傾斜攝影測量在土方計算中的應(yīng)用

楊成波

(湖北省地質(zhì)局 地球物理勘探大隊,湖北 武漢 430056)

城市建設(shè)和發(fā)展離不開工程建設(shè)。工程建設(shè)施工前必須對土石方量進(jìn)行測量計算,它直接關(guān)系到工程投資及方案比選。實際工程項目中,因土方量計算精確性問題而產(chǎn)生的糾紛時有發(fā)生。只有土方量測量準(zhǔn)確,才能進(jìn)行合理的土方調(diào)配,降低工程費(fèi)用,加快工程進(jìn)度,提高工程質(zhì)量。因此,選擇合適的測繪方法精確地測定土方量十分重要。

土方計算是將需要計算的場地在平面上劃分為若干個規(guī)則圖形,然后在圖形角點利用原始高程與設(shè)計高程的高差,計算出每個圖形的平均高程,最后用圖形的面積乘以平均高程得到每個圖形的體積,將所有的圖形體積求和就是所需測量的土方量[1]。在工程的土石方量測算中,目前比較常用的計算方法有以下幾種:方格網(wǎng)法、斷面法、DTM法、等高線法、區(qū)域土石方量平衡法和平均高程法。無論哪種方法,原始數(shù)據(jù)的獲取是土方計算的基礎(chǔ),傳統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)的方法是利用全站儀、GPS RTK進(jìn)行野外數(shù)據(jù)采集,對于地形條件復(fù)雜且有遮擋的地方,傳統(tǒng)測量方法無法準(zhǔn)確獲取數(shù)據(jù),運(yùn)用傾斜攝影測量技術(shù)可以快速獲取現(xiàn)場圖像,提取數(shù)據(jù)。

傾斜攝影測量是將傳統(tǒng)航空攝影技術(shù)與數(shù)字地面采集技術(shù)結(jié)合起來的一種稱為機(jī)載多角度傾斜攝影技術(shù)。通過飛行平臺上搭載多臺或多鏡頭傳感器,從多個角度采集地面影像數(shù)據(jù),經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理、空三測量、影像匹配生成三維模型[2],可以讓用戶從多個角度觀察目標(biāo),更加真實地反映地物實際情況,并可直接利用成果進(jìn)行長度、高度、面積、角度、坡度等屬性的量測。在三維數(shù)字城市應(yīng)用中,利用其大規(guī)模成圖的特點,加上從傾斜影像批量提取和粘貼紋理的方式,能有效地降低城市三維建模成本。

傾斜攝影測量數(shù)據(jù)獲取較快,每天可獲取上萬張影像,這樣可以保證快速獲取測區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)生成DEM、DOM,為土方計算提供依據(jù),而且獲取的影像分辨率高,在三維模型重建過程中有著重要作用。相比于傳統(tǒng)的航空攝影測量,其應(yīng)用更加靈活,對起飛降落要求較低。傾斜攝影技術(shù)的成本較低,無人機(jī)和高清數(shù)碼相機(jī)就能滿足要求。

1 傾斜攝影測量技術(shù)用于計算土方的方法

利用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)快速獲取相片,生成三維模型,批量提取高程,利用土方計算軟件進(jìn)行方格網(wǎng)法計算土方量，流程如圖1所示。

圖1 生成流程圖Fig.1 Generating flow chart

1.1 影像數(shù)據(jù)獲取

在測區(qū)布設(shè)一定數(shù)量的控制點,使用無人機(jī)進(jìn)行低空攝影,從多個角度獲取地面影像。在拍攝影像的同時,記錄下影像位置姿態(tài)參數(shù)、航高、航向重疊、旁向重疊、POS數(shù)據(jù)等參數(shù)。

生成三維模型的精度和分辨率與采集的影像精度和分辨率直接相關(guān)[3]。為達(dá)到預(yù)定的影像精度,航高的確定應(yīng)滿足如下計算公式:

影像精度[m/像素]×焦距[mm]×圖像的最大尺寸[像素]=傳感器寬度[mm]×拍攝距離[m][4]

根據(jù)預(yù)先設(shè)定的飛行路線和航高及曝光間隔進(jìn)行無人機(jī)低空攝影,獲取影像數(shù)據(jù)。

1.2 圖像處理

影像獲取后對傾斜影像進(jìn)行預(yù)整理，將不同相機(jī)獲取的相片進(jìn)行分類,輸入相機(jī)文件數(shù)據(jù)和POS數(shù)據(jù),導(dǎo)入野外測量的控制點坐標(biāo),并在相應(yīng)的影像上刺點,對影像名稱和該影像對應(yīng)POS數(shù)據(jù)的名稱做修改,使其保持一致,之后將其分別導(dǎo)入到建模軟件中。用于傾斜攝影模型制作的影像,不能進(jìn)行任何修改,包括改變大小、鏡像、裁剪、旋轉(zhuǎn)、縮放、降噪、銳化、扭曲或調(diào)整亮度、對比度、色相、位深度、飽和度或色調(diào)[5]。

1.3 空三測量

結(jié)合記錄的外方位元素,采取由粗到精的金字塔匹配策略,在每級影像上進(jìn)行同名點自動匹配和自由網(wǎng)光束法平差,得到同名點匹配結(jié)果。同時建立連接點、連接線、控制點坐標(biāo)、POS輔助數(shù)據(jù)的多視影像自檢校區(qū)域網(wǎng)平差的誤差方程,通過聯(lián)合解算,保證平差結(jié)果的精度[6]。空三測量任務(wù)后影像信息完整,具有地理參考信息,且3D視圖中具有影像及模型的簡略視圖。

1.4 生成三維模型

多視影像密集匹配,在匹配過程中充分考慮冗余信息,快速準(zhǔn)確地獲取多視影像上的同名點坐標(biāo),進(jìn)而獲取地面的三維信息,生成三維模型[7]。

1.5 模型處理

將生成的模型文件導(dǎo)入模型處理軟件,將植被、房屋進(jìn)行踏平,將空洞進(jìn)行填充,生成地面高程模型。

1.6 高程提取

在模型處理軟件中選擇將高程按一定間距導(dǎo)出dat格式,在cass保存。

1.7 土方計算

應(yīng)用土方計算軟件將導(dǎo)出的高程作為原始高程，采用20 m×20 m方格網(wǎng)進(jìn)行土方計算。

2 應(yīng)用實例

武漢經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)(漢南區(qū))吉利飛行汽車地塊場平工程位于漢南區(qū)紗帽街(圖2),場平總面積266 001.33 m2,地面標(biāo)高一般在20～23.8 m之間。利用無人機(jī)傾斜攝影測量獲取影像,用Smart3D軟件處理獲得三維模型,利用DP_modeler模型處理軟件批量提取高程,生成高程數(shù)據(jù)文件,導(dǎo)入cass軟件計算得到土石方量。

圖2 工程地理位置圖Fig.2 Geographic location map of engineering

2.1 野外數(shù)據(jù)獲取

在地面測區(qū)用GPS RTK布設(shè)21個像控點,采用DJI GS PRO地面站軟件進(jìn)行航線規(guī)劃及航拍控制,利用iFly D6六旋翼無人機(jī)五相機(jī)(iCam Q5)拍攝系統(tǒng)進(jìn)行測區(qū)影像采集。共布置航線30條,采樣間隔2 s,飛行面積1 km2,飛行高度120 m，飛行3架次,獲取相片5 970張。

像控點采用GNSS實時動態(tài)定位(RTK)的方法進(jìn)行測量。

航拍影像條件:①航拍的航線范圍超出測區(qū)邊界線100 m以上。②像片重疊度,航向重疊度為80%,旁向重疊為60%,像片傾角在5°以內(nèi),旋偏角<15°。③所拍攝影像資料的影像精度為2 cm;影像資料清晰,色彩均勻,飽和度良好,無去影和劃痕,層次豐富,色差適中,獲取影像質(zhì)量完整、良好。

2.2 影像數(shù)據(jù)處理

影像數(shù)據(jù)采用Smart3D Capture進(jìn)行處理,生產(chǎn)流程如圖3所示。

圖3 模型生成流程圖Fig.3 Flow chart of model generation

在進(jìn)行空中三角測量之前,先對原始影像進(jìn)行預(yù)處理,將試拍的照片去除,對色差差異較大的照片做勻光處理,然后將其分別導(dǎo)入到Smart3D Capture軟件中,輸入相機(jī)文件數(shù)據(jù)、照片POS文件數(shù)據(jù)[8]。使用POS輔助空三平差,之后導(dǎo)入野外測量的控制點坐標(biāo),并在相應(yīng)的影像上刺點,使用控制點與POS的聯(lián)合平差,得出空中三角測量平面中誤差為0.2 mm,高程中誤差為0.05 mm。

進(jìn)行影像密集匹配,找出同名像點,根據(jù)同名像點反算物方空間點,生成密集點云[9]。根據(jù)密集點云構(gòu)建TIN模型,再把相應(yīng)區(qū)域的紋理映射到模型上,得到三維模型,模型結(jié)果如圖4所示。

圖4 三維模型圖Fig.4 Three-dimensional model map

2.3 植被踏平及高程提取

利用DP_modeler模型處理軟件對漂浮物和植被、房屋遮擋部分進(jìn)行處理。在網(wǎng)格編輯視圖中,選擇“平面選擇”,開始選擇踏平范圍;將要踏平區(qū)域全部勾在范圍內(nèi),選擇“踏平”,將植被、房屋等突出地面的地表突出物踏平至地面;選擇“立體選擇”,運(yùn)用多面體將要刪除的漂浮物全部包圍在內(nèi),調(diào)整好多面體的高度和底面高度,底面高度一定要與地面一致,選擇“刪除”,將地面漂浮物刪除;經(jīng)過踏平和立體刪除后,地面高程就可以自動生成了。

在DP_modeler矢量測圖圖層管理器中選擇一般高程點,用矢量圖層管理器中線工具,將等高線的范圍畫出來,選擇矢量范圍線,選自動高程,按20 m選擇一個高程點,軟件將自動打出高程點。導(dǎo)出dat格式,在南方cass中保存。

2.4 土方量計算結(jié)果分析

首先在實地野外采集一定數(shù)量的高程點,根據(jù)采集數(shù)據(jù),用南方Cass軟件土方計算功能按23.0 m的標(biāo)高計算出對應(yīng)地形的土方量;之后用在三維模型上導(dǎo)出高程點計算土方量。

模型精度檢驗:在場地四周已建水泥道路上實測了69個點[10],同時在模型上選取同名點進(jìn)行驗證,結(jié)果見表1。

對比使用野外實地測點高程和用模型提取高程結(jié)果,兩者的中誤差為2.9 cm,最大誤差為5 cm,在限差5 cm以內(nèi),模型精度滿足測量精度要求。對比使用野外實地測點計算土方量和用模型提取高程計算土方量的結(jié)果如表2所示。

表1 野外實測高程點與模型生成高程點精度對比表Table 1 Comparison table of elevation point accuracy between field measured elevation points and models

表2 土方計算成果對比表Table 2 Comparison table of earthwork calculation results

由表中數(shù)據(jù)得知,兩者相差13 250 m3,誤差在6%左右,計算結(jié)果比較接近。模型測量結(jié)果填方量少于實際測量結(jié)果,其原因可能是現(xiàn)場土質(zhì)較松,模型測量是測量地表高程,實測時由于測量設(shè)備自重導(dǎo)致實測高程低于地表高程,最終影響土方計算結(jié)果。需要說明的是,土方計算本來是一種估值,其結(jié)果是用于投資概算或估算,在實際應(yīng)用中需結(jié)合現(xiàn)場進(jìn)行驗證,一般認(rèn)為與計算結(jié)果在10%以內(nèi)都是可行的。本次土方計算的結(jié)果說明,運(yùn)用傾斜攝影測量方法建立三維模型,經(jīng)過處理后提取高程進(jìn)行土方計算的結(jié)果是可靠的。

無人機(jī)傾斜攝影進(jìn)行土方測量具有如下優(yōu)越性:

(1) 減少野外測量工作量。無人機(jī)進(jìn)行土方測量,主要是野外少量相控點的布設(shè)和采集,加上無人機(jī)采集相片數(shù)據(jù),相比于傳統(tǒng)的野外測點,野外工作量較少,將主要工作轉(zhuǎn)換到內(nèi)業(yè)處理,較為輕松。

(2) 突出的時效性和性價比。對于地形復(fù)雜和面積較大的區(qū)域,用傳統(tǒng)測量的方法周期長、難度大,而用傾斜攝影大范圍成像的特點,可以快速獲取大區(qū)域的數(shù)據(jù),更快地對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,更快地得出結(jié)果，且價格具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢。

(3) 成果豐富和后續(xù)處理能力更強(qiáng)。系統(tǒng)攜帶的數(shù)碼相機(jī)等設(shè)備可快速獲取超高分辨率數(shù)字影像和高精度定位數(shù)據(jù),生成DEM、DOM、DLG。三維模型為土方計算中確定地表覆蓋物、桿線遷改、房屋拆遷、土方調(diào)配等提供了可視化數(shù)據(jù),便于進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計和后續(xù)處理。

3 結(jié)論

傾斜攝影測量經(jīng)過幾年的發(fā)展,在測繪領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。傾斜攝影測量是非接觸式的,在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時具有高速度、高效率、高精度、大范圍等特點,采集得到的圖像分辨率高,可以經(jīng)過處理生成初始三維模型。本文結(jié)合傾斜攝影測量的原理、特點以及其他有關(guān)快速獲取地形數(shù)據(jù)的技術(shù)與方法,就傾斜攝影測量在土石方量計算中的應(yīng)用進(jìn)行研究,得出如下幾點結(jié)論:

(1) 通過傾斜攝影測量,重建了目標(biāo)區(qū)域的三維模型,用該模型進(jìn)行土石方量計算,結(jié)果與野外實地測量計算的結(jié)果相差不大,表明傾斜攝影測量技術(shù)可以應(yīng)用于土方工程的測量。

(2) 對于植被覆蓋和建筑群區(qū)的傾斜攝影測量土石方量計算,提供了用模型處理軟件進(jìn)行處理的解決方法。

(3) 土方計算的精度主要取決于高程,生成三維模型的精度和分辨率與采集的影像精度和分辨率直接相關(guān)。應(yīng)綜合考慮地面分辨率、重疊度以及工作量和安全等因素,在滿足各項技術(shù)精度指標(biāo)的前提下,布置較為適宜的航高。

應(yīng)當(dāng)指出,本文研究傾斜攝影測量技術(shù)在土方計算中的運(yùn)用,是在地形比較平緩的情況下進(jìn)行的,在復(fù)雜地形情況下的應(yīng)用效果還需進(jìn)一步驗證。