海陆空一体化立体测绘技术分析（附项目推荐） - 海洋测绘数据源

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近年来，随着我国海洋经济的深入发展，海洋活动急剧增加，对复杂海域（海岸带、海岛礁、地形多变海底）进行高精度全覆盖测绘的需求愈加迫切，其测绘成果对于自然资源调查监测、海域海岛管理、国土空间规划、防灾减灾、生态修复等工作发挥了重要的作用。

早前，由于条件的限制，我国的海洋测绘事业一度发展缓慢，测绘技术装备和人才建设方面都不尽如人意，传统的海洋测绘方法要么效率低、成本高、难度大，要么精度差、存在测量缝隙，无法满足当今海洋测绘精细化、专业化的需求。

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随着科技的进步，测绘行业也逐渐向着信息化和智能化的方向发展，以无人机、无人船、三维激光扫描以及高精度传感器等为代表的先进技术不断发展成熟，高度协同的海、陆、空一体化立体测绘技术应运而生，该作业模式极大地提高了海洋测绘的工作效率，为海洋测绘提供了崭新的地理信息数据获取方式。

海陆空一体化立体测绘系统集成了无人机航空摄影测量、无人船测量、全景影像采集系统、POS定位定向系统、水下多波束测深系统、多平台三维激光雷达等先进技术，其主要由机载系统、船载系统以及数据处理系统三部分组成。

综合三个系统得出的数据模型进行集成显示，可构建出多层次立体三维模型，并通过动态剖切、多屏浏览等方式进行漫游和展示，表达水上景观和水下地形关系，形成水上水下一体化地理信息数据展示方案。

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海陆空一体化立体测绘系统

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⑴无人机载系统

无人机作为一种新型的遥感测绘平台，其操作智能化程度高，可按预定航线自主飞行和拍摄，具有机动性强、便捷、成本低等特点。机载系统以无人机平台为载体, 结合时间同步控制系统、传感器一体化集成技术,可同步获取影像、LiDAR三维激光数据和POS定位定姿数据，面向无人岛礁等高危险地区，可快速生成DOM、DSM、DEM、真彩色点云等成果。在低潮时间段，通过无人机进行水陆交界处数据获取，可以扩大水上数据获取范围，提高与水下数据的重叠度和数据拼接的精确度。

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⑵无人船载系统

相比大型测量船，无人船重量轻、体积小，具有机动灵活、吃水浅、能应对复杂环境等特点，可获取岛礁周边浅区域水深数据，非常适合近海岛测绘。无人船载系统通过搭载多波束测深仪可以高效完成水下地形测量任务，同时搭载的浅地层剖面仪可同步获取水下地质信息。无人船在高潮时间段进行浅水测量，作业时尽可能至最浅水区作业，对于因水浅而无法测量到的区域，可由无人机载分系统获取数据。

⑶数据处理系统

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数据处理系统采用定制软件集成展示多源数据，可实现二三维数据加载、浏览、量测、图层控制等基本功能。由于所获取的数据种类多、格式不同、水陆地理参考也不统一，在对这些数据进行处理与管理中，应建立统一的地理坐标系统，确定出工作时各传感器位置中心在地理坐标系下的位置和姿态信息，用于后续的空间配准，并根据不同要求对各类数据进行预处理，完成海底多波束与岛上点云数据的配准融合，形成完整的岛礁水上水下地形数据。利用多源的基础数据，还可模拟海水涨落潮、岛礁突发事件、应急响应、个性化专题数据展示等内容。依托软件构建的三维应用场景，叠加相应的专题信息，构建一个交互式应用成果，突出每一个岛礁地区特征，显示其数据成果、空间位置关系。

针对传统海洋测绘存在的难题，海陆空一体化立体测绘系统完成了以下技术创新：

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⑴获取数据全、精度高

创立了基于无人机载、船载海空移动平台的高精度全覆盖海底地形测量技术体系，实现一次登岛即可完成水上、水下所有数据的获取工作。对于无人岛礁，通过大地测量的方式获取高精度控制点，用以提高无人机、无人船的平面及高程精度，成果精度满足岛礁规划与工程应用要求。

⑵坐标系统统一

以CGCS2000坐标系统作为水上、水下点云及全景影像的水平基准，以1985国家高程基准作为水上点云及全景影像的垂直基准，以深度基准面作为水下点云的垂直基准。本系统通过推算可得出测区内大地水准面和深度基准面的大地高，实现将综合测量信息统一到一个坐标系统中。利用GNSS观测测区验潮站布设的水准点，可获得验潮站邻域内基于深度基准面的数据和基于水准高程的数据转换关系。

⑶水上水下数据无缝融合

提出了一种自适应常梯度等效声速模型实现声波束的准确归位，解决了水上水下数据无缝拼接的难题。高潮时段，采用无人船搭载多波束测深仪对浅海地形进行水深测量，以获取浅区水下地形信息；在低潮时段，采用机载激光雷达对水陆边界地形进行测量。水浅而无法测量到的区域，由机载LiDAR或者人工RTK测量补充，最终形成无缝一体化的岛礁及周边地形。

⑷数据应用广泛

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系统涵盖整套高精度海底地形地貌数据处理与成图技术，提升了数据质量、利用率和标准图件制作效率。基于数据成果展示与管理软件，在一个平台内对水上水下一体化成果的所有基础数据(点云、等值线、三维模型等)和专题数据进行展示，如岛礁去水化、岛礁去植被、规划设计、地物提取与统计、海岸线提取、光照分析等，可用于岛礁规划、设计辅助等工作。

应用实例

温州市苍南县大渔湾是温州最大的海湾之一，这里浅海滩涂资源丰富，拥有鱼类、甲壳类等近百种底栖生物，有7万亩“海上耕田”。此前之所以没有进行过水下地形图的一次性整体测绘，主要是因为沿海礁石分布多、淤泥软滩涂面积大等原因，常规方式很难进行精确测量。水下测绘不同于地面测绘，海水中存在着诸多礁石和海沟，各处水深也不完全相同，再加上潮汐的影响，测绘工作面临巨大挑战。

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为了实现水下和水上目标的同步测量，首先对海陆空一体化立体测绘系统进行安装调试，本系统集成了最先进的多波束条带测深仪、三维激光扫描系统和无人机测量系统，还配备了高精度定位、姿态测量系统及控制采集软件，特别是定位姿态部分，直接关系到系统集成的成功与否和最终的数据质量，定位及姿态测量系统向三维激光测量系统和多波束测深系统同步提供位置及姿态信息，并由自身输出的1PPS同步脉冲控制多波束测量、激光测量位置和姿态的严格同步，保证测量结果准确性。另外，为了最大限度实现水下、水上部分无缝地形拼接，将多波束换能器进行倾斜安装。

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安装校准完成之后，对大渔湾周边海区进行了一体化立体测绘，同步采集多波束水深地形数据和水面以上的三维激光扫描数据，之后利用无人机测量系统对海岛进行低空全覆盖测量。利用数据处理系统对采集的激光扫描和多波束测量一体化测量数据进行了精细处理，得到对应测量点位置及高程点云数据，利用软件的三维空间处理功能对数据进行融合和三维空间再现，获得水下及水上综合三维空间DEM。

由于激光扫描为水平方向对海岛扫描，致使部分区域由于遮挡或者其他因素，造成测量盲区；而无人机空中俯视测量，则很好地弥补了激光扫描的不足之处，完全实现了水面之上海岛全覆盖测量，经过与多波束及激光扫描数据融合，获取了海岛周边水下及水上全覆盖高分辨率地形数据。

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本次测量获取的成果包括DOM、水上三维实景模型、水上水下地形数据等，从处理及显示结果图可以清晰看出水下地形分布及水上建筑物空间位置状况。通过水陆点云数据完成了水上、水下数据的对接，获取了水陆一体化点云、等值线等成果以及坡度图、岸线提取专题图、植被提取专题图等数据。根据需要还可扩展浅剖及高光谱数据，为大渔湾开发和利用提供了重要的地理信息数据支撑。

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海陆空一体化立体测绘技术极大地提高了海洋测绘的工作效率，并确保了高精度作业。随着我国智慧海洋建设的加速推进，海洋调查研究的内容不断深入，调查范围由近海浅区域逐渐向大洋深处发展，海洋测绘的任务也从获取单一航海要素发展到全要素信息，对地理信息数据精度和可靠性的要求越来越高，未来建立“透明海洋”的大数据系统也被提上了日程，海陆空一体化立体测绘技术的出现，无疑为我国海洋事业的发展开辟了崭新的天地。

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来源于溪流之海洋人生

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附件：倾斜摄影建模

在通过无人机航拍影像进行三维建模时，常用到的技术是倾斜摄影测量技术。

倾斜摄影测量技术是通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从一个垂直、四个倾斜等五个不同的角度采集影像，从而快速、高效获取研究区域的测量数据和客观丰富的地面数据信息，再通过相应软件分析处理所获得的影像资料，最后构建区域内高分辨率三维模型。其关键技术有多视影像联合平差、多视影像联合平差、数字表面模型生成和真正射影像纠正。

图2 无人机倾斜摄影影像获取示意图（据冯威，2019）   

倾斜摄影测量技术有以下特点：(1)能够反映地物周边真实情况。相对于正射影像，倾斜影像能让用户从多个角度观察地物，更加真实的反映地物的实际情况，极大地弥补了基于正射影像应用的不足。(2)倾斜影像可实现单张影像量测。通过配套软件的应用，可直接基于成果影像进行包括高度、长度、面积、角度、坡度等的量测，扩展了倾斜摄影技术在行业中的应用。(3)可采集建筑物侧面纹理。针对各种三维数字城市应用，利用航空摄影大规模成图的特点，加上从倾斜影像批量提取及贴纹理的方式，能够有效的降低城市三维建模成本。(4)数据量小易于网络发布。相较于三维GIS技术应用庞大的三维数据，应用倾斜摄影技术获取的影像的数据量要小得多，其影像的数据格式可采用成熟的技术快速进行网络发布，实现共享应用。

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此外，倾斜摄影技术在应用时还是存在一些问题，如：（1）数据影像匹配时，因倾斜影像的摄影比例尺不一致、分辨率差异、地物遮挡等因素导致获取的数据中含有较多的粗差，严重影响后续影像的空三精度。（2）倾斜摄影测量所形成的三维模型在表达整体的同时，某些地方存在模型缺失或失真等问题。（3）随着科技的发展无人机作为倾斜摄影测量实用的载体，为了增加其便携性和灵活性，无人机的续航能力不强，因此，电池的续航能力成为其推广的限制条件,研制体积小长续航的电池迫在眉睫。

2.建模软件

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常用的建模软件有ContextCapture、Pix4D、PhotoScan等。

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ContextCapture基于点云数据可以生产多种格式的测绘成果，同时支持JPEG和TIFF格式的影像数据，也可以导入拍摄的视频。该软件实现了高度的集成化和自动化，其工程按树结构组织。Pix4D软件是由瑞士公司研发的一款航测数据处理软件，可以处理无人机航拍、地面相机拍摄或者卫星影像数据等多种数据源，它可自由选择输出成果类型且输出成果与众多软件兼容。PhotoScan软件根据多视图三维重建技术，通过导入具有一定重叠率的影像数据，便可实现高质量的正射影像生成及三维模型重建。

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其中ContextCapture软件生成三维模型的效果最好。用ContextCapture软件建模有几项优点：（1）快速，简单，全自动。前期输入需要处理的照片，设置好参数后便可完成空三加密，三维建模重建，DOM生成等工作。（2）模型效果逼真。如下图所示。（3）支持多种三维数据格式。如OSGB（ContextCapture生成的三维模型格式，是由二进制存储的带有嵌入式链接纹理的数据）、OBJ（国际通用的标准3D模型格式，大部分三维软件都支持这种格式的三维数据）（4）支持多种数据源，包括固定翼无人机、载人飞机、旋翼无人机甚至手机数据都可以。

7 j4 [9 h+ r$ j+ J9 T0 C 图3 ContextCapture软件界面（据cn.bing.com）图4 ContextCapture软件建模效果（据何伟等，2023）

Pix4Dmapper更适合用于测绘。从数据采集到DOM、DSM及三维模型生产都有涉及。但是三维效果相对于ContextCapture来说还差一些，但DOM正射影像生成更胜一筹。Pix4Dmapper生成的DOM导出时是已经做好镶嵌的，因此省去了在GIS软件中做镶嵌的步骤。此外，Pix4D有移动端采集APP+Web端展示+云计算+本地端处理及展示，这是它的突出的特点。

图5 Pix4Dmapper软件界面（据image.baidu.com）图6 Pix4Dmapper软件建模效果（据support.pix4d.com）

PhotoScan是一款基于影像自动生成高质量三维模型的优秀软件。有如下几项优点：（1）支持倾斜影像、多源影像、多光谱影像的自动空三处理；（2）支持多航高、多分辨率影像等各类影像的自动空三处理；（3）具有影像掩模添加、畸变去除等功能；（4）能够顺利处理非常规的航线数据或包含航摄漏洞的数据；（5）支持多核、多线程CPU运算，支持CPU加速运算；（6）支持数据分块拆分处理，高效快速地处理大数据；（7）操作简单，容易掌握、处理速度快。（据https://blog.csdn.net/xiaokcehui/article/details/79282100）

图7 PhotoScan软件界面（据cn.bing.com）图8 PhotoScan软件建模效果（据fx361.com）

三、影像数据的处理流程

利用无人机获取影像数据后，后续的数据处理流程如下：（1）将倾斜影像进行空中三角测量，获得所有影像的高精度外方位元素；（2）基于畸变校正后的倾斜影像和高精度的外方位元素通过多视影像密集匹配，获得高密度三维点云,构建城市3DTIN模型；（3）根据3DTIN每个三角形面片的法线方程与二维图像之间的夹角选择相对应的最佳纹理信息，实现纹理的自动关联；（4）输出并获得城市真三维模型成果。

图9 数据处理流程（据曲林等，2015）

上述流程可以在ContextCapture等软件中自动计算，最后生成三维场景。需要注意的是其中的无人机影像需要进行几何纠正。几何纠正主要集中于两个方面:数码相机镜头非线性畸变的纠正和针对成像时由于飞行器姿态变化引起的图像旋转和投影变形的纠正。在焦距确定的情况下,镜头畸变属于系统误差，它对每幅图像产生的影响都是相同的，可以用数学公式或模型加以模拟预测，进行统一纠正。但由于飞行的不稳定造成的图像旋转和投影形变却是每一幅都不一样,需要逐幅进行纠正。

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通常可以通过裁剪影像和后续纠正来进行纠正。裁剪即裁去边缘畸变较大的部分，保留中心投影部分畸变较小的部分。后续纠正时理论上有几种处理方式：① 利用野外可测控制点求解摄像机的外参数,进行图像单幅纠正。② 利用目标区域的大比例尺地形图,选择合适的控制点,然后按照摄影测量的方法进行几何纠正。③ 在目标区域有正射影像的基础上,将采集的图像与正射图像进行配准,从而实现纠正。④ 基于机载惯性导航系统INS(Inertial Navigation System)测得的相机姿态和GPS(Global Position System)定位系统获得的相机位置,进行纠正。其中，控制点的采集对精度控制很重要，它大大影响着几何纠正的效果好坏。

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四、应用实例

连会青等为解决传统地质勘察工作量大、效率低，难以对高边坡地质点进行信息提取的问题，以河北省秦皇岛市柳江盆地为研究对象，选取东部落和潮水峪2个观察点，采用无人机倾斜摄影测量技术获得研究区影像数据，构建高分辨率三维模型，并在Acute 3D viewer中对三维模型进行地质信息识别与提取，提取到了区域经纬度、高程、两点间的距离、垂直距离等基本信息，识别出断层，并实现了对地质体信息的识别与量化提取。

% U% y3 a/ x, m' W. Q 图10 研究区三维实景模型（据连会青等，2020）图11 岩石信息提取过程（据连会青等，2020）

印森林等利用无人机采集野外露头模型进行了储层构型分析。采集处理后的模型精度高 ，对砂体内部结构认识的定量化与精细化程度增高。无人机倾斜摄影技术不仅使数字露头成为现实, 也是辅助地质学家进行高效野外考察的可靠技术。

图12 无人机倾斜摄影三维露头模型（据印森林等，2018）图13 典型露头——碳酸盐岩与碎屑岩地层叠置（据印森林等，2018）

闻彩焕等利用无人机倾斜摄影测量技术开展矿山生态修复。在勘查测绘阶段，利用无人机倾斜摄影测量建立三维模型进行信息采集；在方案设计阶段，结合地质灾害信息、实景三维模型、测绘3D数字产品进行生态修复设计、工程量统计、投资预算，并建立生态修复效果模型；在施工管理阶段，利用无人机倾斜摄影测量技术对工程的施工进度、工程量、施工效果进行动态跟踪、实时监测、效果对比。

J) x/ D/ O4 Q U1 ?8 h6 G 图14 矿山地质环境模型（据闻彩焕等，2020）图15 矿山生态修复效果模型（据闻彩焕等，2020）

冯威基于无人机勘察数据和三维建模成果，实现了地层岩性、地质构造、不良地质等地质要素的准确判识，实现了岩体结构面等地质信息的定量提取，提高了勘察效率和精度，可推广应用于复杂艰险山区工程勘察工作。

图16 识别地质要素与岩体结构面提取（据冯威，2019） 

王果等提出一种基于无人机倾斜摄影技术的全自动露天矿边坡三维重建方法，重建的三维模型可全面表达露天矿边坡整体形态和保持局部细节特征，而且具备高效低成本等特点，在露天矿三维地形滑坡动态监测和灾害分析方面具有重要意义。

{! w/ \7 i, z3 P% t. H7 a 图17 试验区真三维模型（据王果等，2017）图18 试验区重建效果局部放大（据王果等，2017）

何原荣等针对古建筑三维重建中传统技术很难同时兼顾高精度三维信息快速获取和多角度真实地物纹理特征准确采集的难题，提出了联合三维激光扫描与倾斜摄影测量技术的古建筑三维重建新方法。该方法的建模效率比传统方法高效，且三维激光点云数据和无人机倾斜摄影数据的直观性可降低建模过程中内外业的出错率，避免了传统方法对于建筑部件的局部数据缺失而返回现场补充量测数据的成本。同时，三维激光点云数据与无人机倾斜摄影测量获取的古建筑数据更加丰富且完整，是可存档的原始三维空间模型数据，可为科研人员进行后续研究提供最原始的数据支撑。曲林等利用无人机影像建立实景三维模型。通过倾斜摄影数据建立的实景三维产品，可服务于规划、国土资源管理、城市管理、招商引资等方面，提升城市的对外宣传形象。

9 E9 M) z1 [# |8 G 图19 古建筑三维模型（据何原荣等，2019） * ^/ C- l9 P& w+ ?/ p+ M

图20 街景工厂生产的实景三维模型（据曲林等，2015）

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