用于复杂城市建模的现代空载遥感

现今基于影像的解决方案和光达扫描方法正在迅速发展，但关于哪种技术更有效则存在很多争论。影像和光达数据相辅相成的整合空载传感器可以提供有趣的新契机，尤其是在城市测绘等复杂情况下。
城市规划者需要更加准确、详细和最新的地理信息。20年前，高分辨率数字正射影像在拍摄如此详细的信息方面迈出了一大步，而今还需要更多信息；仅有数字正射影像是不够的。Eurosense最近有机会为两个代表性的克罗地亚城市建模：杜布罗夫尼克(Dubrovnik)和斯普利特(Split)。鉴于项目的复杂性，结合影像和光达数据的整合空载传感器提供了一种有效的解决方案。 两者都有非常困难的地势和景观。感到兴趣的区域局部海拔差异超过 1,000 米，包括极其陡峭和多岩石的海岸线。景观同样复杂，有非常密集且历史悠久的市中心、狭窄的街道和相对较高的建筑物。例如，在一些密集而陡峭的建筑区，建筑物后方仅2-3m的地面标高往往高于建筑物最高屋顶点的绝对标高。 
由于客户需要大量不同的产品，这些项目也变得更加复杂。例如，这两个城市都需要生成高分辨率 RGB 立体像对、高密度光达数据、分类光达点云、RGB 正射镶嵌影像、光达 DTM 和 DSM 以及 LOD 2.2 建筑模型。对于斯普利特，还需要制作高分辨率的真正射影像、CityGML 格式的 LOD 2.2 建筑模型和市中心的 3D 网格模型。
  正确选择传感器设备对于成功获取此类苛刻区域的扫描数据和影像至关重要。密集城市空间的详细数字表示需要高解析力和准确的扫描数据，特别需要能够以最少的死角扫描狭窄的街道峡谷，并具有扫描垂直立面的能力。该决定支持 RIEGL VQ-1560II和 VQ-1560i-DW——具有全波形数字化和实时波形处理的最新一代光达扫描系统。两种系统都采用双雷射信道设计，具有高度均匀的点密度分布的前视/天底/后视能力，这已被证明在城市扫描中具有优势。两个雷射信道VQ-1560II工作在 1,064nm 的红外波长，而 VQ-1560i-DW 是双波长仪器，一个信道的工作波长为1,064nm，第二个通道波长为 532nm，即绿光雷射。加上一套必备的高精度惯性导航系统、一个飞行管理系统和最多两个数字相机构成一套完整的系统。 
对于杜布罗夫尼克地区，VQ-1560i-DW 传感器与整合的中像幅 100MP RGB Phase One 相机一起使用。影像是在对地高度(AGL)1,033m 时以 10cm 的地面分辨率 (GSD) 拍摄的，光达扫描数据的平均点密度为 24.5 点/m ²。 
在斯普利特地区，Eurosense 使用了自己的飞机和自己的VQ-1560II传感器，整合了中像幅 150MP RGB Phase One 相机，飞行高度为对地 1,330m AGL，地面分辨率为 10cm。由于 80% 的航带侧向重迭，整个城市的平均点密度超过 90 个点/m²。这种高点密度产生了一个强大的光达数据库，作为构建精确数值地形模型 (DTM) 和数值表面模型 (DSM) 的基础，并为两个城市执行可靠的 12 类分类。DTM 和 DSM 则以0.5m 分辨率输出ESRI 网格格式。 一些特殊的技术解决方案被用来克服外观复杂性和项目难度所带来的挑战：高精度空中三角测量、LOD 2.2 建筑物、真正射影像和 3D 网格模型。 

• 高精度空中三角测量
  技术挑战之一是使用中像幅相机影像透过立体摄影测量来数化高精度建物向量模型。因此，在数据处理过程中需特别注意空中三角测量的精度。为了获得所需的精度，对相机进行了反复的自检校正，另外还使用了光达数据。此外，在 MATCH-AT 中也使用了 DTM ，显著提高了 PhaseOne 影像空中三角测量的准确性。
  斯普利特密集城区上空的三角测量区块由 697 张 PhaseOne 影像组成。就达成的精度而言，19 个地面控制点 (GCP) 的均方根误差 (RMSE) 为 RMSE X =RMSEY =±5.5cm，RMSE Z =±12.2cm。使用 39 个检查点来验证所达到的精度，得出以下结果：RMSE X =±8.7cm RMSE Y =±8.0cm，RMSE Z =±10.9cm。这种精度完全适用于精确的 3D 建物向量制图。为了在不同的立体制图软件中最有效地使用 PhaseOne 影像及其完整的三角测量结果，还生成了改正畸变差的影像。
• LOD 2.2 建筑物
  斯普利特老城建筑密集，屋顶结构复杂，形成了特殊的挑战。3万多座建筑物被提取数化。除了几何精度之外，另一个重要目标是创建正确的多级拓扑和面向对象的建筑物数据库，其中每个建筑物都是一个单独的多边形实体。所有建筑物都与 DTM 完美套合。

在该项目的技术规范中，要求提供10公分的传统正射镶嵌影像图。
由于具有挑战性的城市结构，即使影像重迭度很高，也无法达到传统正射镶嵌影像的可接受质量。因此，项目组决定制作真正射影像。然而，第一次试验的结果并没有达到可接受的质量。第二次测试透过使用建物向量和高密度的光达点云数据，提高了初始 DSM 的质量。使用改进的 DSM后，生成的真正射影像镶嵌图的质量明显更好，并且与提取的建物向量完美匹配。 由于改进的DSM 产生了质量更好的真正射影像，因此决定使用额外加入光达数据改进的空中三角测量结果，生成市中心的 3D 网格模型。此外，光达和向量数据的使用显著提高了 3D 网格的质量。 杜布罗夫尼克项目的一个独特之处是使用了 RIEGL VQ-1560i-DW 的绿光雷射信道。虽然该仪器主要用于收集植被的扫描数据，但该扫描仪具有穿透水并到达海床的独特能力。当然，这取决于水的混浊度，但杜布罗夫尼克海岸清澈的海水产生了非常有希望的结果。例如，在地中海和亚得里亚海地区的其他地方，清澈的海水相当普遍，因此这项技术可以为靠近海岸线的海床进行更大规模的测绘。作为绿光激光束穿透深度的指标，该项目在地平面以上1,033m处飞行，并在某些地点从深度超过10m的海床获得回波。但是，并非所有地方都达到了这种深度。一般来说，接近最低点(Nadir)的穿透力要强得多，而远离最低点(Off-Nadir)的穿透力要小得多。 第一个也是一般性的结论是，使用两种类型的数据——影像和光达——可以提高最终产品的准确性和空间分辨率，以及提供更快、更具成本效益的数据服务。此外，特殊的技术解决方案可以让中像幅相机获得高几何精度。然而，与使用大像幅航测相机的成本相比，这些额外努力所增加的成本是否能证明所需的质量水平是合理的，问题仍然存在。另一个结论是，PhaseOne 影像只需在进行空中三角测量时使用诸如相机自检校和光达DTM等额外功能，就可以达到立体制图所需的高精度。为了获得高质量的真正射影像，从密集点匹配中生成的初始、自动过滤的 DSM必须特别改进。此外，DSM 的质量是影响真正射影像最终质量和 3D 网格模型质量的重要因素。因此，必须拥有正确和充分的工具，透过添加补充约制条件来提高 DSM 的质量，并有机会编辑初始 DSM。最后，作者得出结论，在某些条件下，通过正确的飞行计划和 RIEGL VQ-1560i-DW 的绿色通道设置，该技术可以成功地用于水下测绘深度为 10- 12m 在地中海和亚得里亚海地区。确切的条件和限制仍需要进一步研究。 Eurosense 为 GDi LLC 执行了本文中介绍的两个克罗地亚项目。数据的主要用户是杜布罗夫尼克市和斯普利特市。OPEGIEKA（波兰）——作为 Eurosense 的分包商——使用其独特的双波长光达系统 RIEGL VQ-1560i-DW 在杜布罗夫尼克市上空进行了飞行。
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