摄影测量法和激光雷达技术在无人机测绘应用上的比较

在无人机测绘任务中,测绘人员在摄影测量法和激光雷达成像之间的选择,很大程度上取决于确切的应用,还需要考虑运营因素,例如成本和复杂性等。

  如今,无人机摄影测量法和激光雷达应用正在迅速发展。无人机价格逐渐便宜,人们可以在对土地和基础设施进行快速调查时使用无人机测量技术。当前,在无人机测绘任务中,测绘人员在摄影测量法和激光雷达成像之间的选择,很大程度上取决于确切的应用,还需要考虑运营因素,例如成本和复杂性等。

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  那么激光雷达的输出与高分辨率RGB相机和摄影测量仪获得的结果相比如何?在本文中,我们将探讨摄影测量法和激光雷达技术的区别,然后,将更深入地研究特定的应用,以及摄影测量技术如何以低于激光雷达的成本和复杂性为大多数任务提供出色的结果。

  一、摄影测量学如何工作?

  摄影测量学是一种利用被摄物体影像来重建物体空间位置和三维形状的技术。

  在摄影测量中,无人机会在一个区域捕获大量高分辨率照片,这些图像重叠在一起,因此可以在多张照片中以及从不同的有利位置看到地面上的同一点。以类似于人脑使用两只眼睛的信息来提供深度感知的方式,摄影测量法使用图像中的这些多个有利位置来生成3D地图。

  因此,高分辨率的3D重建不仅包含高程/高度信息,还包含地图上每个点的纹理、形状和颜色,从而可以更轻松地解释生成的3D点云。

  使用摄影测量技术的无人机系统具有成本效益,并且在捕获2D和3D数据的位置、时间和方式方面具有出色的灵活性。

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  摄影测量法将来自多个有利位置的包含地面上相同点的图像进行组合,以生成详细的2D和3D地图。

  二、激光雷达技术如何工作?

  激光雷达代表“光检测和测距”,这项技术已经存在了数十年,但直到最近才出现了可用于运载大型无人机的尺寸和功率。激光雷达传感器发出激光脉冲,并测量这些脉冲从地面反弹时返回的确切时间,它还可以测量反射的强度。

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  激光雷达使用振荡镜在多个方向上发出激光脉冲,以便在无人机向前移动时产生一道“光”。通过测量返回脉冲的时间和强度,它可以提供地形和地面上的点的读数。

  传感器本身只是激光雷达系统的一部分,对于捕获可用数据至关重要,同时还需要一个高精度卫星定位系统(GNSS)和高精度传感器即即惯性测量单元(IMU)来确定传感器在空间中的方向。所有这些高端子系统都必须在完美的编排中工作,以将原始数据处理成可用的信息,这一过程称为直接地理参考。

  精确的激光雷达系统对测量有用,可能会花费数十万美元。由于重量和功率的要求,携带这些传感器(通常是多旋翼飞机)所需的无人机也往往变得更大,并且它们覆盖大面积区域的能力也受到影响。

  高端摄影测量系统的成本在20,000至30,000美元之间;而激光雷达系统通常仅传感器的成本在50,000美元以上,而对于具有调查质量的完整系统,成本在150,000至300,000美元之间。

  三、两者准确性比较

  摄影测量法和激光雷达均可提供显着水平的3D模型精度,尤其是与地面采样方法相比。

  在摄影测量方面,如Sony RX1R II全画幅传感器相机,可以产生水平(xy)精度在1厘米(0.4英寸)范围内且仰角(z)精度在2范围内的输出。

  但是请注意,为了实现这种性能,用于摄影测量的有效载荷必须是专业的,并且正确的图像传感器和镜头可以捕获更多细节。实际上,具有相同百万像素数和不同尺寸传感器的两个摄像机可提供不同的图像质量和准确性。

  正确的任务计划和后期处理对于实现最佳精度也很重要:与完全依赖激光雷达中使用的直接地理参考方法相比,图像之间的良好重叠可以提高准确性,并提供更好的错误校正。具有专业任务计划和后处理工作流程的高端无人机系统有助于确保捕获可产生准确结果的高质量数据。

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  基于摄影测量的库存测量。垂直精度为2到3厘米(0.8到1.2英寸)的精确3D模型可用于许多行业的精确体积计算。来自3DR Site Scan平台的图像

  而在激光雷达方面,高端系统可以产生水平(xy)和高程(z)精度在1至2 cm范围内的结果。对于这种额外的1厘米(0.4英寸)的垂直精度,与摄影测量法相比,将在系统成本和操作复杂性方面付出沉重的代价。

  四、摄影测量和激光雷达在特定应用中

  对于大多数任务,摄影测量可获得的3D结果与激光雷达获得的结果相似,但由于具有高分辨率的可视数据,因此具有更大的通用性。而在某些特定的应用中,可以证明使用激光雷达的费用更高是合理的,以下探讨了一些这样的例子。

  具有高分辨率可视数据的3D地图

  摄影测量不仅可以生成准确的3D模型,还可以生成该模型上每个点的全彩色高分辨率信息。与纯激光雷达点云相比,此功能可为3D数据提供无与伦比的视觉环境,并使结果的解释和分析更加容易。

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  摄影测量法(左)和激光雷达(右)都可以创建准确的3D地图。摄影测量输出还包括全彩色高分辨率视觉数据,用于地图上的每个点,以帮助进行解释。激光雷达输出通常根据反射强度进行着色,以便可以轻松区分软物体(树木和草叶)和硬物体(墙壁、屋顶、汽车等)。

  植被下的地形建模

  在某些特定情况下,需要将植被以下的地形模型作为输出,虽然可以使用摄影测量法在植被稀疏的区域有效地创建3D模型,但是在处理植被相对密集的区域时,激光雷达的较高成本和复杂性可能是值得的。这是因为LIDAR光脉冲可以通过树叶之间的小开口过滤并到达下方的地面。

  但是要注意,激光雷达脉冲不会穿过植被冠层,他们绕着它走,即使使用激光雷达,仍无法在非常茂密的植被下绘制地形图。

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  LIDAR与动感森林调查结果的结构比较

  虽然激光雷达可以在较茂密的植被下提供更多细节,但摄影测量法(下图)和LIDAR(上图)都可以在稀疏植被下生成地形模型,从空中可以部分看到地面。(此图中显示的数据是在距地面30 m处捕获的。)

  一些高端LIDAR系统(称为“全波形”)可以从单个光脉冲接收多次反射,这在需要树冠结构的林业研究应用中很有用。

  大范围的详细调查

  功能强大的无人机与高分辨率相机配合使用,可以在一次飞行中绘制数百公顷的土地,从而产生令人震惊的2D和3D结果。这种基于摄影测量的解决方案的每飞行小时覆盖率比同类激光雷达选项高出5倍以上,这可以转化为高质量的数据,可以在更短的时间内以较低的总成本捕获它们。

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  一些专业无人机可以在一次飞行中以2.5厘米/像素(1英寸/像素)的分辨率捕获多达400公顷(988英亩)的无人机。

  操作上的考虑

  当考虑操作和后勤因素时,摄影测量法和激光雷达之间的差异会增大。为了产生高质量的结果,激光雷达系统要求其所有组件完美地同步工作,传感器测量中的小间隙或误差会导致输出中的重大误差。或更糟糕的是,输出“看起来”正确,但不正确,像地面控制点(GCPs)这样的技术在摄影测量学中纠正问题非常有用,而使用激光雷达则更难实现。在大多数情况下,错误的激光雷达数据的唯一解决方案是重复飞行。

  激光雷达项目需要一位了解每个子系统的工作流程和细节并能够识别一致且准确的数据的专家。

  相反,基于摄影测量的工作流程则更为宽容。由地面上同一点的多个重叠图像创建的冗余可以在处理期间进行纠错,甚至在非理想条件或操作下也可以转换为高精度输出。基于无人机的摄影测量法的学习曲线更短(即使对于没有经验的操作员而言),也带来了更大的灵活性和成本效益。

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比较表:摄影测量法和激光雷达

  五、结论

  以上我们探索了摄影测量法和激光雷达的工作方式之间的差异及其输出之间的相似性,并了解了每种技术可以得到最佳应用的情况。尽管某些特定的应用可能证明激光雷达的成本和复杂性是合理的,但摄影测量可以解决跨多个项目和行业提出的大多数日常挑战,提供卓越的准确性和令人惊叹的详细地图,可按需提供,并且只需最少的专业知识开销。

  因此,如果不需要激光雷达的独特功能,则可以使用摄影测量学和专业无人机来完成更多工作,从而显着降低成本和复杂性。

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