激光雷达还是摄影测量:测绘与矿山该用哪一种
两种方法最终都得到点云、表面模型,以及——机上带相机时——正射影像,在开阔地面上它们的成果看起来可能非常相似。但它们的测量方式完全不同,这决定了各自适用的场合:林下、均匀表面、弱光条件、水面上方。本指南针对施工和矿山中重要的测量对两者进行比较,并说明无论飞哪一种,都应对数据提出什么要求。
各自如何测量
激光雷达直接测量距离。扫描仪发射短促的激光脉冲;每次反射的往返时间给出距离,GNSS 和惯性导航系统给出扫描仪的位置和姿态,于是每一次反射都成为一个三维点。一个脉冲可以产生多次回波——来自树冠、树枝和下方的地面——LAS 格式会记录每个点是第几次回波。
摄影测量间接测量。同一地面相互重叠的照片通过运动恢复结构(structure-from-motion)处理进行匹配,先恢复每张照片的拍摄位置,再求出每个匹配细节的三维位置。它测量的是相机看到的东西——光照下的纹理——并且附带颜色。
植被之下
这是最大的实际差别。激光雷达脉冲能穿过林冠缝隙,其中一部分到达地面;把这些回波分类为地面点,才能生成裸地 DEM。摄影测量只能看到顶部表面:在连续林冠下它测到的是树叶,任何处理都无法恢复它从未看到的地面。USGS 地图精度标准几十年前就指出了同样的局限:茂密林区是例外,因为航空照片无法在那里提供所需的细节。
在裸露场地——露天矿、采石场、料场、土方工程——这一差别基本消失,这也是摄影测量在这类测量中占主导的原因。
让各自失效的表面
摄影测量需要纹理。新铺沥青、雪、沙或平静水面等均匀表面让匹配无从着手,结果噪声大或有空洞;移动物体和深色阴影也会带来问题。
激光雷达需要反射。水面对地形激光几乎不返回或完全不返回——这就是激光雷达 DEM 中的水体要用特征线整平的原因——很暗或潮湿的材料反射很弱,扫描仪的位置或标定误差会直接进入每一个点。
精度
在控制良好的测量中,两者都能提供厘米级的高程;在控制不佳的测量中,两者都可能偏差很大。摄影测量的精度取决于地面采样距离、影像重叠度、像控点或 RTK/PPK 定位以及地表纹理。激光雷达的精度取决于轨迹解算、扫描仪与惯性单元之间的标定,以及扫描仪的测距精度。请用独立检查点来评判两者,而不是看处理报告。
成果
激光雷达交付点云,通常为 LAS 或 LAZ 格式,带有强度信息,如果同时搭载相机还带有颜色;点云被分类为地面、植被和建筑,裸地 DTM 和表面模型由其派生。摄影测量交付密集点云、表面模型、正射影像,通常还有纹理网格。摄影测量点云也可以分类,但在植被下,它的地面点根本不存在。
| 问题 | 激光雷达 | 摄影测量 |
|---|---|---|
| 如何测量 | 激光测距加 GNSS 与惯性定位 | 重叠照片中匹配的细节 |
| 植被之下 | 脉冲穿过林冠缝隙到达地面 | 只测林冠顶部 |
| 均匀、无纹理表面 | 不受纹理影响 | 噪声大或空洞 |
| 水面 | 回波很少或没有 | 匹配不可靠 |
| 颜色与正射影像 | 仅在加装相机时才有 | 自带 |
| 主要成果 | 分类的 LAS/LAZ、DTM、DSM | 点云、DSM、正射影像、网格 |
| 典型适用场景 | 植被覆盖场地、廊道、林业 | 露天矿、采石场、料堆、土方工程 |
矿山和土方工程该选哪一种
对露天矿、采石场和料场而言,摄影测量通常能以较低成本的设备为月度测量提供所需的一切——一个曲面、方量,以及可在上面绘图的正射影像。在植被遮挡地面的地方选择激光雷达:林地剥离前的测量、穿越灌丛的运输道路廊道、复垦区,以及植被覆盖坡面上的排水研究。同时具备两者的许多团队,日常飞摄影测量,在林冠需要时才飞激光雷达。
在 STREAM 中使用两者
STREAM 不处理原始照片或激光雷达轨迹;它处理的是它们的成果。它打开两种方法得到的 LAS 和 LAZ,分块流式读取大文件,并由地面点生成裸地 DEM、由全部点生成表面模型、由点的颜色生成正射影像。摄影测量得到的 DEM 和正射影像可直接作为 GeoTIFF 加载。此后,方量、等高线、断面、坡度以及两期测量之间的变化,无论来自哪种传感器都以同样方式工作。
常见问题
激光雷达比摄影测量更准确吗?
并非天生如此。在开阔地面上,控制良好时两者都能提供厘米级高程。激光雷达真正的优势在植被之下:它的脉冲能穿过林冠缝隙到达地面,而摄影测量根本看不到地面。
摄影测量能看到树下的地面吗?
不能。它测量相机看到的东西,所以在连续林冠下测到的是树叶。要在那里记录地面,需要像激光雷达这样的主动传感器,其脉冲能穿过林冠缝隙。
料堆方量用哪一种更好?
在裸露的料场上,摄影测量通常能以较低成本的设备提供所需的一切——曲面、方量和正射影像。在没有任何遮挡的地方,激光雷达增益不大。
矿山测量需要激光雷达吗?
大多数露天矿和采石场测量不需要。在植被遮挡地面的地方选择激光雷达:剥离前区域、穿越灌丛的廊道、复垦区,以及植被覆盖坡面上的排水研究。
STREAM 能同时使用激光雷达和摄影测量数据吗?
能。它打开两种方法得到的 LAS/LAZ,由地面点生成裸地 DEM、由全部点生成表面模型或由点的颜色生成正射影像;摄影测量 DEM 和正射影像可直接作为 GeoTIFF 加载。
参考来源
- USGS — What is Lidar data and where can I download it?
- ASPRS — LAS Specification, Version 1.4
- USGS Techniques and Methods 11-C11 — Point clouds, DEMs and orthomosaics through structure from motion
- USGS Fact Sheet 171-99 — Map Accuracy Standards
- USGS — Lidar Base Specification Appendix 2: Hydro-flattening Reference
在 STREAM 中把 LAS/LAZ 点云转为曲面
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