無(wú)人機(jī)影像匹配點(diǎn)云技術(shù)在道路測(cè)設(shè)中的應(yīng)用

李 濤，袁中朝，沈彪群，高 波，王生新(. 山東省國(guó)土測(cè)繪院，山東 濟(jì)南 500； . 山東魯邦地理信息工程有限公司，山東 濟(jì)南 500)

橫斷面測(cè)量指的是測(cè)量中樁處垂直于中線方向的地表起伏形態(tài)的作業(yè)，然后繪制成橫斷面圖，供路基、邊坡、特殊構(gòu)造物的設(shè)計(jì)、土石方的計(jì)算和施工放樣之用[1]。在高速公路、鐵路等線路工程測(cè)量中必須進(jìn)行橫斷面測(cè)量。由于大型線路工程路基寬、設(shè)計(jì)精度要求高、縱橫斷面密度大，特別是在丘陵或山區(qū)地表高差變化大、通行不便的測(cè)區(qū)，使用傳統(tǒng)方法測(cè)量采集高程點(diǎn)數(shù)量有限，橫斷面工作效率較低，一旦改線還需要重新進(jìn)場(chǎng)測(cè)量，不僅生產(chǎn)成本高，而且嚴(yán)重影響設(shè)計(jì)工期，不能適應(yīng)當(dāng)前社會(huì)發(fā)展。

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，無(wú)人機(jī)在各行各業(yè)均呈現(xiàn)出一片欣欣向榮的景象，特別是在地理信息行業(yè)，無(wú)人機(jī)航攝正對(duì)傳統(tǒng)測(cè)繪手段帶來(lái)一次跨越性的飛躍。作為專業(yè)的測(cè)量型無(wú)人機(jī)，PPK、免像控技術(shù)、傾斜攝影技術(shù)正極大地提升著影像定位精度與高程精度[2]，同時(shí)主流的無(wú)人機(jī)處理軟件如AgiSoft PhotoScan、PIX4D Mapper、Smart 3D Capture等支持影像匹配點(diǎn)云功能。點(diǎn)云數(shù)據(jù)作為一種全新的地理信息產(chǎn)品，其巨大應(yīng)用價(jià)值在工程測(cè)量領(lǐng)域正逐步顯現(xiàn)[3]。本文以某高速公路測(cè)設(shè)項(xiàng)目為例，采用天狼星免像控?zé)o人機(jī)航攝設(shè)備獲取高分辨率影像，利用影像匹配點(diǎn)云技術(shù)與LiDAR點(diǎn)云處理工藝制作生成密集地面高程數(shù)據(jù)，進(jìn)而取代公路測(cè)設(shè)過(guò)程最耗時(shí)耗力的斷面測(cè)量工作，不僅大幅提高作業(yè)效率、降低生產(chǎn)成本，而且為道路改線、任意斷面設(shè)計(jì)、BIM系統(tǒng)應(yīng)用帶來(lái)極大便利。

1 無(wú)人機(jī)影像匹配點(diǎn)云技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1.1 無(wú)人機(jī)影像匹配點(diǎn)云為時(shí)代產(chǎn)物，順勢(shì)而生

影像匹配問(wèn)題一直是攝影測(cè)量與遙感、計(jì)算機(jī)視覺(jué)等領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，影像匹配技術(shù)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)尋找同名像點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)空中三角測(cè)量計(jì)算，生成正射影像的關(guān)鍵[4]。采用傳統(tǒng)攝影測(cè)量方法獲取高精度DEM數(shù)據(jù)，雖然精度高，但是費(fèi)時(shí)費(fèi)力，工作量巨大，采用雷達(dá)點(diǎn)云方式生成DEM自動(dòng)化程度較高，但需要投入價(jià)格高昂的專業(yè)LiDAR設(shè)備，數(shù)據(jù)獲取成本非常昂貴，這也是導(dǎo)致點(diǎn)云數(shù)據(jù)應(yīng)用難以在生產(chǎn)中普及的主要原因。而無(wú)人機(jī)影像匹配點(diǎn)云技術(shù)結(jié)合傳統(tǒng)航攝與LiDAR兩者的優(yōu)點(diǎn)，采用一種輕量級(jí)的裝備擁有了點(diǎn)云獲取的能力[5]。

1.2 AgiSoft PhotoScan多視點(diǎn)影像匹配技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)快速輸出

AgiSoft PhotoScan是一款將影像自動(dòng)生成高質(zhì)量三維模型的軟件，也是目前主流的無(wú)人機(jī)影像處理軟件，無(wú)需設(shè)置初始值，無(wú)需相機(jī)檢校，它根據(jù)最新的多視圖三維重建技術(shù)對(duì)任意照片進(jìn)行處理，通過(guò)給予的控制點(diǎn)，生成真實(shí)坐標(biāo)的三維模型。整個(gè)工作流程無(wú)論是影像定向還是三維模型重建，其過(guò)程均完全自動(dòng)化。高精度天狼星無(wú)人機(jī)航空測(cè)圖系統(tǒng)MAVinci Desktop結(jié)合AgiSoft PhotoScan軟件，可以輕松實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守方式一鍵獲取DOM、DEM與原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)[6]。

1.3 MAVinci Desktop航空測(cè)圖系統(tǒng)制定飛行計(jì)劃實(shí)現(xiàn)智能化管理

MAVinci Desktop是一款專業(yè)的無(wú)人機(jī)飛控軟件，可以提前根據(jù)測(cè)區(qū)范圍制定飛行計(jì)劃，或者根據(jù)測(cè)區(qū)需要由作業(yè)者臨時(shí)指定目標(biāo)區(qū)域和指定期望的GSD進(jìn)行創(chuàng)建飛行計(jì)劃(如圖1所示)。該軟件可以直觀高效地處理從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的多種飛行任務(wù)，如設(shè)置與線路工程走向一致的帶狀飛行計(jì)劃、覆蓋視線范圍內(nèi)最大范圍的螺旋狀飛行計(jì)劃等，其中自適應(yīng)地形起伏飛行模式可以獲取超低空高分辨率地面影像，不僅保證了恒定的影像重疊度，而且為獲取高精度影像匹配點(diǎn)云奠定了基礎(chǔ)[7]。

圖1 帶狀與自適應(yīng)地表起伏飛行模式

1.4 天狼星SIRUS Pro無(wú)人機(jī)助推影像點(diǎn)云匹配技術(shù)在生產(chǎn)領(lǐng)域成功應(yīng)用

無(wú)人機(jī)航測(cè)作為一種新型的低空遙感影像獲取手段，是傳統(tǒng)高空航空攝影與中低空航空感影像獲取的有效補(bǔ)充，具有響應(yīng)速度快、靈敏度高、使用成本低、操作簡(jiǎn)便的特點(diǎn)[8]。天狼星SIRUS Pro無(wú)人機(jī)高精度航空測(cè)圖系統(tǒng)，借助RTK技術(shù)，在采集相片的同時(shí)進(jìn)行RTK測(cè)量，每張照片都具有RTK固定解精度的位置信息。通過(guò)整合精密測(cè)時(shí)和高精度定位技術(shù)，使得天狼星無(wú)人機(jī)在空中即可完成傳統(tǒng)的地面像控。即使在完全免像控模式下也可以實(shí)現(xiàn)5 cm的定位精度，這從根源上保證了航片空間相對(duì)位置關(guān)系，也是空三加密后實(shí)現(xiàn)高精度影像匹配點(diǎn)云的基礎(chǔ)。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

本工程為萊蕪市境內(nèi)某高速公路定測(cè)階段進(jìn)行的橫斷面測(cè)量項(xiàng)目，線路設(shè)計(jì)里程為85 km，平均海拔為210 m，最低海拔為170 m，最高處為280 m。測(cè)區(qū)大部分位于微丘和重丘區(qū)，地貌比較破碎；測(cè)區(qū)地表以稀疏果園和低矮農(nóng)作物為主，大部分區(qū)域地表裸露，對(duì)無(wú)人機(jī)航飛點(diǎn)云噪點(diǎn)剔除比較有利。技術(shù)要求：按照對(duì)應(yīng)中樁樁號(hào)采集橫斷坐標(biāo)，在地形坡度變換處必須采集坎上坎下高程坐標(biāo)[9]。

2.2 實(shí)施方法

外業(yè)航測(cè)設(shè)備采用天狼星免像控?zé)o人機(jī)，將測(cè)區(qū)范圍線導(dǎo)入MAVinci Desktop飛行計(jì)劃軟件中設(shè)定GSD(地面采樣間隔)為3 cm，使用帶狀飛行計(jì)劃、自適應(yīng)地形起伏模式，相對(duì)行高為120 m；航向重疊度為80%，旁向重疊度為65%；平均每架次飛行長(zhǎng)度為3 km，帶寬為200 m，續(xù)航時(shí)間為30 min。

2.3 無(wú)人機(jī)影像匹配點(diǎn)云工作流程

無(wú)人機(jī)影像匹配點(diǎn)云工作流程如圖2所示。

圖2 無(wú)人機(jī)影像匹配點(diǎn)云工作流程

2.4 檢測(cè)方法

天狼星無(wú)人機(jī)影像匹配點(diǎn)云技術(shù)已經(jīng)在1000多千米高速公路地形圖測(cè)量中經(jīng)歷無(wú)數(shù)次精度檢驗(yàn)，具有較高的數(shù)據(jù)可信度；本次橫斷面測(cè)量采用傳統(tǒng)測(cè)量方式進(jìn)行驗(yàn)證，人工采集線路長(zhǎng)度為5 km，斷面點(diǎn)數(shù)量約14 800點(diǎn)。文中為便于展示僅選取 3個(gè)斷面，更多斷面與此類似(如圖3、圖4所示)。

圖3 傳統(tǒng)斷面測(cè)量地面高程點(diǎn)

圖4 利用無(wú)人機(jī)匹配點(diǎn)云獲取地面高程點(diǎn)

根據(jù)2種斷面線疊加分析(如圖5所示)可以看出2種斷面線基本吻合，但是存在稍許偏差，主要原因?yàn)辄c(diǎn)云點(diǎn)位與人工實(shí)測(cè)點(diǎn)位不完全一致，另外人工采集斷面點(diǎn)也存在取舍，2種方式生成的斷面線不完全吻合也屬于正?，F(xiàn)象。

圖5 2種斷面線疊加分析

3 土方量計(jì)算與精度分析

3.1 土方量計(jì)算

利用以上2種不同數(shù)據(jù)獲取方式生成DTM三角網(wǎng)文件，使用CASS軟件DTM法土方計(jì)算功能進(jìn)行比較(如圖6、圖7所示)，K44+400至K44+460三條斷面間計(jì)算結(jié)果為挖方量366.6 m3，填方量265.7 m3，填挖方平衡量99.9 m3，地表面積3600 m2，對(duì)地表高度整體影響約3 cm；擴(kuò)大檢測(cè)范圍，對(duì)K44+220至K44+500 30條實(shí)測(cè)斷面和無(wú)人機(jī)匹配點(diǎn)云進(jìn)行比較，計(jì)算結(jié)果為總挖方量2 723.8 m3，總填方量2 490.4 m3，挖方平衡量相差約233.4 m3，地表面積21 355 m2，對(duì)地表高度整體影響約11 cm。

圖6 利用實(shí)測(cè)橫斷線建立DTM格網(wǎng)

3.2 斷面測(cè)量方案對(duì)比

由于以上2種方式高程點(diǎn)獲取手段截然不同，傳統(tǒng)斷面測(cè)量在指定斷面線上精度較高，但是兩斷面線之間缺少數(shù)據(jù)構(gòu)建DTM模型精度不高，測(cè)量精度與地性線位置斷面加樁及作業(yè)人員的工作經(jīng)驗(yàn)關(guān)系較大；無(wú)人機(jī)匹配點(diǎn)云方式更傾向于方格網(wǎng)法，其點(diǎn)云密度基本達(dá)到2 m×2 m(在裸露地表點(diǎn)云密度可以達(dá)到0.5 m×0.5 m)，在點(diǎn)云精度可靠的情況下可以獲取非常精確的土方量結(jié)果(見表1)。

表1 橫斷面測(cè)量方案對(duì)比

圖7 利用點(diǎn)云建立DTM格網(wǎng)

4 結(jié) 語(yǔ)

機(jī)載LiDAR高昂的設(shè)備價(jià)格和復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理流程制約了用戶群體和應(yīng)用方向[10]。隨著科技手段的進(jìn)步，點(diǎn)云獲取不再是機(jī)載LiDAR的專屬手段，平民化價(jià)格的無(wú)人機(jī)同樣可以實(shí)現(xiàn)。盡管測(cè)繪原理不同，獲取的數(shù)據(jù)精度尚不能與機(jī)載LiDAR相媲美，然而無(wú)人機(jī)影像匹配點(diǎn)云技術(shù)作為一項(xiàng)全新技術(shù)手段有著非常廣闊的應(yīng)用前景。但是，其應(yīng)用還有待通過(guò)更多的案例進(jìn)行驗(yàn)證和完善，特別是需要進(jìn)一步優(yōu)化點(diǎn)云分類算法并降低數(shù)據(jù)處理難度[11]。

利用無(wú)人機(jī)影像匹配點(diǎn)云取代傳統(tǒng)斷面測(cè)量可為類似工程項(xiàng)目提供參考借鑒。

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