無人機(jī)攝影測量在石料堆存計(jì)量中的應(yīng)用

李增輝，聶洪斌

（1.中國港灣工程有限公司，北京 100027；2.中交四航局第二工程有限公司，廣東 廣州510230）

關(guān)鍵字：無人機(jī)；攝影測量；石料計(jì)量

引 言

科倫坡港口城項(xiàng)目位于斯里蘭卡首都科倫坡，地處高爾路西側(cè)，科倫坡國際集裝箱碼頭南側(cè)。工程主體由陸域吹填防波堤、攔砂壩、潛堤、護(hù)岸、游艇碼頭、陸域吹填以及陸上各種建筑結(jié)構(gòu)組成，其中外防波堤總長3 245 m，攔沙壩長677 m，護(hù)岸長約8.6 km。水工主要結(jié)構(gòu)由石料拋填而成，石料總需求量達(dá)320萬m3，石料采購規(guī)模大、費(fèi)用高、工期短、堆存場地有限等因素致使精準(zhǔn)快速計(jì)量成為工程成本控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

圖1 項(xiàng)目航拍

工程石料需求量大、工期短、堆儲場地小，需及時更新石料堆儲數(shù)據(jù)；設(shè)計(jì)石料規(guī)格種類多，石料堆放的平整度和密實(shí)度影響測量進(jìn)度和計(jì)量精度；石料從項(xiàng)目30 km以外采石場運(yùn)輸至工程現(xiàn)場，路程遠(yuǎn)，成本高，計(jì)量成果的精度更是直接影響工程石料采購成本控制；大塊石堆放平整度差，傳統(tǒng)手持RTK-GPS測量易受作業(yè)環(huán)境影響，更新計(jì)量數(shù)據(jù)進(jìn)度緩慢，堆放不平整的塊石容易傾倒，導(dǎo)致測量人員受傷事故時有發(fā)生。因此，研究采用先進(jìn)的測量技術(shù)對類似工程具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 無人機(jī)攝影測量優(yōu)勢

無人機(jī)攝影測量是遙感領(lǐng)域用于測繪生產(chǎn)的高新技術(shù)，在使用過程中測量精度高，人力及資金投入量少，采集數(shù)據(jù)量大，時間效率高，方便大區(qū)域作業(yè)，使用操作靈活，對作業(yè)環(huán)境要求低。針對在工程石料計(jì)量中的應(yīng)用，設(shè)備體積比較小，結(jié)構(gòu)簡單，作業(yè)人員使用遙控器即可進(jìn)行操作控制，設(shè)計(jì)飛行區(qū)域和航線，可以實(shí)現(xiàn)自主飛行拍攝，整體工作流程自動化水平高、安全方便，操作人員經(jīng)過簡單培訓(xùn)就能上手；無人機(jī)在1 km以下相對高度飛行無需報批空管，起降場地?zé)o特殊要求；空中遙控拍攝，無需接觸石料堆，避免人員攀爬石料堆發(fā)生安全事故。利用傳統(tǒng)全站儀和 RTK測量計(jì)量一次需要持續(xù)測量5～6天，數(shù)據(jù)更新時間慢，石料堆存計(jì)量信息更新滯后，而無人機(jī)攝影測量快速、精準(zhǔn)、高效地獲取石料堆存信息數(shù)據(jù)，1～2人就能開展工作，降低人力成本，減少測量時間，高效準(zhǔn)確地采集石料堆存數(shù)據(jù)。

2 無人機(jī)攝影測量系統(tǒng)組成

無人機(jī)攝影測量是以無人機(jī)為飛行平臺，以高分辨率數(shù)碼相機(jī)為傳感器，利用GPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)獲取大面積、真彩色、大比例尺、現(xiàn)勢性強(qiáng)的數(shù)字影像數(shù)據(jù)[1]。無人機(jī)攝影測量主要用于基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)的快速獲取和處理，為制作正射影像、地面模型或基于影像的區(qū)域測繪提供簡捷、可靠、直觀的應(yīng)用數(shù)據(jù)。無人機(jī)攝影測量系統(tǒng)由無人機(jī)攝影平臺、飛行控制系統(tǒng)和地面監(jiān)控系統(tǒng)組成。

2.1 無人機(jī)攝影測量平臺

無人機(jī)攝影平臺是利用無人機(jī)裝載攝影相機(jī)，利用GPS（全球定位系統(tǒng)）進(jìn)行導(dǎo)航的航空攝影平臺，其優(yōu)勢在于快速、精準(zhǔn)、高效地獲取地理信息數(shù)據(jù)。

2.2 飛行控制系統(tǒng)

無人機(jī)飛行控制的核心就是飛行控制系統(tǒng)，通過無線通訊傳輸控制無人機(jī)的飛行路線、高度、姿態(tài)、數(shù)據(jù)采集等工作，實(shí)時控制飛行平臺的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)信息采集任務(wù)。

2.3 地面遙控系統(tǒng)

全向天線、監(jiān)控軟件、電源系統(tǒng)和便攜式控制器構(gòu)成了地面遙控系統(tǒng)，各組成部分緊密結(jié)合相互關(guān)聯(lián)，作業(yè)人員可以操作地面遙控軟件，進(jìn)行相關(guān)飛行數(shù)據(jù)設(shè)定，包括導(dǎo)航模式的選擇、相機(jī)曝光、基本飛行參數(shù)的設(shè)置、航線規(guī)劃和航點(diǎn)輸入等，還有航拍數(shù)據(jù)的輸出和上傳，以及突發(fā)條件下報警設(shè)置等。實(shí)際操作中將機(jī)載飛控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行鏈接，飛行過程中的實(shí)際信息和數(shù)據(jù)就可以隨時傳遞，更加方便操作。

3 攝影測量原理

根據(jù)透鏡成像原理，攝影瞬間像點(diǎn)、投影中心、物點(diǎn)位于同一條直線上并構(gòu)成一定的幾何關(guān)系，描述這三點(diǎn)共線的數(shù)學(xué)表達(dá)式稱為共線條件方程。共線條件方程是指中心投影的構(gòu)像方程，是攝影測量中最基本、最重要的關(guān)系公式，在攝影成像過程中，攝影中心 S（Xs，Ys，Zs）、像點(diǎn) a（x，y）及其對應(yīng)的地面點(diǎn)A（X，Y，Z）三點(diǎn)位于同一直線上（如圖2）。

圖2 共線方程示意

式中：x，y為像點(diǎn)的像平面坐標(biāo)；x0，y0，f為像片的內(nèi)方位元素；X，Y，Z為對應(yīng)地面點(diǎn)的地面坐標(biāo)；Xs，Ys，Zs為投影中心的地面坐標(biāo)；ai，bi，ci(i=1,2,3)為像片旋轉(zhuǎn)矩陣的方向余弦[2]。

共線條件方程是將像點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為地面點(diǎn)大地坐標(biāo)的工具，通過方程式計(jì)算可以解算出像片上各個像點(diǎn)對應(yīng)的地面點(diǎn)的大地坐標(biāo)，可以利用數(shù)字等高模型與共線方程制作正射影像。

3 無人機(jī)攝影測量流程

本文以無人機(jī)為載體（性能參數(shù)如表1、表2），運(yùn)用攝影測量處理軟件，探索無人機(jī)攝影測量在石料計(jì)量中的應(yīng)用。

表1 飛行器性能參數(shù)

表2 飛行器攜帶相機(jī)性能參數(shù)

3.1 測量數(shù)據(jù)采集

1）航線規(guī)劃

圖3 航線布置

圖4 像片重疊示意

無人機(jī)飛行控制航線規(guī)劃路徑有規(guī)則路線飛行、多邊形路線飛行、旋轉(zhuǎn)繞飛、自由飛行等路線，由于港口城項(xiàng)目石料堆場集中有規(guī)則的分布在平坦的砂地，最大高差在10 m以內(nèi)，故計(jì)劃航線采用規(guī)則路線（如圖 3）飛行，根據(jù)大疆無人機(jī)性能和航測精度選擇飛行高度90 m。為了滿足航拍內(nèi)業(yè)處理及航測精度，航拍像片拍攝還需滿足像片航向不少于75 %重疊和旁向不少于15 %重疊，像片重疊示意如圖4。

2）布設(shè)和采集像片控制點(diǎn)

像片控制點(diǎn)是像片坐標(biāo)系與地面坐標(biāo)系連接的紐帶，是為轉(zhuǎn)換像片點(diǎn)與地面點(diǎn)位置信息而在實(shí)地布設(shè)并測定三維坐標(biāo)的控制點(diǎn)。因此在無人機(jī)航拍前，需預(yù)先布設(shè)像片控制點(diǎn)標(biāo)志，控制點(diǎn)標(biāo)志尺寸需達(dá)到地面分辨率的 5～10倍，并均勻分布在測量區(qū)域。由于像片點(diǎn)與地面點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和地面模型的重建至少需要3個像片控制點(diǎn)，本次石料航拍在測量區(qū)域均勻布設(shè)4個像片控制點(diǎn)并用GPS采集控制點(diǎn)的大地坐標(biāo)，像控點(diǎn)布設(shè)位置及標(biāo)志如圖5。

圖5 像控點(diǎn)布置圖及標(biāo)志

3）航片數(shù)據(jù)采集

按照飛行計(jì)劃將無人機(jī)放置于待航拍區(qū)域內(nèi)，檢查無人機(jī)電池電量和各個部件狀況完好，連接飛控軟件開始起飛航拍并采集影像。測量飛控軟件會按照設(shè)置好飛行路線及像片重疊率自動記錄并存儲航拍圖片。

3.2 測量數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用航拍影像處理軟件，經(jīng)過簡單的設(shè)置即可實(shí)現(xiàn)全自動化航拍像片處理，處理流程[3]如圖6。

圖6 影像處理流程

航拍圖像處理之前，在軟件中設(shè)置與無人機(jī)相機(jī)對應(yīng)的型號參數(shù)，導(dǎo)入航拍像片，配置像片屬性，選擇像片坐標(biāo)系統(tǒng)和航拍處理區(qū)域，導(dǎo)入像片控制點(diǎn)并在對應(yīng)的航拍像片上標(biāo)記像片控制點(diǎn)，像片控制點(diǎn)的標(biāo)記精度直接影響數(shù)據(jù)處理精度，圖片放大倍數(shù)越高，標(biāo)記準(zhǔn)確度越高，像片經(jīng)過初始化處理后得到的像控點(diǎn)的計(jì)算坐標(biāo)信息。像控點(diǎn)初始坐標(biāo)與計(jì)算坐標(biāo)誤差如表3，從表3中誤差值可以得到，通過軟件處理解算像控點(diǎn)坐標(biāo)與初始坐標(biāo)誤差在±10 cm左右。

表3 像控點(diǎn)初始坐標(biāo)與計(jì)算坐標(biāo)誤差

4 無人機(jī)攝影測量與常規(guī)測量數(shù)據(jù)對比

為了驗(yàn)證通過無人機(jī)攝影測量技術(shù)采集、處理數(shù)據(jù)的可靠性，將Pix4D處理得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與常規(guī)測量手段（RTK和全站儀）得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，隨機(jī)選擇幾組不同規(guī)格是石料進(jìn)行方量計(jì)算，為了能反應(yīng)二者之間的差值，采用相同的土石方計(jì)算軟件和統(tǒng)一的計(jì)算方法進(jìn)行比對。計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 石料方量計(jì)算對比

通過計(jì)算對比，石料堆存方量越大，相對誤差越小，石料規(guī)格小，相對誤差越小，分析原因：石料堆存體積大，邊線及輪廓清晰，易于航拍識別；石料堆存體積小，堆存相對集中不利于航拍識別，數(shù)據(jù)處理時容易造成輪廓選取不準(zhǔn)確，存在一定誤差。另石料規(guī)格較大的2～5 t塊石，由于無人機(jī)航拍能獲得更接近實(shí)際的石料表面數(shù)據(jù)，相對于常規(guī)測量方法能得到海量的測量數(shù)據(jù)，故通過無人機(jī)攝影測量方法得到的石料方量更準(zhǔn)確些。無人機(jī)攝影測量數(shù)據(jù)與常規(guī)測量方法得到的數(shù)據(jù)測得石料方量數(shù)據(jù)基本一致，最小相對誤差在5 %以內(nèi)，平均相對誤差在±7.5 %左右，符合規(guī)范計(jì)量誤差要求，能夠滿足石料堆存方量計(jì)量要求。通過無人機(jī)攝影測量和傳統(tǒng)測量成果數(shù)據(jù)比對分析，兩者結(jié)果差值較小，特別是在堆放密實(shí)度好、平整度好的1～500 kg規(guī)格石料區(qū)，兩者測量成果差異較?。灰?guī)格較大，平整度和密實(shí)度較差的2～5 t大塊石，由于采集數(shù)據(jù)量差別大兩者測量成果有一定的差異，但整體可控，在方量測算允許相對誤差10 %范圍內(nèi)。在工作效率上，傳統(tǒng)測量方法前后用了7天時間，而無人機(jī)攝影測量在本次測量中僅用了2小時就完成了數(shù)據(jù)采集和后處理計(jì)量工作，可見無人機(jī)攝影測量在石料計(jì)量中的作業(yè)效率是驚人的。

圖7 石料方量相對誤差曲線

4 結(jié) 語

無人機(jī)攝影測量在工程施工中的應(yīng)用是一次突破和創(chuàng)新，主要體現(xiàn)在通過高新技術(shù)在施工中的應(yīng)用減少了人力成本投入、節(jié)省工作時間，在精度滿足要求的情況下高效作業(yè)提高進(jìn)度，受天氣和作業(yè)環(huán)境影響較小，為工程進(jìn)度提升、成本節(jié)約、質(zhì)量可控提供有力的保證，此創(chuàng)新點(diǎn)對于類似工程施工具有一定的借鑒性。

目前無人機(jī)攝影測量技術(shù)已不斷擴(kuò)大在施工領(lǐng)域中的應(yīng)用，但無人機(jī)攝影測量作為新興技術(shù)在工程測量精度方面還能只能滿足亞米級測量需求，整體精度還有待進(jìn)一步提高。而對于地形復(fù)雜，航拍對象受房屋建筑、植被樹林等障礙物遮擋還不能穿透測量，仍需要傳統(tǒng)的測量方式配合，因此，無人機(jī)攝影測量在施工中的應(yīng)用仍然是一個不斷探討的課題。