CN111458720A - 复杂山区基于机载激光雷达数据的倾斜摄影建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及复杂山区基于机载激光雷达数据的倾斜摄影建模方法，步骤为：选择合适的飞行平台和航摄传感器，以三维实景建模比例尺要求进行航摄设计，对同一测区进行两种数据的同时获取；分别对激光点云数据和三维倾斜影像数据进行预处理；将处理的点云数据和三维倾斜影像数据导入三维实景建模软件中处理，构建三维实景模型。本发明首次提出了航线自适应变高飞行的航摄方案，通过合适的飞行平台搭载数字倾斜航摄仪及机载激光雷达同时获取数据的方案，融合了激光点云数据高精度地理坐标和三维倾斜实景模型高分辨率的优势，解决了复杂山区三维倾斜建模影像分辨率一致性差，像控点施测难的困境，有效提升了复杂山区三维倾斜实景建模的精度。

Description

复杂山区基于机载激光雷达数据的倾斜摄影建模方法

技术领域

本发明属于航空摄影测量技术领域，具体涉及一种复杂山区基于机载激光雷达数据的倾斜摄影建模方法。

背景技术

针对复杂山区三维倾斜摄影实景建模，目前存在以下问题：

1. 山区起伏较大，在测区相同绝对航高的情况下，所获取的影像具有不同的地面分辨率，相邻影像上同一地物的地面分辨率不一致，不利于影像匹配，影响三维建模精度效果。

2. 在复杂山区，山高坡陡，人员难以到达，无法按照常规航摄外业布设像控点，直接影响三维建模绝对定向精度。

因此，对于复杂山区三维倾斜摄影建模，较之平地、丘陵区域，难以获取对应比例尺相应地面分辨率的三维倾斜影像，后期三维实景建模会出现扭曲、拉伸等问题，像控点难以施测的困境也会影响模型数学精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种复杂山区基于机载激光雷达数据的倾斜摄影建模方法，解决复杂山区三维倾斜建模中影像分辨率一致性差、外业像控点施测难的问题。

本发明所采用的技术方案为：

复杂山区基于机载激光雷达数据的倾斜摄影建模方法，其特征在于：

所述方法包括以下步骤：

S1,激光点云及三维倾斜数据的航摄获取：选择合适的飞行平台和航摄传感器，以三维实景建模比例尺要求进行航摄设计，对同一测区进行两种数据的同时获取；

S2，航摄数据的预处理：分别对激光点云数据和三维倾斜影像数据进行预处理；

S3,将上述处理的点云数据和三维倾斜影像数据导入三维实景建模软件中处理，构建三维实景模型。

S1步骤中，激光点云及三维倾斜数据的航摄获取，采集的具体流程为：

S1a1, 根据测区地形特点，选择合适的飞行作业平台和航摄设备；

S1a2，根据测区地形地貌特点，以三维倾斜实景建模比例尺要求，按照影像地面分辨率、重叠度指标进行航线自适应变高设计；

S1a3，根据三维倾斜航线设计参数，调整适应的激光雷达扫描参数，对同一测区进行激光点云数据和三维倾斜影像的获取。

S2步骤中，激光点云的预处理，具体流程为：

S2a1,地面基站数据的处理；

S2a2,激光点云数据轨迹文件的计算，通过机载激光雷达传感器配套的POS计算软件，联合平差地面基站和机载GNSS/IMU数据，解算机载激光点云轨迹文件；

S2a3，激光点云数据的融合处理，通过机载激光雷达传感器配套的点云处理软件，将点云轨迹文件与原始激光点云数据进行融合处理；

S2a4,激光点云数据坐标系的转换，将融合处理后的激光点云数据和轨迹文件转换至项目工程坐标系。

S2步骤中，三维倾斜影像的预处理，具体步骤为：

S2b1，地面基站数据的预处理；

S2b2,三维倾斜影像外方位元素的解算，通过数字倾斜航摄仪配套的POS计算软件，联合平差地面基站和机载GNSS/IMU数据，解算三维倾斜航摄仪每个镜头的影像外方位元素文件。

S3步骤中，三维实景建模的具体步骤包括：

S3a1,处理软件选择采用Bentley Contextcapture Center；

S3a2,输入倾斜影像数据：将倾斜影像数据及对应的影像外方位元素文件输入上述软件工程中，对于面积较大的工点，可进行分块处理；

S3a3,输入处理后的激光点云数据：将S2a4中对应的激光点云数据和轨迹文件输入上述软件中；

S3a4,进行三维倾斜影像数据空三加密的相对定向；

S3a5,基于激光点云数据，对空三加密相对定向后的三维倾斜影像进行绝对定向；

S3a6,通过上述软件生成测区的三维倾斜实景模型。

飞行平台及搭载的机载激光雷达传感器，用于获取测区的激光点云数据。

飞行平台及搭载的倾斜航摄仪，用于获取测区的多镜头倾斜影像数据。

本发明具有以下优点：

1、本发明提出的航线自适应变高飞行方式，在复杂山区大落差地区能保证三维倾斜摄影影像分辨率的一致性，保证模型数据的精度。

2、本发明在三维建模过程中引入点云数据，能解决建模过程中绝对定向的问题，且能提高三维模型的数字表面模型的精度，提高三维实景模型的整体精度。

附图说明

图1是本发明提出的一种复杂山区基于机载激光雷达数据的倾斜摄影建模技术方法的步骤流程图；

图2是本发明提出的一种复杂山区基于机载激光雷达数据的倾斜摄影建模技术方法的具体S1步骤中航摄数据的获取流程图；

图3是本发明提出的一种复杂山区基于机载激光雷达数据的倾斜摄影建模技术方法的S2步骤中激光点云数据预处理流程图；

图4是本发明提出的一种复杂山区基于机载激光雷达数据的倾斜摄影建模技术方法的S2步骤中三维倾斜影像预处理流程图；

图5是本发明提出的一种复杂山区基于机载激光雷达数据的倾斜摄影建模技术方法的S3步骤中三维实景建模流程图；

图6是本发明提出的一种复杂山区基于机载激光雷达数据的倾斜摄影建模技术方法的直升机平台搭载数字倾斜航摄仪和机载激光雷达设备安装示意图；

图7是本发明提出的一种复杂山区基于机载激光雷达数据的倾斜摄影建模技术方法的航线自适应变高飞行示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。

本发明涉及一种复杂山区基于机载激光雷达数据的倾斜摄影建模方法，对同一测区采取同时获取激光点云数据及三维倾斜数据的方案，航摄作业时采用自适应变高飞行的方式，建模过程中融合激光点云与三维倾斜数据实现高精度三维模型的建立。步骤具体如下：

参见图1，本发明按照如下步骤进行：

S1，激光点云及三维倾斜数据的航摄获取，按照测区地形高差选择合适的飞行平台和航摄传感器，以三维实景建模比例尺要求进行航摄设计，航摄作业时根据航摄设计选择合适的机载激光雷达扫描参数，对同一测区进行两种数据的同时获取。

S2，航摄数据的预处理，分别对激光点云数据和三维倾斜影像数据进行预处理，得到融合处理后的激光点云数据和三维倾斜数据的影像外方位元素文件，为三维建模提供基础数据。

S3，将上述处理后的点云数据和三维倾斜影像数据导入三维实景建模软件中处理，进行三维倾斜影像的空三加密，构建三维实景模型及相关产品。

本发明所述根据不同测区地形高差特点，选择适合飞行作业的直升机作业平台或无人机作业平台，并根据不同飞行平台的荷载能力搭载不同的传感器设备。在测区地形高差大于500米情况下，宜选择直升机平台搭载专业数字倾斜航摄仪，倾斜航摄仪宜选择五镜头相机，单相机像素超过1亿像素，垂直镜头宜选择长焦距，以大于70mm为宜，机载激光雷达根据直升机荷载选择专业型机载激光雷达或小型机载激光雷达；在测区地形高差小于500米情况下，宜选择使用多旋翼无人机平台搭载小型倾斜航摄仪，倾斜航摄仪宜选择五镜头或二镜头摆扫式相机，单相机像素超过4000万，垂直镜头焦距40mm以上，重量小于1公斤，机载激光雷达根据无人机荷载选择长测距激光雷达，测距距离宜大于1公里，重量小于5公斤。

所述飞行平台及搭载的机载激光雷达传感器，用于获取测区的激光点云数据，该技术方法能快速获取被测目标的高密度的三维点云数据，通过地面基站GNSS数据与机载GNSS/IMU数据的联合平差解算，能快速获得目标区域高精度三维点云模型。所述飞行平台及搭载的倾斜航摄仪，用于获取测区的多视角倾斜影像数据，该技术通过一个垂直镜头和多个倾斜镜头同步采集影像，获取目标物顶面及侧面纹理信息，通过定位、定向、建模等过程生成真实的三维模型，能够真实表征测区三维实景景观特征。

由上述两种航摄技术采集的数据分别经过数据预处理后，会得到高密度、高精度的激光点云数据和高分辨率的三维倾斜影像数据，融合激光点云数据高精度位置信息和三维倾斜影像数据高分辨率影像纹理信息，可以实现三维倾斜影像的绝对定向，解决复杂山区三维倾斜摄影航测外业绝对定向的困境，从而构建复杂山区高精度三维倾斜实景模型及相关产品。

参见图2，S1步骤中激光点云及三维倾斜影像航摄获取方法，具体步骤如下：

S1a1，根据测区自然地理特征，选择合适的飞行作业平台和航摄设备，航摄平台的选择在考虑飞行作业效率的同时，需着重考虑航摄作业飞行风险。

S1a2，根据测区地形地貌特点，以三维倾斜实景建模比例尺要求为主要航摄设计基础，按照影像地面分辨率、重叠度指标进行航线自适应变高设计，一般情况1:500比例尺三维倾斜影像垂直镜头影像分辨率需优于5cm，航向重叠度优于80%，旁向重叠度优于50%，1:1000比例尺三维倾斜影像垂直镜头影像分辨率需优于10cm，航向及旁向重叠度与1:500相似，在测区人工建筑物较多时，需适当增加旁向重叠度，但不应大于80%，测区旁向覆盖不少于边界线3条航线，航向覆盖不少于6条基线。在地形落差较大区域，需基于测区数字高程模型数据，进行变基线及变绝对航高的自适应航线设计，保证不同航线间的垂直影像地面分辨率及旁向重叠度满足设计需求。另外在飞行平台同时获取激光点云数据及三维倾斜影像时，航摄设计时需考虑激光雷达设备的测距距离、点云密度等指标。

S1a3，进行航空摄影作业，以GNSS/IMU辅助的方式进行机载激光雷达和数码倾斜航摄仪的航摄作业，在飞行作业的同时，地面需架设不少于两个GNSS接收机进行同步观测；航摄飞行按照S1a2步骤中的设计进行，需根据测区航线内地形高差情况，调整适应的激光雷达扫描频率，扫描角度，测距距离，扫描线速等参数，实现同一测区激光雷达数据和三维倾斜影像的获取。完成作业后，根据相关要求整理好地面基站数据，机载激光雷达数据和三维倾斜摄影数据。

S2步骤中，激光点云的预处理，具体流程为：

S2a1，地面基站数据的处理。对外业基站观测数据根据观测手簿进行点号，仪器高度的整理，并按数据处理要求转换为相应的Rinex格式。

S2a2，激光点云数据轨迹文件的计算，通过机载激光雷达传感器配套的POS计算软件，联合平差地面基站和机载GNSS/IMU数据，解算机载激光雷达轨迹文件，输出WGS84大地坐标系的轨迹文件。

S2a3，激光点云数据的融合处理，通过机载激光雷达传感器配套的点云处理软件，将点云轨迹文件与原始激光点云数据进行融合处理，输出经平面投影后的轨迹和激光点云数据。

S2a4，激光点云数据坐标系的转换，将融合处理后的激光点云数据和轨迹文件转换至项目工程坐标系，可通过建立数据输出平面坐标系与测区工程坐标系间的转换参数实现数据坐标系的转换。

S2步骤中，三维倾斜影像的预处理，具体步骤为：

S2b1，地面基站数据的数据处理方法与S2a1相似。

S2b2，三维倾斜影像外方位元素的解算，通过数字倾斜航摄仪配套的POS计算软件，联合平差地面基站和机载GNSS/IMU数据，解算三维倾斜航摄仪每个镜头的影像外方位元素文件。

S3步骤中，三维实景建模的具体步骤包括：

S3a1，处理软件选择采用Bentley ContextCapture Center或其它三维建模软件；

S3a2，新建三维建模工程，导入倾斜影像数据和相关数据。将倾斜影像数据及对应的影像外方位元素文件输入上述软件工程中，并定义相机畸变参数，对于面积较大的工点，可进行分块处理，一般情况下单个分块影像总数不宜超过1万张影像为宜。

S3a3，输入处理后的激光点云数据：将S2a4中对应的激光点云数据和轨迹文件输入上述软件中。

S3a4，进行三维倾斜影像数据空三加密的相对定向。基于倾斜影像数据和外方位元素文件进行相对定向，完成相对定向后，需检查是否存在镜头丢片或三维模型连接点分层情况，如若存在，则进行相机检校参数的修正或空三加密相对定向参数的调整，以达到空三加密相对定向要求。

S3a5，基于激光点云数据，对空三加密相对定向后的三维倾斜影像进行绝对定向纠正。完成绝对定向后，检查空三后精度。

S3a6，通过上述软件生成测区的三维倾斜实景模型及相关产品。

本发明将机载激光雷达航摄技术和三维倾斜航摄技术结合起来，使它们在技术上优势互补，可实现高质量，高精度的工程项目工点航空摄影测量，提供了基于高精度点云数据、高分辨率三维倾斜影像的三维实景模型，并可生产大比例尺地形图，数字高程模型，真正射影像等航测产品，满足工点横纵断面提取，地质勘察，BIM选线设计等工作，极大地降低了野外工作量，具有显著的技术效益和社会效益，通过实际项目验证检测，显著提高了生产效率和质量。

实施例：

在西部某复杂山区的铁路勘察设计项目中，针对不同工作区的地形特点，采用了基于直升机及无人机平台的三维倾斜实景建模技术方法，通过在直升机平台上同时搭载AMC5100数字倾斜航摄仪和Riegl VUX-1LR长测距机载激光雷达（见图6），在无人机平台上搭载RiY-DG4小型数字倾斜航摄仪和Riegl VUX-1LR长测距机载激光雷达的方案，在短时间内完成了线路方案沿线重要工点约700平方公里的三维倾斜数据获取及建模生产等工作，为铁路勘察提供了直观、真实、高精度的三维实景模型，在地质勘察、线路选线、桥隧设计、测绘及铁路BIM设计等领域得到了应用，丰富了勘察数据成果，减少了作业人员的体力投入及安全风险，提高了勘察精度与效率，为复杂艰险山区铁路勘察设计提供了一种新的技术方法。

本技术方案针对艰险复杂山区地形落差大的特点，首次提出了航线自适应变高飞行的航摄方案，通过合适的飞行平台搭载数字倾斜航摄仪及机载激光雷达同时获取数据的方案，融合了激光点云数据高精度地理坐标和三维倾斜实景模型高分辨率的优势，解决了复杂山区三维倾斜建模影像分辨率一致性差，像控点施测难的困境，有效提升了复杂山区三维倾斜实景建模的精度，为铁路工程勘察提供了全新的勘察数据成果。三维倾斜实景建模高分辨率、多角度、高精度的技术特点，已经逐渐成为铁路工程勘察设计、施工、运营维护等领域不可或缺的技术手段。

本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.复杂山区基于机载激光雷达数据的倾斜摄影建模方法，其特征在于：

所述方法包括以下步骤：

S1,激光点云及三维倾斜数据的航摄获取：选择合适的飞行平台和航摄传感器，以三维实景建模比例尺要求进行航摄设计，对同一测区进行两种数据的同时获取；

S2，航摄数据的预处理：分别对激光点云数据和三维倾斜影像数据进行预处理；

S3,将上述处理的点云数据和三维倾斜影像数据导入三维实景建模软件中处理，构建三维实景模型。

2.根据权利要求1所述的复杂山区基于机载激光雷达数据的倾斜摄影建模方法，其特征在于：

S1步骤中，激光点云及三维倾斜数据的航摄获取，采集的具体流程为：

S1a1, 根据测区地形特点，选择合适的飞行作业平台和航摄设备；

S1a2，根据测区地形地貌特点，以三维倾斜实景建模比例尺要求，按照影像地面分辨率、重叠度指标进行航线自适应变高设计；

S1a3，根据三维倾斜航线设计参数，调整适应的激光雷达扫描参数，对同一测区进行激光点云数据和三维倾斜影像的获取。

3.根据权利要求2所述的复杂山区基于机载激光雷达数据的倾斜摄影建模方法，其特征在于：

S2步骤中，激光点云的预处理，具体流程为：

S2a1,地面基站数据的处理；

S2a2,激光点云数据轨迹文件的计算，通过机载激光雷达传感器配套的POS计算软件，联合平差地面基站和机载GNSS/IMU数据，解算机载激光点云轨迹文件；

S2a3，激光点云数据的融合处理，通过机载激光雷达传感器配套的点云处理软件，将点云轨迹文件与原始激光点云数据进行融合处理；

S2a4,激光点云数据坐标系的转换，将融合处理后的激光点云数据和轨迹文件转换至项目工程坐标系。

4.根据权利要求3所述的复杂山区基于机载激光雷达数据的倾斜摄影建模方法，其特征在于：

S2步骤中，三维倾斜影像的预处理，具体步骤为：

S2b1，地面基站数据的预处理；

S2b2,三维倾斜影像外方位元素的解算，通过数字倾斜航摄仪配套的POS计算软件，联合平差地面基站和机载GNSS/IMU数据，解算三维倾斜航摄仪每个镜头的影像外方位元素文件。

5.根据权利要求4所述的复杂山区基于机载激光雷达数据的倾斜摄影建模方法，其特征在于：

S3步骤中，三维实景建模的具体步骤包括：

S3a1,处理软件选择采用Bentley Contextcapture Center；

S3a2,输入倾斜影像数据：将倾斜影像数据及对应的影像外方位元素文件输入上述软件工程中，对于面积较大的工点，可进行分块处理；

S3a3,输入处理后的激光点云数据：将S2a4中对应的激光点云数据和轨迹文件输入上述软件中；

S3a4,进行三维倾斜影像数据空三加密的相对定向；

S3a5,基于激光点云数据，对空三加密相对定向后的三维倾斜影像进行绝对定向；

S3a6,通过上述软件生成测区的三维倾斜实景模型。

6.根据权利要求5所述的复杂山区基于机载激光雷达数据的倾斜摄影建模方法，其特征在于：

飞行平台及搭载的机载激光雷达传感器，用于获取测区的激光点云数据。

7.根据权利要求6所述的复杂山区基于机载激光雷达数据的倾斜摄影建模方法，其特征在于：

飞行平台及搭载的倾斜航摄仪，用于获取测区的多镜头倾斜影像数据。

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