低成本与高端自动化3D数据采集系统
在德国模拟一个中世纪早期的环形堡垒
地形图测绘是一项标准的测量任务，常用的仪器是全站仪。地面激光扫描的使用在过去十年或更长的时间里已经变得流行，但今天有更广泛的方法来获取数字表面模型(DSM)。用于中世纪早期的3D录音环堡，研究了三种现代系统的使用:a便携式(动态)激光扫描系统,一个静态地面激光扫描系统(TLS)和摄影测量系统无人机系统(UAS)。这些系统是根据以下标准进行比较的:在现场的效率和性能，数据处理的自动化程度，以及与系统成本相关的准确性。
莱姆贝克堡中世纪早期的环形堡垒
莱姆贝克斯堡环堡位于北海岛屿Fohr(图1)位于Borgsum村以北1公里处。这个圆形的土方工程建在一个稍高的地形上，靠近Föhrer沼泽。外径为140米，内径约为90米。墙外高10m，墙内距墙顶仅3 ~ 4米(图1)。早期，墙外有一条沟渠。这在今天很难辨认，尽管在东部可以隐约看到。直到19th一个世纪以来，长城北面有一条通往瓦登海的海潮道，这条海潮道的大部分长度都可以通航。第一次修建长城要追溯到公元8年th世纪——维京人的时代——但在考古遗址也发现了罗马帝国的痕迹(陶瓷)。今天，完整的环堡和周围地区都覆盖着草。
使用的数据采集方法和系统
所有数据都是由德国汉堡城市大学(HCU)的测绘专业学生在为期三天的测量活动中收集的。参考数据使用徕卡tcra1201进行调查全站仪．共记录了550个地形点，覆盖了城墙和环堡的中心。对于静态TLS数据，Zoller + Fröhlich成像仪5010使用激光扫描仪。从42个站点中，每次扫描获得约1200万个点，相当于总共大约5.04亿个点，扫描时间约为12小时。每次扫描至少使用5个黑白目标进行配准，这些目标由全站仪在局部坐标系下确定。运动激光扫描是由该公司提供和操作的ProScan系统进行的p3d系统GmbH是一家从汉堡。这个系统配备了一个TLS -在这个例子中是HCU的IMAGER 5010 -加上一个GNSS天线和一个高精度的惯性测量单元iMAR导航GmbH是一家．此外，系统定位还需要一个GNSS参考站，该参考站安装在环形炮台附近的现场。为了在物体空间中携带18kg的系统，传感器组件被安装在一种被称为摄影机稳定器(摄影机稳定器)的特殊载体上，这种载体在胶片工业中使用(图2)。在行走过程中，操作员可以使用平板电脑控制系统。总共有3家运营商在2小时内扫描了4条铁轨，覆盖了1143米的长度和1.54亿个点。用于无人机摄影测量的是一架六翼直升机天空的英雄“间谍750”配备了一个万向节数码相机(索尼nex - 5， 16毫米焦距，1400万像素)。在一次8分钟的飞行中拍摄了186张图像，由于阵风很强，飞行模式是手动控制而不是自动控制(图3)。对于图像块的地理参考，将XYZ控制点的5个目标分布在物体周围，通过全站仪确定。
数据处理
收集到的数据经过这样一种处理方式，即为每个传感器获得类似和可比的数据集。而对于点云的地理参考，则采用了不同的处理方法。对于p3d系统数据，在PCloud软件中计算轨迹，以便为每条轨迹生成一个点云。利用来自参考站的GNSS信号将数据直接转换为UTM XY坐标，高度通过恒定位移进行调整。履带的定位精度约为2 - 3cm。利用扫描目标对静态激光扫描进行地理参考;每个站均使用全站测量的目标坐标进行登记，平均偏差为2.4mm。对UAS图像数据进行三角剖分Agisoft光扫描图利用五个控制点在一束调整中确定图像方向和摄像机标定参数。控制点调整后的残差小于1厘米。从动态TLS、静态TLS和UAS摄影测量中采集三个不同的点云，采样到点间距为15cm。为了进行比较，研究了环堡本身和环堡周围40米的面积。因此，每个数据量减少到120万个点。最后，从每一个三点云，每个传感器系统得到两个数据集。首先，点云被网格化Geomagic对于15cm点间距，第二个数据集通过过滤得到一个20cm点间距的规则网格，其中每个单元格保留最低点。在插图中，图4显示了来自UAS数据的网格，该网格仅使用最低点过滤到20cm网格。
导出数据比较
为了获得生成的DSM的精度信息，将不同的模型与全站仪的参考数据进行比较(图5)。由于地面上草长，估计草高可达40cm，所有DSM都存在显著差异;这三种测试方法都不是主流的。在不过滤的情况下对网格模型进行评估，得到以下结果:
在IMAGER 5010的静态TLS中，最大偏差为20cm的点所占比例为39%，在UAS摄影测量中为43%，在p3d系统的动态TLS中为38%。与过滤数据的结果相比，最大的点所占的比例。20cm的偏差对于所有的方法都更高，但不是相似的程度。p3d系统数据集已显著提高到63%,5010年成像仪数据集现在为53%,而“无人飞行系统”数据集显示了轻微上升至49%(图6)这显然是明显的密集图像匹配不能产生“真实”的地面点的低草或草地等植被。然而，激光扫描仪也有问题与草的高度;一方面靠近扫描站可以获得更好的结果，但另一方面，由于扫描仪的入射角，距离扫描站越来越远的点与无人机系统的数据有相似的偏差。表1总结了相对于参考数据集的高度偏差，包括与系统成本相关的数据采集和处理花费的时间。
系统 |
SC |
数据集1的偏差[m] |
数据集2的偏差[m] |
时间[h] |
||||
Ø |
分钟。 |
Max。 |
Ø |
分钟。 |
Max。 |
|||
TLS |
50.000 |
-0.28 |
-0.87 |
0．02 |
-0.22 |
-0.87 |
0.09 |
25 |
p3d |
150.000 |
-0.26 |
-0.79 |
-0.03 |
-0.19 |
-0.90 |
0．06 |
5 |
无人机 |
5.000 |
-0.27 |
-1.21 |
0.01 |
-0.25 |
-0.99 |
0．03 |
5 |
系统成本，时间:数据采集和处理的时间量 |
||||||||
表1、系统成本、与参考数据集相比的高差以及三种不同测量系统所涉及的时间。
结论
作者研究了三种不同的DSM生成系统和方法，并将实现的数据集与参考数据集进行了比较。由于长草和植被，高度相对于参考数据集的平均偏差高达30cm。对数据集的附加过滤稍微改善了结果，但不能消除差异。总体而言，p3d系统数据集被评价为最佳数据集，其次是静态激光扫描和UAS摄影测量。考虑到数据采集和处理所花费的时间，在5小时的工作量下，动态TLS和UAS摄影测量比静态TLS(25小时的工作量)更有效。必须假设，在植被较少的情况下，uas生成的数据可以获得与运动学TLS类似的质量。由于系统成本低，UASs是静态和移动激光扫描的替代解决方案。然而，在这项调查中，稍好一些的结果是由一个高端系统实现的，成本约为15万欧元，这可能是许多应用的排除标准。
进一步的阅读
- Kersten Th。，Lindstaedt, M., Mechelke, K., Omelanowsky, D., Prenting, J., 2016. Low-Cost vs. High-End Systeme im Vergleich – 3D-Aufnahme der Ringwallanlage Lembecksburg auf der Nordseeinsel Föhr (in German).摄影测量，激光扫描，Optische 3D-Messtechnik - Beiträge der Oldenburger 3D-Tage 2016Th。Luhmann / Ch。舒马赫(Hrsg.)， Wichmann, VDE Verlag GmbH, Berlin and Offenbach, pp. 150-161
确认
作者感谢来自Aerophoto Hamburg的Johannes Prenting博士的UAS飞行，以及Daniel Omelanowsky使用p3d系统的ProScan系统进行运动学扫描。同时也感谢以下本科学生(测绘学)对测量的支持:H. Depner, N. Kampf, K. Keilich, M. Kind, K. Kopczyk, A. Kosciuk, F. Sarabia和M. Spilker。
作者传记
麻仁Lindstaedt曾担任过教学和研究助理汉堡海港城大学的测绘专业2004年，她毕业于汉堡应用科学大学(Hamburg University of Applied Sciences)的测绘专业。
托马斯p Kersten自2001年起，在汉堡海港城大学(hafcity University Hamburg)的测绘学学士和硕士课程中担任摄影测量和激光扫描的正教授。他也是摄影测量与激光扫描实验室在那里。
克劳斯Mechelke自1992年以来，一直担任汉堡海港城大学测绘领域的教学和研究助理。
