2024-11-25

实景三维系列科普（3） | 现有哪些数据采集设备？

上一篇文章对实景三维技术框架进行了简要的概述，本期来看下实景三维模型制作的第一步：选择合适的数据采集设备。

为满足地形级、城市级与部件级实景三维建设的要求，需要多层次、立体化的实景三维数据采集体系，以获取空天地多源、多模态数据，所以实景三维数据采集装备按采集目的、对象和技术特点可分为卫星遥感平台、航空遥感平台与地面平台。

卫星遥感平台

Technical framework

卫星遥感平台在大范围数据采集方面具有显著优势，能够获取地形地貌等数据，且具有范围广、更新快、可重复观测等特点。近年来，随着卫星遥感数据的时间、空间和光谱分辨率逐步提升，卫星遥感平台在地形级实景三维场景制作中发挥越来越重要的作用。

卫星遥感平台是指在一定高度的对地观测人造地球卫星上安装各种遥感仪器，即数据采集装备，主要有全色、多光谱、高光谱相机、合成孔径雷达（synthetic aperture radar，SAR），以及一些具备立体测绘能力的相机等。

不同卫星根据设计及用途搭载不同的传感器，主要包括光学遥感卫星、SAR 卫星以及一些具有立体测绘模式的卫星等。

光学遥感卫星主要有高分系列、GeoEye-1、WorldView-3等卫星。在实景三维数据采集中，光学遥感卫星影像利用已有 DEM数据，消除地形投影误差后制作成 DOM产品，联合构建成大范围的地形级实景三维场景，搭建实景三维时空底座。

合成孔径雷达（SAR）卫星成像机理与传统光学遥感不同：它们通过对目标物发射穿透性较强的电磁波，并快速接收回波信号，同时利用多普勒效应，通过对回波数据计算实现成像。

主要有高分三号、海丝一号、齐鲁一号等。SAR 具备全天时、全天候、全球覆盖的观测特性以及一定的穿透能力，结合合成孔径雷达干涉测量（interferometricsynthetic aperture radar,InSAR）技术，能够获取地球表面精确高程信息，主要用于生产高精度 DEM、DSM，满足地形级实景三维构建需求。

立体测绘卫星主要有高分七号、高景一号、资源三号02 等，采用双线阵或三线阵测绘方式，由具有一定交会角的前视、正视和后视相机通过对同一地面不同视角的观测，形成立体影像，可以用于 DEM、DSM和DOM 制作。

立体测绘卫星能够获取地形、地貌以及城市建筑的多视角影像数据，在纹理映射中可以作为三维模型的立面纹理，制作更加精细的三维模型。

目前，我国卫星遥感平台形成高轨到低轨全面覆盖、大卫星与小卫星相互协同态势，组成系列卫星星座，通过搭载不同类型传感器，提供不同分辨率、不同角度、全方位、全天候的对地观测数据，进一步支撑大范围地形实景三维数据的获取。

航空遥感平台

Data production

航空遥感平台一般是指高度在80km 以下的遥感平台，根据飞机载人与否，可以将航空遥感平台分为有人机航空遥感与无人机航空遥感，这两种航空遥感平台各有优劣，根据航空遥感平台不同，搭载的数据采集装备也有所区别。

有人机航空遥感一般采用大飞机搭载大型量测相机或激光雷达的方式进行数据采集，能够执行较高航高的长时间飞行。

其承载能力较强，可以搭载例如 PAN-US倾斜航摄仪、RIEGL VQ-780I-S 机载激光扫描仪等大型设备，从而获取大画幅、高精度的影像或激光点云数据，在大面积区域的数据获取具有较大优势。

其不足之处在于，成本相对高昂，航高较高，数据获取效率易受雾霾、云层等天气的影响，航飞需要提前报批，审批手续较为严格。

常见用于航空遥感的有人机有塞斯纳208B、PC-6等载人飞机。

塞斯纳208B（图源网络）

无人机航空遥感一般搭载小型轻量级的倾斜相机或激光雷达进行实景三维数据采集。

由于无人机小巧、轻便，在小面积区域工作有较大优势，成本相对低廉；但由于相幅小，在大面积区域，获取的影像数量较多，对处理技术有较大的挑战。

而冰柏科技Mirauge3D全自动影像三维建模系统通过其全球领先的空三解算能力，单工程吞吐量超百万张影像，稳定性极佳。

无人机主要分三大类，一是固定翼无人机，其飞行原理与飞机相似，具备飞行速度快、运载能力强、续航时间长、飞行稳定等优点，起飞降落通常需要跑道辅助。

漠河林业局ZT-16V（图源网络）

二是多旋翼无人机，具备操作简单、轻便、垂直起降、可悬停的优点，但飞行时间较短且运载能力较弱，常见的有大疆经纬 M300、飞马 D2000等。

大疆经纬 M300（图源网络）

三是可垂直起降的固定翼无人机，结合了上述两类无人机的优势，例如成都纵横CW-15、飞马V-10等。

兰旗LQ-X18-YD（图源网络）

冰柏科技配置了齐全的无人机航空摄影系统：大疆经纬M300、大疆御3E、飞马D20旋翼、飞马V10固定翼无人机，大疆禅思P1相机、飞思IXU-RS1000相机、赛尔102S五镜头倾斜航摄仪、飞马OP4000五镜头倾斜航摄仪、Riegl 1845长测程激光雷达等，可为各行各业高效获取精确地理信息数据。

地面数据采集设备

Quality Control

针对城市中复杂场景、室内、地下管线等卫星遥感以及航空摄影手段难以获取数据的对象，可在地面进行数据采集。

实景三维地面数据采集主要有车载、背包、手持等方式，通过将激光扫描仪、影像采集设备、定位定姿设备、同步控制器等多传感器集成于一体，并根据采集需求将设备搭载在测量车上，对建筑、道路进行高精度实景三维数据采集，或通过背包、手持的方式对室内室外、地下管线进行数据采集。

某背包式激光扫描仪（图源网络）

将实时差分定位（real-time kinematic, RTK）技术与近景摄影测量技术相结合，能够在地面采集影像同时获取相机位置、姿态信息，在地面拍摄的位置、角度与航测视角天然互补，用于“空天地”一体化影像数据采集，可以有效补充建筑物局部细节、纹理等信息，外业操作简便、工作效率较高，相比激光扫描的方式成本更低。

地面采集的方式消耗人力较大，成本较高，但可以解决无人机等航空遥感平台由于视角有限或飞行困难，导致的房檐下以及被遮挡物体等区域建模后扭曲、空洞、纹理缺失等问题。

采用三维激光扫描技术或地面影像 RTK 技术与航空摄影结合的方式，形成的实景三维数据具有较高的精细度和还原度，可以构建高精度部件级三维模型。