備近年取得較大突破，滿(mǎn)足各項工作需求。例如立得空間設計的三維全景激光背包俠將多線(xiàn)激光雷達、全景相機、慣導設備、同步控制器等集成于體，以移動(dòng)測量技術(shù)系統為基礎，能夠針對室內、室外或地下場(chǎng)景進(jìn)行三維激光全景數據的采集，同時(shí)采用 3D-SLAM 技術(shù)解決室內定位的問(wèn)題。該設備具有采集效率高、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，可廣泛應用于商場(chǎng)、變電站、地鐵、隧道、礦洞等各類(lèi)場(chǎng)景的數據獲取;中海達的 iRTK-10 機身輕巧，方便快速測量，搜索解算衛星高達 50 余顆，同時(shí)支持單北斗解算，信號接收靈敏且抗干擾能力強，采用新型慣導設備，內置全國連續運行衛星定位服務(wù)系統 (continuously operating reference stations，CORS)服務(wù)，將實(shí)時(shí)差分定位(real-time kinematic，RTK技術(shù)與近景攝影測量技術(shù)相結合，能夠在地面采集影像同時(shí)獲取相機位置、姿態(tài)信息在地面拍攝的位置、角度與航測視角天然互補，用于“空天地”一體化影像數據采集可以有效補充建筑物局部細節、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)人機等航空遙感平臺由于視角有限或飛行困難，導致的房檐下以及被遮擋物體等區域建模后扭曲、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)與航空攝影結合的方式，形成的實(shí)景三維數據具有較高的精細度和還原度，可以構建高精度部件級三維模型。