解決方案

Solution

1970.01.01

具有挑戰性的地理條件

兩者都有非常困難的地勢和景觀。感到興趣的區域局部海拔差異超過 1,000 米,包括極其陡峭和多岩石的海岸線。景觀同樣複雜,有非常密集且歷史悠久的市中心、狹窄的街道和相對較高的建築物。例如,在一些密集而陡峭的建築區,建築物後方僅2-3m的地面標高往往高於建築物最高屋頂點的絕對標高。 

由於客戶需要大量不同的產品,這些專案也變得更加複雜。例如,這兩個城市都需要生成高解析度 RGB 立體像對、高密度光達數據、分類光達點雲、RGB 正射鑲嵌影像、光達 DTM DSM 以及 LOD 2.2 建築模型。對於斯普利特,還需要製作高解析度正射影像、CityGML 格式的 LOD 2.2 建築模型和市中心的 3D 網格模型。

數據獲取和感測器

正確選擇感測器設備對於成功獲取此類苛刻區域的掃描數據和影像至關重要。密集城市空間的詳細數字表示需要高解析力和準確的掃描數據,特別需要能夠以最少的死角掃描狹窄的街道峽谷,並具有掃描垂直立面的能力。該決定支持 RIEGL VQ-1560II VQ-1560i-DW——具有全波形數位化和即時波形處理的最新一代光達掃描系統。兩種系統都採用雙雷射通道設計,具有高度均勻的點密度分佈的前視/天底/後視能力,這已被證明在城市掃描中具有優勢。兩個雷射通道VQ-1560II工作在 1,064nm 的紅外波長,而 VQ-1560i-DW 是雙波長儀器,一個通道的工作波長為1,064nm,第二個通道波長 532nm,即綠光雷射。加上一套必備的高精度慣性導航系統、一個飛行管理系統和最多兩個數位相機構成一套完整的系統。 

對於杜布羅夫尼克地區,VQ-1560i-DW 感測器與整合的中像幅 100MP RGB Phase One 相機一起使用。影像是在對地高度(AGL)1,033m 10cm 的地面解析度 (GSD) 拍攝的,光達掃描數據的平均點密度為 24.5 點/m 2 

在斯普利特地區,Eurosense 使用了自己的飛機和自己的VQ-1560II傳感器,整合了中像幅 150MP RGB Phase One 相機,飛行高度為對地 1,330m AGL,地面解析度為 10cm。由於 80% 的航帶側向重疊,整個城市的平均點密度超過 90 個點/m2。這種高點密度產生了一個強大的光達數據庫,作為構建精確數地形模型 (DTM) 和數表面模型 (DSM) 的基礎,並為兩個城市執行可靠的 12 類分類。DTM 和 DSM 則以0.5m 解析度輸出ESRI 網格格式。


1:杜布羅夫尼克部分地區的光達 DTM,及正射影像和建築物。


圖 2:斯普利特部分地區的光達 DTM。

特殊技術解決方案

一些特殊的技術解決方案被用來克服外觀複雜性和專案難度所帶來的挑戰:高精度空中三角測量、LOD 2.2 建築物、真正射影像 3D 網格模型。 

  • 高精度空中三角測量
    技術挑戰之一是使用中幅相機影像透過立體攝影測量來數化高精度建物向量模型。因此,在數據處理過程中需特別注意空中三角測量的精度。為了獲得所需的精度,對相機進行了反覆的自檢校正,另外還使用了光達數據。此外,在 MATCH-AT 也使用了 DTM ,顯著提高了 PhaseOne 影像空中三角測量的準確性。
    斯普利特密集城區上空的三角測量區塊由 697 PhaseOne 影像組成。就達成的精度而言,19 個地面控制點 (GCP) 的均方根誤差 (RMSE) RMSE X =RMSEY =±5.5cmRMSE Z =±12.2cm。使用 39 個檢查點來驗證所達到的精度,得出以下結果:RMSE X =±8.7cm RMSE Y =±8.0cmRMSE Z =±10.9cm。這種精度完全適用於精確的 3D 建物向量製圖。為了在不同的立體製圖軟體中最有效地使用 PhaseOne 影像及其完整的三角測量結果,還生成了改正畸變差的影像。

     
  • LOD 2.2 建築物
    斯普利特老城建築密集,屋頂結構複雜,形成了特殊的挑戰。3多座建築物被提取數化。除了幾何精度之外,另一個重要目標是創建正確的多級拓撲和物件導向的建築物數據庫,其中每個建築物都是一個單獨的多邊形實體。所有建築物都與 DTM 完美套合


圖 3:斯普利特 LOD 2.2 建築模型的片段。


4:結構複雜的斯普利特代表性歷史塔樓 LOD 2.2 模型。

正射影像(Orthophoto)/真正射影像(True Orthophoto)

在該專案的技術規範中,要求提供10公分的傳統正射鑲嵌影像圖。
由於具有挑戰性的城市結構,即使影像重疊度很高,也無法達到傳統正射鑲嵌影像的可接受品質。因此,專案組決定製作真正射影像。然而,第一次試驗的結果並沒有達到可接受的品質。第二次測試透過使用建物向量和高密度的光達點雲數據,提高了初始 DSM 的品質。使用改進的 DSM後,生成的真正射影像鑲嵌圖的品質明顯更好,並且與提取的建物向量完美匹配。


5:斯普利特傳統正射影像的截圖。


圖 6:套疊建物向量的真正射影像的相同位置截圖。

斯普利特市中心的 3D 網格模型

由於改進的DSM 產生了品質更好的真正射影像,因此決定使用額外加入光達數據改進的空中三角測量結果,生成市中心的 3D 網格模型。此外,光達和向量數據的使用顯著提高了 3D 網格的品質。


7:斯普利特市中心的 3D 網格模型和光達點雲的組合。

杜布羅夫尼克項目的獨特性

杜布羅夫尼克專案的一個獨特之處是使用了 RIEGL VQ-1560i-DW 的綠光雷射通道。雖然該儀器主要用於收集植被的掃描數據,但該掃描儀具有穿透水並到達海床的獨特能力。當然,這取決於水的混濁度,但杜布羅夫尼克海岸清澈的海水產生了非常有希望的結果。例如,在地中海和亞得里亞海地區的其他地方,清澈的海水相當普遍,因此這項技術可以為靠近海岸線的海床進行更大規模的測繪。作為綠光雷射光束穿透深度的指標,該專案在地平面以上1,033m處飛行,並在某些地點從深度超過10m的海床獲得回波。但是,並非所有地方都達到了這種深度。一般來說,接近最低點(Nadir)的穿透力要強得多,而遠離最低點(Off-Nadir)的穿透力要小得多。


圖 8:杜布羅夫尼克- RIEGL VQ-1560i-DW 的綠光雷射通道透水成果。

結論

第一個也是一般性的結論是,使用兩種類型的數據——像和光達——可以提高最終產品的準確性和空間解析度,以及提供更快、更具成本效益的數據服務。此外,特殊的技術解決方案可以讓中幅相機獲得高幾何精度。然而,與使用大航測相機的成本相比,這些額外努力所增加的成本是否能證明所需的品質水準是合理的,問題仍然存在。另一個結論是,PhaseOne 影像只需在進行空中三角測量時使用諸如相機自檢校和光達DTM等額外功能,就可以達到立體製圖所需的高精度。為了獲得高品質的真正射影像,從密集點匹配中生成的初始、自動過濾的 DSM必須特別改進。此外,DSM 品質是影響真正射影像最終品質和 3D 網格模型品質的重要因素。因此,必須擁有正確和充分的工具,透過添加補充約制條件來提高 DSM 品質,並有機會編輯初始 DSM。最後,作者得出結論,在某些條件下,通過正確的飛行計劃和 RIEGL VQ-1560i-DW 的綠色通道設置,該技術可以成功地用於水下測繪深度為 10- 12m 在地中海和亞得里亞海地區。確切的條件和限制仍需要進一步研究。

致謝

Eurosense GDi LLC 執行了本文中介紹的兩個克羅埃西亞專案。數據的主要用戶是杜布羅夫尼克市和斯普利特市。OPEGIEKA(波蘭)——作為 Eurosense 的分包商——使用其獨特的雙波長光達系統 RIEGL VQ-1560i-DW 在杜布羅夫尼克市上空進行了飛行。

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