傾斜攝影測量技術(shù)在紙漿廠木片資產(chǎn)管理中的應(yīng)用

馮正茂 陳桃紅 蘇玉峰 伍浩如

（1.廣西安全工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西南寧，530100；2.廣西民族大學(xué)，廣西南寧，530006；3.廣州南方測繪科技股份有限公司南寧分公司，廣西南寧，530022）

規(guī)模較大的紙漿廠為了維持正常的連續(xù)生產(chǎn)，應(yīng)對季節(jié)性的材料變化，需要把收購回來的木片等原材料進(jìn)行貯存，貯存過程中還可以改進(jìn)原料質(zhì)量，減少并均勻水分，自然發(fā)酵，降低樹脂、脂肪、果膠、淀粉、蛋白質(zhì)等有害成分的含量。所以大型的紙漿廠都會有一個面積很大（幾百畝）的材料露天堆場。露天堆場的木片原材料是紙漿廠重要資產(chǎn)，為了對紙漿木片資產(chǎn)進(jìn)行動態(tài)、有效地管理和審計，除了每天詳細(xì)記錄堆場新進(jìn)材料量和輸送生產(chǎn)的出料量之外，還需要對整個堆場的原材料總量（木片堆的體積總和）進(jìn)行定期（如每個月一次）的盤點(diǎn)[1-2]。盤點(diǎn)工作采用傳統(tǒng)的測繪技術(shù)手段進(jìn)行，工作量大、誤差大、效率低、歷時長，無法做到按時按點(diǎn)完成統(tǒng)計工作，需要探索和采用新的技術(shù)手段。

傾斜攝影測量技術(shù)是一項新興的技術(shù)，在很多領(lǐng)域都有著較好的應(yīng)用效果。該技術(shù)融合了傳統(tǒng)的航空攝影、近景攝影測量、工程測量、計算機(jī)視覺技術(shù)。該技術(shù)需將單臺或者多臺傳感器裝設(shè)在同一飛行平臺上，從垂直、前視、后視、左視、右視等多個視角完成影像信息的采集，可以得到較為完整的地物影像信息[3-4]。再借助專業(yè)電腦軟件，加入高精度像控點(diǎn)測量的數(shù)據(jù)，在盡量減少人力參與的前提下，可以較精確地完成模型的自動化構(gòu)建，生成地物的三維模型，用于地物的360°瀏覽，物體點(diǎn)坐標(biāo)、距離、面積和體積等數(shù)據(jù)的測量、計算和分析[5]。

1 項目背景及區(qū)域概況

某大型紙漿廠的材料露天堆場面積約433333 m2（650 畝），整個堆場由排水溝和綠化樹木分隔成3 個片區(qū)，場地較為平整。整個堆場37 座木片堆，所有木片堆設(shè)計先堆存后篩選，先進(jìn)先出。木片水分均勻，木片密度變化較小，木片尺寸均勻。每次對材料總量的盤點(diǎn)都確定時點(diǎn)，分別測算各個木片堆的體積，需要統(tǒng)計確定某個時點(diǎn)的材料總量。采用傳統(tǒng)的測繪手段，用皮尺或者全站儀逐個測出各個木片堆的堆底長寬度、堆頂長寬度和堆垛高度，然后再計算木片堆的體積進(jìn)行匯總統(tǒng)計。工作量大、精度低、效率低，無法滿足資產(chǎn)管理盤點(diǎn)工作的要求。

本項目研究了用傾斜攝影測量技術(shù)解決露天堆場木片原材料總量盤點(diǎn)的難題。采用南方測繪天行HO1300 八旋翼無人機(jī)平臺搭載索尼RX1RⅡ傳感器，對木片露天堆場及周邊范圍進(jìn)行完整的低空影像照片數(shù)據(jù)采集和像控點(diǎn)坐標(biāo)測量。利用天云系統(tǒng)Altizure軟件或者Context Capture Center 軟件進(jìn)行空三解算和自動化建模處理，建立整個露天堆場的三維模型。分別量算堆場模型里各個木片堆的體積，跟傳統(tǒng)測繪技術(shù)手段做了精度比對，為露天堆場木片原材料總量統(tǒng)計盤點(diǎn)選擇更優(yōu)的技術(shù)解決方案。

2 傾斜攝影測量的技術(shù)解決方案

傾斜攝影測量構(gòu)建實(shí)景三維模型的工作，主要有傾斜航空攝影、像控測量、空中三角測量、三維建模等作業(yè)環(huán)節(jié)[6]。本研究采用天行HO1300 八旋翼無人機(jī)平臺搭載單臺索尼RX1RⅡ傳感器，平臺包含兩套獨(dú)立工作的GPS、磁羅盤、IMU。飛行平臺及傳感器的主要參數(shù)如表1所示。

2.1 像控點(diǎn)布設(shè)和測量

為了保證三維建模的高精度，在整個露天堆場內(nèi)均勻地布設(shè)了10 個像控點(diǎn)（露天堆場示意圖和像控點(diǎn)點(diǎn)位分布圖如圖1所示），使用GNSS RTK方式分別測量了各像控點(diǎn)高精度的CGCS2000 三維坐標(biāo)，保證像控點(diǎn)精度達(dá)到厘米級，以便空三解算時刺點(diǎn)和輸入坐標(biāo)作為空三解算的起算數(shù)據(jù)，從而保證空中三角測量精度。

表1 飛行平臺及傳感器的主要參數(shù)

圖1 露天堆場示意圖和像控點(diǎn)點(diǎn)位分布圖

2.2 傾斜航空攝影

為了獲得高質(zhì)量的航攝影像，保證更高的建模精度，先進(jìn)行航線規(guī)劃，把整個測區(qū)（露天堆場）分成3 個片區(qū)，各片區(qū)有部分交叉重疊。選擇晴好的天氣，對3 個片區(qū)各航拍1 個架次，共飛3 個架次。飛行高度80 m，影像地面分辨率為0.01，航向重疊度設(shè)置為80%，旁向重疊度設(shè)置為65%。每個架次都要檢查影像清晰度，保證航攝精度，3 個架次共采集影像照片1854張。

2.3 空中三角測量

空中三角測量是利用一個區(qū)域中多幅影像連接點(diǎn)的影像坐標(biāo)和很少的已知影像坐標(biāo)及其物方空間坐標(biāo)的地面控制點(diǎn)，通過區(qū)域網(wǎng)平差計算，求解連接點(diǎn)的物方空間坐標(biāo)與影像的外方位元素，稱為區(qū)域網(wǎng)空中三角測量[7]。航拍外業(yè)結(jié)束后，進(jìn)行數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，下載1854 個POS 數(shù)據(jù)跟對應(yīng)的影像照片匹配，提取傾斜影像連接點(diǎn)，進(jìn)行光束法區(qū)域網(wǎng)平差的初始空三計算。該操作要借助傾斜建模軟件Altizure 軟件或者Context Capture Center 軟件完成，軟件系統(tǒng)會自動計算或識別連接點(diǎn)。計算過程中，出現(xiàn)了少數(shù)與實(shí)際要求不相符（如傾角過大）的數(shù)據(jù)，影響了空三計算結(jié)果，針對這種情況，為了提高數(shù)據(jù)精度，直接將不符合要求的數(shù)據(jù)剔除，再次進(jìn)行計算或者多次計算。空三計算完成后，再輸入各個像控點(diǎn)的坐標(biāo)，找到對應(yīng)的影像照片進(jìn)行刺點(diǎn)，然后選擇連接點(diǎn)保持、位置與角元素重新計算，再次進(jìn)行解算，以糾正和轉(zhuǎn)換所有連接點(diǎn)的坐標(biāo)。

在空三計算的過程中，也可能會出現(xiàn)由于相機(jī)畸變等原因造成航線彎曲、存在分層或交叉的現(xiàn)象，導(dǎo)致空三計算無法完成，這時可以嘗試換一款軟件重新計算，或者直接輸入各個像控點(diǎn)的坐標(biāo)，刺點(diǎn)之后，再重新進(jìn)行空三解算，計算結(jié)果得到連接點(diǎn)的坐標(biāo)就是糾正和轉(zhuǎn)換過的坐標(biāo)?？罩腥菧y量流程見圖2。

圖2 空中三角測量流程圖

本研究項目場地平整，飛行平臺比較平穩(wěn)，飛行高度較低，航拍前傳感器做了校正，消除了相機(jī)畸變，影像重疊度較高，像控點(diǎn)均勻分布且點(diǎn)測量坐標(biāo)精度較高，所以空中三角測量精度比較高，空中三角測量精度分析報告如表2 所示。由表2 可知，10 個檢查點(diǎn)的三維均方差為0.012、水平均方差為0.012、垂直均方差為0.001。為下一步建立三維建模提供了很好的數(shù)據(jù)質(zhì)量保證。

2.4 建立三維模型

空中三角測量計算完成，檢查數(shù)據(jù)合格后，接下來就是構(gòu)建實(shí)景三維模型。三維建模軟件系統(tǒng)按照影像數(shù)據(jù)，按最佳算法進(jìn)行匹配，對應(yīng)同名點(diǎn)，然后通過特征點(diǎn)的提取，形成密集點(diǎn)云。再結(jié)合空三測量計算結(jié)果，確定影像之間的關(guān)系，完成三角TIN 的建立[8-9]。最后根據(jù)三角TIN 形成白模，計算影像紋理，通過紋理映射與白模相對應(yīng)，實(shí)現(xiàn)三維模型的建立。

目前，在傾斜三維建模領(lǐng)域中，主要建模的系統(tǒng)軟件主要有天云系統(tǒng)Altizure 軟件、Context Capture 軟件、街景工廠Street Factory、PhotoScan、PhotoMesh、瑞士Pix4d 等[10]。這些軟件均可針對整個航攝區(qū)域構(gòu)建三維模型，自動化程度和建模的效率均比較高。

本研究使用天云系統(tǒng)Altizure 軟件進(jìn)行自動化建模處理，生成三維模型和傳統(tǒng)測繪數(shù)據(jù)進(jìn)行精度比對。電腦集群采用主模塊——線程模塊的運(yùn)行模式，進(jìn)行網(wǎng)格并行計算，由30臺工作站構(gòu)成，裝設(shè)有Engine 與Master?？刂泣c(diǎn)坐標(biāo)采用2000 國家大地坐標(biāo)系，選擇的建模區(qū)域?yàn)楹綌z露天堆場全區(qū)，提交軟件構(gòu)建模型，瓦片邊長為60 m，共204塊瓦片，占電腦近2/3 的運(yùn)行內(nèi)存，成果輸出按照OSGB 格式進(jìn)行。瓦片生成后，創(chuàng)建一個模型索引文件整合全部模型瓦片場景。建模工作流程見圖3。

空三計算成果質(zhì)量較高，加上拍攝時能見度很好，木片露天堆地物鏡面反射現(xiàn)象很弱，影像分辨率較高，紋理映射效果很好，所以建立的模型質(zhì)量較高，精度高，從而更好地保證了木片堆體積計算的精度。

3 露天堆場里各個木片堆體積的計算

露天堆場的三維模型建好后，在模型上測量選擇幾個形狀比較規(guī)則的木片堆底部長寬、頂部長寬和木片堆高度，同時量取了地面的標(biāo)志線長度距離等數(shù)據(jù)跟實(shí)地用皮尺和全站儀測量的數(shù)據(jù)對比，相差均在2 cm 以內(nèi)（如表3 所示），很好地滿足了計算木片堆體積的要求。地面標(biāo)志長度線和木片堆尺寸示意圖分別見圖4和圖5。

表2 空中三角測量精度分析報告

圖3 建模工作流程圖

表3 模型尺寸和實(shí)量尺寸的對比表

在傳統(tǒng)的計算土方量或體積的技術(shù)方式中，用全站儀或GNSS RTK 設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，都是以點(diǎn)方式進(jìn)行測繪工作，得到的地形數(shù)據(jù)有限，每100 m2大約只有4～5 個平高點(diǎn)，地形圖的土方工程量統(tǒng)計采用方格網(wǎng)法，根據(jù)方格網(wǎng)的4 個頂點(diǎn)擬合高程進(jìn)行計算，這是一種模糊擬合的算法，所以數(shù)據(jù)精度不高。傾斜攝影測量的三維模型生成了大量帶有平面位置與高程數(shù)據(jù)信息的點(diǎn)，點(diǎn)密度高達(dá)60 個/100 m2以上，構(gòu)成三角網(wǎng)，采用三棱錐法自動計算土方量，大大地提高了精確度，也提高了木片堆的體積計算精度[11-12]。這些過程借助專門軟件完成，效率很高。木片堆體積計算示意圖見圖6。

圖4 三維模型上量取地面標(biāo)志長度線

圖5 木片堆尺寸示意圖

圖6 木片堆體積計算示意圖

完成計算全部3 個片區(qū)總共37 個木片堆的體積，再進(jìn)行統(tǒng)計匯總，得到確定時點(diǎn)的各片區(qū)和整個堆場的木片原材料的總量，完成堆場原材料的審計統(tǒng)計工作。C號片區(qū)所有木片堆的體積統(tǒng)計表見表4。

表4 C號片區(qū)所有木片堆的體積統(tǒng)計表

4 結(jié) 論

本課題研究傾斜攝影測量技術(shù)在木片資產(chǎn)管理中的應(yīng)用。傾斜攝影測繪技術(shù)能快速地從不同視角獲取木片堆的影像信息，并通過空中三角計算得到高精度木片堆海量的數(shù)據(jù)點(diǎn)云，建立三維模型和計算木片堆體積，速度快、精度高，能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)測繪技術(shù)手段的缺陷，完全滿足紙漿廠對木片原材料等重要資產(chǎn)進(jìn)行動態(tài)、有效管理和審計的需要。傾斜攝影測繪技術(shù)取代傳統(tǒng)測繪技術(shù)手段，在其他相類似的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和工程建設(shè)應(yīng)用當(dāng)中，具有推廣普及的意義。