攝影測量與光達:哪一種最適合我呢?
Gabriel Torres|2019年10月18日
MicaSense,Inc.的聯合創辦人,Amazon Prime Air的高級技術項目經理
 
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(圖片引自:https://wingtra.com/drone-photogrammetry-vs-lidar/)

在無人機的調查任務中,攝影測量法與光達的選擇很大程度要取決於應用的考量,需要考量實際執行的各種因素,包含:成本與複雜程度,所以在選擇時需要考量需求而找到最適合的解決方案。
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攝影測量法(左)與光達系統(右)都可以建立準確的3D地圖。攝影測量可以輸出包含彩色的高解析度視覺數據,讓地圖上每個點都有這些色彩資訊,以利後續的解釋。光達系統通常都是輸出根據反射強度渲染的點雲資料,可以很輕鬆的辨識出軟的物體(如:樹木、草叢) 與硬的物體(牆壁、屋頂、汽車等)。( 圖片來源:USGS (2018a): Kilauea Volcano, HI June 2018  https://portal.opentopography.org/datasetMetadata?otCollectionID=OT.062018.6635.1 )

目錄:
  1. 攝影測量學如何作業?
  2. 光達(LiDAR)如何作業?
  3. 兩者的準確度如何?
  4. 攝影測量和LIDAR在特定應用中
  5. 操作上的考慮
  6. 比較表:攝影測量法和激光雷達
  7. 結論
攝影測量學如何作業?
在攝影測量中,無人駕駛飛機(UAV)會在一個區域內捕獲大量的高解析相片,這些影像會重疊在一起,因此可以在多張照片及不同的拍攝角度中看到地面上的同一點,有點類似人腦利用兩隻眼睛的觀測訊息來提供深度的感知方式,攝影測量就是利用多張影像的不同角度觀測相同位置來產生3D地圖。

結果是:高解析的3D地圖不僅包含高程或高度訊息,還包含地圖上每個點的紋理、形狀與顏色,更輕鬆簡便的產生3D點雲。
使用攝影測量的無人機攝影系統具有良好的成本效益,並且在收集2D及3D的位置時,需要的時間與工作方式也相當靈活。

 
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攝影測量利用多張重疊的影像拚接,建立正射影像、DTM(數值地形模型)與3D點雲地圖。


光達(LiDAR)如何作業?
光達(LiDAR)所代表的是「光的檢測與測距」,這項技術已經存在數十年了,但是直到最近才出現可以掛載在大型無人機上的尺寸及功率的機型。
光達使用反射震盪鏡在多個方向上發出雷射脈衝,以便在無人機向前移動時產生一道「光」,透過測量雷射反射的時間差與強度,可以提供地形與地面物體的數據。

 
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(圖片引用自:https://www.yellowscan-lidar.com/knowledge/how-lidar-works/)

雷射的感測器其實只是光達系統的一部分,要收集可用的數據,其實還需要一個高精度的衛星定位系統(GNSS)和高精度的感應器來確定設備在空間中移動的方向,即慣性測量單元(IMU)。這些感測系統都需要完美的整合,才能夠將原始數據變成可用的資料。
精準的光達系統非常適合用於測量,但可能會花費數十萬美金,由於設備重量與功率的要求,攜帶這樣的設備所需要的無人機也就得是較大的機型,並且他們測量大範圍面積的能力也會受到限制。
高階的攝影測量系統成本約在2萬到3萬美金(台幣60至90萬左右)之間,而光達系統通常光是感測器的成本就在5萬美金(台幣150萬左右)以上,對於具有良好調查品質的完整系統來說,成本會在15萬到30萬美金(台幣450萬至900萬)之間。

 
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(引用自:https://www.yellowscan-lidar.com/applications/corridor-mapping/)

兩者的準確度如何呢?
攝影測量法與光達都可以提供一定精度的3D模型,尤其是與地面測量方法相比。
在攝影測量方面,針對硬質的表面可以達到水平誤差1公分,且高程誤差2至3公分的程度,可用於精確的體積計算。
但是請注意,如果要達到這種性能,用於攝影測量的無人機需要非常專業,並且掛載正確的影像感測器與鏡頭。另外,不僅僅是像素而已,事實上兩個相同像素的相機,不同尺寸的感測器也會提供不同的影像品質與準確度。
正確的任務計畫與資料後處理對於達到最佳精度也非常重要,與完全依靠光達系統產生的成果相比,圖像之間良好的重疊可以提高準確度,並提供更好的誤差校正,具有專業任務計畫的高階無人機系統有助於確保使用者收集可產生準確結果的高品質數據。

 
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利用攝影測量所產製的點雲成果在軟體上可以快速準確地計算土方體積。

對於光達而言,高階的系統可以產生水平與高程誤差在1至2公分範圍內的結果,但對於這種額外1公分的垂直精度,與攝影測量法相比,將會需要在金錢成本與操作複雜性上面付出相當多代價。

攝影測量與光達應用在特定領域
對於大多數任務而言、攝影測量可以獲得與光達相似的3D成果,但由於具有高解析度的影像數據,因此具有更多廣泛的應用。然而,在某些特定的應用中,可以證明使用光達系統是較為合適的,我們在下面討論了一個這樣的例子(茂密的植被)。

具有高解析度可直接檢視的3D地圖
攝影測量不僅可以生成準確的3D模型,還可以生成該模型上每個點的彩色高解析度訊息,與純光達的點雲相比,這樣的特性可以為3D數據提供無與倫比的視覺環境,並且使結果的分析與解釋更加容易。

植被下的地形建模
在某些特定的情況下,需要輸出植被以下的地形模型,雖然你可能使用攝影測量法可以在植被稀疏的區域有效建立3D模型,但是如果是在植被相對密集的區域時,光達的脈衝能量就可以穿過樹葉間的縫隙並到達下面的地面。
一些高階的光達系統(稱為全波形)可以從單個光脈衝接收多次反射,這對於需要在樹冠結構中做林業應用相當有效。
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(引用自:https://www.yellowscan-lidar.com/applications/forestry/)
 
大範圍的詳細調查
功能強大的無人機與高解析相機搭配使用可以在一次飛行中涵蓋數百公頃的土地,產生2D及3D成果,相較於同類光達系統解決方案的覆蓋範圍高出5倍以上,利用更短的時間與成本收集高品質的測繪數據。
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左圖為攝影測量所得的正射影像。右圖為攝影測量所得的DTM(數值地形模型)。

操作上的考量
光達系統相較於攝影測量會需要所有組件完美地同步工作,像是感測器中的小間隙或誤差就會導致輸出成果的重大誤差,更嚴重的是,輸出看起來正確的資料,結果卻完全不正確,地面控制點的技術在攝影測量中輔助影像拼接就非常有用,但在光達的作業中較難實現,錯誤的光達數據在大部分的情況中,只有重測這個唯一的解決方式。
光達系統在操作時需要一位了解每個子系統工作流程與細節的人員,才能夠辨別一致又準確的數據。
相較之下,攝影測量利用地面上同一點的多張影像重疊,可以在後處理進行校正,甚至在非理想條件或操作下也可以輸出高精度的成果,不僅如此,無人機的攝影測量法並不需要太專業的操作人員,擁有更多的靈活性與成本效益。

比較表:攝影測量法與光達系統
 攝影測量光達系統
成本2至3萬美金,專業無人機與高解析度攝像頭系統只有感測器:5萬美金以上
完整系統:15至30萬美金
操作複雜程度無須額外的感測器,地面控制點的佈置需要額外的時間,但卻可以校正資料收集的誤差光達系統需要多個組件的完美同步工作才能收集到可用的數據
輸出成果2D正射影像與3D表面模型、點雲3D點雲,多回波的雷射強度圖與可用於分類的全波形資訊
準確度水平1公分、垂直2至3公分(硬質表面)垂直1至2公分(軟和硬質表面)
適合的應用測繪、調查、礦業等大範圍需要水平垂直高精度的應用茂密植被下的地形模型、林業、電纜線的3D建模或複雜結構的3D建模

結語
攝影測量法與光達系統的工作方式各有各自適合的應用領域,然而,在大部分的調查任務中,不管是費用成本或操作複雜度、資料處理複雜度而言,攝影測量法都能以較有優勢的條件提供與光達系統相似的高準確度成果,而光達系統在某些特定的應用領域中卻有著無法取代的重要性。因此,充分了解資料收集的對象與期望的成果目標,才能挑選最合適的工作方式。

原文連結:https://wingtra.com/drone-photogrammetry-vs-lidar/

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