P4-RTK無人機在不規(guī)則堆體體積量算中的應(yīng)用與精度分析

連增增,趙曉明,李飛,楊帆

(1. 河南理工大學(xué) 測繪與國土信息工程學(xué)院,河南 焦作 454000;2. 東南大學(xué) 儀器科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 210000;3. 西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,四川 成都 611756)

0 引 言

對于一些不規(guī)則堆積物(如煤堆、礦石堆、原料堆等)的體積測量工作是測繪領(lǐng)域較為常見的工作．體積量算常規(guī)的方法是采用全站儀或GNSS-RTK在堆體表面采集一定密度的三維坐標點,通過構(gòu)建三角網(wǎng)及繪制等高線,利用DTM 法或方格網(wǎng)法計算出堆積體的體積[1]． 這樣就可以使企業(yè)了解其工業(yè)堆體原料庫存量,以便于后續(xù)生產(chǎn)和庫存管理[2]． 該方法主要的缺點是費時費力,且對于不規(guī)則的堆體而言,GNSS-RTK測量的點坐標數(shù)量有限,部分高程點也無法觀測． 而另一種對不規(guī)則堆積物進行體積量算的方法是無人機航攝技術(shù)．傳統(tǒng)的航攝技術(shù)因為存在無人機飛行姿態(tài)穩(wěn)定性較差、影像質(zhì)量較差等問題,所以需布設(shè)足夠數(shù)量且位置穩(wěn)定的像控點,以保證測區(qū)成果的作業(yè)精度[3]． 但由于本文所研究的建筑廢料堆積體的兩側(cè)有垂直斷面和松動碎石區(qū)域,以致于實際作業(yè)無法得到足夠數(shù)量坐標點像控點．導(dǎo)致使用GNSS-RTK和傳統(tǒng)航攝技術(shù)對不規(guī)則堆體進行體積量測時得到的誤差相對來說較大,而無法達到企業(yè)相關(guān)的精度要求．

因此,利用具備實時動態(tài)(RTK)的無人機對原料堆積體進行體積測量便成為了全面、成本低以及效率高的最有效方式．內(nèi)置GNSS-CORS-RTK的無人機對不規(guī)則堆積體攝影得到高精度POS數(shù)據(jù)后直接導(dǎo)入ContextCaptue及Photoscan等軟件進行空三加密、點云、DEM、DOM、DSM等數(shù)據(jù)的生成以及建立三維模型,繼而進行體積量算．

1 免像控?zé)o人機航攝技術(shù)

近年來無人機航攝憑借其自身高效率、成本小等優(yōu)勢,在測繪行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用．然而傳統(tǒng)的航攝技術(shù)存在許多不足,如飛行不穩(wěn)定、影像重疊度不規(guī)則、畸變大、數(shù)量多等． 因此，為了提高空三加密精度,進行數(shù)據(jù)處理時便需要足夠多的地面像控點．地面像控點的測量工作會嚴重制約航測工作的效率與質(zhì)量．

本文所使用大疆P4-RTK無人機采用的是實時差分RTK技術(shù),使無人機可以實時獲取高精度POS數(shù)據(jù)． 并利用該數(shù)據(jù)進行POS輔助空中三角測量． 即指光束法區(qū)域網(wǎng)模型引入攝像機曝光時刻攝站點的三維坐標和姿態(tài)角組成的高精度POS數(shù)據(jù),將其當(dāng)作額外的非攝影觀測值,由此可將地面控制取代,然后運用整體平差的方法,利用一致的平差模型和算法,求出像片的外方位元素和加密點坐標的理論技術(shù)與方法[4]．

通過應(yīng)用高精度實時差分RTK與無人機航攝相結(jié)合的技術(shù),在無地面像控點的情況下,也可使用戶精度達到厘米級,有效地提高成果精度和整體質(zhì)量[4]． 而在數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理方面,其自動化程度很高,能直接輸出高精度、高清晰度的3D成果[5]．

而基于連續(xù)運行參考站(CORS)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)主要是由基準站、數(shù)據(jù)中心等組成,且通常采用虛擬參考站技術(shù),它的主要原理是:數(shù)據(jù)中心接收由各個基準站發(fā)來的數(shù)據(jù)信息,然后對接收到的信息進行調(diào)整,并建立相應(yīng)的誤差改正模型[6]． 用戶會向數(shù)據(jù)中心發(fā)送大概坐標,隨后數(shù)據(jù)中心根據(jù)所接收到的近似坐標判斷出用戶處于由哪三個基準站所組成的三角形內(nèi),然后在用戶附近建立一個虛擬參考站,數(shù)據(jù)中心對該虛擬參考站的信息進行更改后將準確的信息傳送給用戶[6-7],用戶根據(jù)這些實時差分改正信息可獲得比較高的定位精度．

2 實驗與分析

為了驗證用于大比例尺成圖的精度,本文從不規(guī)則堆積體體積量算項目出發(fā),以焦作市解放區(qū)建筑材料加工廠測區(qū)為例,對大疆P4-RTK小型多旋翼高精度航測無人機所獲取的像片進行全自動空三加密． 隨后根據(jù)得到的檢查點誤差對數(shù)據(jù)成果進行精度分析,以驗證具有免像控航攝技術(shù)的無人機航測可以達到大比例尺成圖的精度要求,具體作業(yè)流程如圖1所示．

圖1 免像控?zé)o人機航測作業(yè)流程

2.1 實驗區(qū)工程概況

實驗區(qū)位于河南省焦作市解放區(qū)建設(shè)西路,實驗區(qū)面積約為0.56 km2,地形為平原地帶,區(qū)域周圍為居民地和部分工廠場地． 研究對象廢料堆積體為一家建筑材料加工廠內(nèi)的建筑廢料堆積體,其形狀大致呈不規(guī)則近似臺狀體,底面長寬約為 250 m ×130 m,高約為33 m,如圖2所示．

圖2 原料堆積物

2.2 數(shù)據(jù)獲取

實驗使用大疆P4-RTK小型多旋翼高精度航測無人機,其云臺系統(tǒng)搭載有1英寸2000萬像素CMOS傳感器,智能紅外感知和視覺避障系統(tǒng),并配備TimeSync系統(tǒng)RTK模塊及高靈敏度全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS),使其具備厘米級導(dǎo)航定位精度和高性能成像系統(tǒng),具體無人機參數(shù)如表1所示．

為保證建模精度要求以及重疊區(qū)域有足夠的數(shù)據(jù)要求,設(shè)計飛行的航高約 200 m、旁向重疊度為 70%、航向重疊度為 80%、飛行架次為3次,共獲取 685張傾斜影像數(shù)據(jù)．

表1 無人機技術(shù)參數(shù)

2.3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

將使用免像控?zé)o人機航攝技術(shù)獲取的高精度影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入Agisoft Photoscan,然后進行對齊照片、生成密集點云,隨后導(dǎo)出空三處理報告．

根據(jù)處理報告結(jié)果,需要重點檢查免像控?zé)o人機所攝取影像的重疊度是否滿足要求,以便馬上發(fā)現(xiàn)問題并采取二次飛行等措施進行及時處理． 本次飛行圖像重疊情況、攝像機位置和誤差估計如圖3～4所示,攝站點全球定位系統(tǒng)(GPS)平均中誤差如表2所示．

圖3 攝像頭位置和圖像重疊

圖4 攝站點GPS平均中誤差

表2 攝站點GPS平均中誤差 m

檢查完影像數(shù)據(jù),且各方面符合要求后,繼續(xù)生成網(wǎng)格以及生成紋理一系列自動處理操作,自動高效地生成測區(qū)DOM、DEM、三維模型等測量成果如圖5～7所示．

圖5 正射影像圖(DOM)

圖6 數(shù)字高程模型(DEM)

圖7 三維模型

2.4 成果精度統(tǒng)計與分析

為了檢測生成的三維模型、DEM及DOM的精度． 經(jīng)過空三加密后得到的X、Y、Z誤差如表3所示.

表3 檢查點誤差

利用中誤差計算公式評定模型平面位置精度:

(1)

(2)

(3)

由式(1)～(3)可得,檢查點平面坐標中誤差是0.047 m,其中最大誤差為0.062 m,同理高程坐標中誤差是±0.085 m,其中最大誤差是0.065 m． 平面坐標和高程坐標的最大誤差均小于10 cm．1∶500地形圖的成圖比例尺在平地地區(qū)平面和高程坐標的最大限差分別為0.5 m、0.4 m，可知檢查點的精度符合相應(yīng)精度要求．

3 堆積體體積量算及精度分析

由于堆積體一側(cè)為接近垂直的斷面,人工無法量測該部分高程點,因此，將RTK所采高程坐標生成的大部堆積體的體積與三維模型量測的體積進行對比分析時,后者所選堆積體的范圍以前者為主,以避免造成誤差過大,無法比較的情況．

3.1 基于三維模型的體積量算

Smart 3D (ContextCapture)生成三維模型的處理流程為:新建項目后,將使用免像控?zé)o人機獲取的高精度影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入一個空區(qū)塊 block-1中,隨后導(dǎo)入控制點坐標,進行刺點工作并設(shè)置檢查點．?dāng)?shù)據(jù)導(dǎo)入正確及控制點添加完成后,提交空中三角測量．空三開始后,CC會自動進行特征點提取、影像匹配及光束法區(qū)域網(wǎng)平差等步驟．空三解算完成后,若結(jié)果顯示影像數(shù)據(jù)完整,便可得到測區(qū)的點云數(shù)據(jù),如圖8所示．

圖8 密集點云

然后新建重建項目,并對空間框架進行規(guī)則平面格網(wǎng)切塊．調(diào)整好瓦片大小后,提交生產(chǎn)項目,開始三維建模,建模成果如圖9所示．

圖9 三維模型

由于需要證明運用無人機免像控技術(shù)進行不規(guī)則堆體體積的量算也能滿足實際生產(chǎn)的要求， 因此加控制點的三維模型完成后,再在無控制點的基礎(chǔ)上生成新的三維模型．最后便可以分別在不同條件下生成的兩個三維模型上進行量算體積的工作．

測量方法即為采用繪制邊線與設(shè)置標高方式自行繪制地面草圖,推演指定位置的堆積體體積．

完成地面草圖繪制工作后,Smart 3D會自動生成堆積體的體積,并且左側(cè)屬性欄會顯示“切割”、“填充”、“采樣距離”的值． 因此,以RTK采樣區(qū)域為前提,繪制堆積體范圍的體積． 為了使量測的數(shù)據(jù)更為可靠,經(jīng)多次量測,免像控點時,測得的部分堆積體平均體積為101 665.86 m3;有像控點所測得的堆積體體積為101 741.77 m3．

圖10 Smart 3D 體積量算圖

最后在Smart 3D和Photoscan所生成的三維模型上量測堆積體的完整體積如圖11～12所示,結(jié)果分別為441 941.72 m3和430 616.5 m3． 二者相差約11 325 m3,相對差值為2.5%．

圖11 Smart 3D量測體積圖

圖12 Photoscan量測范圍

3.2 基于GNSS-RTK所采高程點的體積量算

量算不規(guī)則堆積體體積的另外一種方法是使用GNSS-RTK采集堆積體表面足夠數(shù)量的三維坐標點,然后采用南方CASS中的DTM法計算不規(guī)則堆積體的體積．

DTM法計算堆積體體積的原理是根據(jù)GNSS-RTK測得的離散點三維坐標,利用南方CASS生成三角網(wǎng)和設(shè)置平場標高的方式計算每一個三棱柱體的體積,最后累加得到指定區(qū)域內(nèi)的體積量．

本次實驗采用GNSS-RTK共獲取263個高程點,將高程點導(dǎo)入CASS中展開,然后刪除多余高程點,選擇其中123個高程點,在工具欄中點擊等高線,生成DTM，如圖13所示,然后使用DTM法計算土方量,以 98.27 m 高程所在平面為基準面計算得到的總體積為101 997.40 m3．

圖13 DTM法

3.3 體積量算精度分析

該實驗劃出原料堆積體四分之一區(qū)域進行體積量算,通過比較不同處理方法所得到的堆積體體積，如表4所示,進行精度分析．

在不加像控點的前提下以Smart 3D生成的三維模型為基礎(chǔ)量算堆積體體積為101 665.86 m3． 然后再根據(jù)加入像控點后生成的三維模型所量算的堆積體的體積為101 741.776 m3． 二者相對差值近似于0,可見基于免像控航攝技術(shù)的無人機通過內(nèi)置實時差分的網(wǎng)絡(luò)RTK可以在無像控點的情況下,獲取高精度的影像數(shù)據(jù),使其生成的成果達到企業(yè)相關(guān)精度要求．

由RTK所采的高程點,用DTM法計算得到的體積為101 997.40 m3． 可以看到通過三維模型而量算的體積與RTK所采點生成的結(jié)果相差約294 m3．相對差值為0.007%,符合工業(yè)測量精度要求．由此可見,當(dāng)量測的堆積體體積較小,且高程點數(shù)量足夠的情況下,使用GNSS-RTK在精度上可以滿足實際生產(chǎn)的需求．但當(dāng)企業(yè)的原料堆積物過大且地形特殊復(fù)雜以至于一些高程點無法獲取時,由全站儀或RTK獲得的高程點所生成的堆積物體積與根據(jù)免像控?zé)o人機航攝獲取的數(shù)據(jù)所生成的三維模型量算的堆積體體積相比,誤差會有所增加．雖然結(jié)果也是符合工業(yè)測量所要求的精度要求的,但相對于使用全站儀或RTK獲取高程點時所出現(xiàn)的作業(yè)強度較大、精度較低且部分點無法獲取等情況而言,具有高精度、高效率、智能化且操作簡便等優(yōu)點的免像控?zé)o人機航攝技術(shù)更適合用于企業(yè)大型原料堆積體的體積量算工作,且在精度上可以滿足企業(yè)實際生產(chǎn)的要求．

表4 不同方式體積量算結(jié)果

4 結(jié) 論

1)大疆精靈P4-RTK無人機由于應(yīng)用 GNSS CORS RTK定位技術(shù),因而在飛行前不僅不用設(shè)置地面基準站,而且規(guī)劃好測區(qū)范圍、航線、航高等參數(shù)開始航飛后,無人機在飛行的同時便可實時獲取高精度無人機定位信息,其定位速度更快速更精確．

2)大疆精靈P4-RTK無人機采用免像控航攝技術(shù)在飛行過程中所獲取的高精度飛行信息不僅可用于無人機自動導(dǎo)航與飛行姿態(tài)調(diào)整,而且可在航拍過程中獲取高精度POS數(shù)據(jù),無需再布設(shè)地面點以提高數(shù)據(jù)精度．最后生成堆積體的密集點云,三維模型及相關(guān)成果,如DEM、DSM等,均滿足地圖測圖的平面、高程以及堆積體體積量測的精度要求．

3)對于原料堆積物而言,若其范圍過大且地形過于復(fù)雜,不利于進行三維坐標點數(shù)據(jù)采集時,不建議使用全站儀或RTK進行堆積物的體積量測,因為若坐標點數(shù)量不夠以至于無法覆蓋整個堆積體時,堆積體的完整體積不僅無法測出,且精度也沒有由無人機所獲取的數(shù)據(jù)量測的體積精度高．