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机载LiDAR支持下的实景三维GIS应用研究

新机器视觉 · 公众号 · 科技创业科技自媒体 · 2024-12-10 16:15

主要观点总结

本文基于GALAXYPRIME航摄仪获取的LiDAR点云数据和UCXPWA航摄仪获取的影像数据，实现了黄河流域甘肃段全区域的高精度数据快速生产和可视化三维场景搭建。通过研究面向WebGL的三维GIS应用解决方案，为流域内的防汛救灾、空间规划、重大工程建设等提供了技术支持和服务保障。

关键观点总结

关键观点1: 研究背景

机载LiDAR技术能够快速、精确地获取大区域地形、地物点云，被广泛应用于自然灾害、城市规划等领域。本文基于黄河流域（甘肃段）的机载LiDAR数据，研究面向WebGL的三维GIS应用解决方案。

关键观点2: 研究内容

通过综合利用机载LiDAR数据、航摄资料，采用现代摄影测量和遥感技术，快速生产黄河流域（甘肃段）的DEM、DSM、DOM数据。在此基础上，结合CesiumJS三维渲染引擎，开发实景三维应用系统。

关键观点3: 技术方法

通过空中三角测量、点云分类与DOM生产、LiDAR点云与影像数据的融合处理、三维应用系统设计等流程，实现了高精度数据的快速生产和可视化三维场景的搭建。同时，介绍了航测成果精度评价的方法和标准。

关键观点4: 应用实例

以黄河干流临夏永靖至黄河石林段为例，展示了通过机载LiDAR和无人机航摄获取的点云和影像数据在实景三维构建中的应用效果。同时介绍了三维可视化应用系统的实现功能，包括三维场景浏览系统、可视化功能、查询定位系统、态势标绘系统、三维分析系统等。

关键观点5: 结论

本研究为LiDAR数据支持下的实景三维应用提供了高效的解决方案，为点云数据与影像数据高效融合与可视化应用提供了可能。

正文

摘要

基于GALAXYPRIME航摄仪获取的LiDAR点云数据和UCXPWA航摄仪获取的影像数据,本文实现了大面积DEM、DSM、DOM等高精度数据快速生产和可视化地形级三维场景搭建,开发了黄河流域(甘肃段)地形级实景三维应用系统,为面向WebGL地理场景的LiDAR点云数据可视化提供了解决方案。

关键词

机载LiDAR；点云数据；数据融合；场景构建；三维GIS

0 引言

机载LiDAR是一种快速、精确、直接获取大区域地形、地物点云的测量技术,能够为环境建模提供高效、准确的三维数据,被广泛应用于自然灾害、城市规划等大型三维场景重构中。三维场景重构技术实现了计算机对现实世界真实、立体的反映和表达,是虚拟现实、智慧城市等领域很多研究与应用的关键技术。本文基于黄河流域(甘肃段)机载LiDAR数据,研究面向WebGL的三维GIS应用解决方案,为流域内防汛救灾、空间规划、重大工程建设等提供技术支持和服务保障。

1 研究方案

综合利用机载LiDAR数据、航摄资料,采用现代摄影测量和遥感技术,通过对航测生产工艺流程的整合与优化组合,快速生产黄河流域(甘肃段)DEM、DSM、DOM数据,满足三维场景高精度地理信息数据的需求。在此基础上,结合CesiumJS三维渲染引擎,基于面向对象和组件化的设计思想,通过数据融合和轻量化处理,开发黄河流域(甘肃段)实景三维应用系统,如图1所示。

1.1 空中三角测量

空三加密时,以PixelCube数字摄影测量系统为平台,首先将原始影像与经过IMU/GNSS解算出来的初始外方位元素进行预处理,得到具有初始定位信息的影像,然后进行区域内连接点的自动匹配,当缺少连接点或连接点分布不均匀时,手动选取连接点,完成自由网平差。然后将地面控制点纳入到区域网中,进行有地面控制点参与的联合区域网平差解算,利用检测点进行精度检测,若满足要求,则输出空三成果,空三加密流程如图2所示。

1.2 点云分类与DOM生产

航摄数据初级产品为2000国家大地坐标系、高程系统为大地高的标准点云数据和真彩色影像。LiDAR点云数据经高程转换、点云滤波、人工修测、接边后得到DSM数据,点云数据经高程转换、滤波、人工修测、接边后构TIN,内插生成DEM。高程转换利用甘肃似大地水准面精华成果进行转换。利用IMU/GNSS解算出来的初始外方位元素、外业控制点与畸变校正后的RGB影像进行空三加密,利用DEM和空三加密成果对真彩色RGB影像进行正射纠正,经自动拼接、镶嵌后批量生产DOM。

1.3 LiDAR点云与影像数据的融合处理

LiDAR点云数据与无人机航摄影像数据融合处理,是通过点云与影像的匹配将DOM中每个像素的(R,G,B)信息赋予LiDAR点云数据,使点云信息从四维(x,y,z,i)增加到七维(x,y,z,i,R,G,B),使点云在渲染时更加真实,具有更好的可视化效果,便于地物识别与应用。关键技术是将两种数据通过配准后进行光谱信息融合处理,首先需要将LiDAR点云进行二维投影转换,使两种数据投影到统一的平面直角坐标系统下,然后将DOM中每个像素与其对应位置的LiDAR点云进行匹配,构建仿射变换模型,建立对应关系,把像素中的RGB信息添加到对应的LiDAR点云中,获得真彩色LiDAR点云数据。

1.4 三维应用系统设计架构

三维应用系统设计面向WebGL三维数据的可视化,采用“数据+平台+应用”的模式建设,系统架构如图3所示,基于CesiumJS平台实现DEM、DOM、真彩色LiDAR点云数据Web端高效管理和快速可视化综合利用。系统建设关键技术包括三维场景数据切片及3DTiles数据格式转换、海量点云Web端可视化、实景三维场景融合组装等。

2 应用实例

以黄河干流临夏永靖至黄河石林段(黄河流域甘肃段)地形实景三维场景构建项目为例,项目区域涵盖甘肃沿黄18县区,面积1.04万km2,区域内水库、湖泊、河流等易形成镜面反射的区域较多,山地、平地、高原等地形复杂、海拔起伏大,通信交通条件差。通过机载LiDAR和无人机航摄获取的点云(密度大于0.75/m2)和影像数据(分辨率0.5m),满足流域1∶10000的DEM、DSM、DOM、DLG数据生产与更新、地形实景三维场景构建及三维可视化应用系统数据需求。

2.1 航测成果精度评价

航测成果精度检测可通过测区三角点成果(316个点)、甘肃省卫星定位连续运行基准站网(GSCORS)6座站点、5个C级GPS控制网点进行。DEM精度统计满足表1要求,DOM精度统计满足表2要求。机载LiDAR方案高程中误差满足全区1∶10000地形数据采集工作,成本低、效率高、精度可靠,为地形级三维场景构建提供了高几何精度和视觉感官的地形数据。

2.2 三维可视化应用系统实现

经机载LiDAR数据与航摄影像处理与融合,通过集成Vue和Cesium框架实现了黄河流域(甘肃段)三维可视化应用系统。系统借助Cesium三维地球框架,构建了地形级实景三维场景,集成了区域专题数据,提供了高度测量、面积距离测量、淹没分析等三维分析功能,真实再现了沿黄左右岸、区域上下游地理空间现状,为区域生态保护和高质量发展、防汛救灾、城市防洪排涝预警等重大决策提供坚实的空间分析依据和数据支撑。

1) 三维场景浏览系统以资源目录的形式,支持流域内栅格切片服务、矢量切片服务、3DTiles地形切片服务、3DTiles地表模型切片服务、ArcGISServer服务、GeoJSON矢量数据地形级三维场景分层加载与展示。其中DEM数据可视化具体技术路线是:首先将经过标准化处理和转换的DEM数据通过三维数据切片工具进行切片及3DTiles数据格式转换,3DTiles格式数据通过nas存储,再基于三维服务引擎,接收浏览器端发送的数据请求(level级别,row行号,col列号),从文件系统中查找到3Dtiles格式文件读取后,返回到浏览器端,通过三维渲染引擎渲染实现与DOM数据的无缝套合,实现高效直观的地形起伏和地表覆盖。