探討機載Lidar與傾斜攝影在大范圍數(shù)字化土方測算中的應(yīng)用

江西省國土空間調(diào)查規(guī)劃研究院數(shù)據(jù)(資料)集成分析中心 楊嬌

土方測算主要應(yīng)用于在工程建設(shè)領(lǐng)域,其準確性直接影響施工成本。本文通過比較現(xiàn)有的作業(yè)方法,分析常用的土方測算模型,結(jié)合傾斜攝影和機載Lidar點云的優(yōu)點,提出在大范圍土方測算中采用無人機傾斜攝影和機載lidar技術(shù)。建立準確的土方測算模型,重點在于獲取更多關(guān)鍵的地面點,根據(jù)地面點建立接近于真實地面的數(shù)字地面模型。文章對實驗結(jié)果的精度進行了實地驗證,結(jié)果表明該方法具有一定的可行性。

1 研究進展

袁建剛[1]研究了使用RTK結(jié)合Cors技術(shù)采集地形特征點的三維坐標進行土方計算,RTK不受天氣和視線的限制,測量結(jié)果與實際土方量無限接近,RTK的缺點是須保持對衛(wèi)星持續(xù)的跟蹤觀測,衛(wèi)星信號直接影響觀測精度;廖小延[2]研究了在土方測算中應(yīng)用方格網(wǎng)法;元媛[3]等研究了應(yīng)用斷面法計算宜昌至枝城河段河道沖淤積量;黎勝[4]等研究了應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)進行土方測量并驗證了精度;李博[5]研究了較大范圍的復雜地區(qū)在土方計算中應(yīng)用無人機傾斜攝影技術(shù)提升了計算精度;凌晨陽[6]研究了在復雜區(qū)域土方測量應(yīng)用機載激光雷達技術(shù)提高了作業(yè)效率,獲得了較準確的結(jié)果。

2 常用土方測算法

在土方測量中,需要使用相應(yīng)的方法建立相應(yīng)的土方測算模型。常用的土方測算法主要有方格網(wǎng)法、斷面法、等高線法、DTM法。

方格網(wǎng)法是將作業(yè)區(qū)域劃分為若干個正方形格網(wǎng),采用全站儀、RTK等設(shè)備采集地形點,每個格網(wǎng)獨立計算填方和挖方,匯總后得到作業(yè)區(qū)域的填挖總土方量。一般來說,格網(wǎng)邊長越小,精度越高。地貌平緩、地形簡單的區(qū)域使用方格網(wǎng)法,精度較高,能準確測算土方量, 但實測點須均勻分布,應(yīng)用范圍小,作業(yè)效率低。

斷面法是將作業(yè)區(qū)域分割成若干平行的橫斷面,根據(jù)實測數(shù)據(jù)計算每個斷面的面積與斷面間垂距的乘積,該值即為土方量。斷面法對于道路、隧道、堤壩等線狀工程的土方計算精度較高,其他類型的地形工程的精度較低。斷面法計算過程耗時且繁瑣,實測點位的合理分布直接影響模型精度。

等高線法計算土方量是用等高線間圍起的面積與相應(yīng)等高距之積求取,等高距即為兩條等高線之間的高差。等高線法計算土方量精度較低,一般用于大范圍土方量的概略估計,實際生產(chǎn)作業(yè)中應(yīng)用較少。

DTM是地面模型的數(shù)字表達。DTM法是利用實測數(shù)據(jù)建立不規(guī)則三角網(wǎng)的基礎(chǔ)上計算每一個三棱錐的土方填挖方量,構(gòu)建DTM模型的三角網(wǎng)中的點和線分布密度和結(jié)構(gòu)可以與地表特征一致,當三角網(wǎng)趨于無窮多時,可以無限接近地表的真實特征。DTM模型精度高,適用于任何地形的計算,但模型結(jié)構(gòu)復雜,對硬件要求較高。

3 機載Lidar與傾斜攝影

建立土方測算模型,其數(shù)據(jù)依賴于外業(yè)采集的實測點,實測點本質(zhì)上就是土方測算模型上的地面點。目前多以全站儀、RTK等設(shè)備為主采集地面點,應(yīng)用地面三維掃描儀、機載Lidar、傾斜攝影也是近年發(fā)展迅速的新型測繪技術(shù)。全站儀、RTK等設(shè)備采集地形數(shù)據(jù)的精度高,且是其他測量手段參考的基準。地面三維掃描儀對于平緩的地形采集速度快點云精度高,而受限于地面掃描的方式,且不適合在復雜地形區(qū)域作業(yè);機載Lidar以空中的俯視角度掃描,地形盲點區(qū)域少,點云的密度與飛行高度有一定關(guān)系;傾斜攝影使用空中飛行平臺加載多視角光學鏡頭獲取影像數(shù)據(jù),經(jīng)處理后可生成高密度點云,對于茂密的樹林則無法獲取準確的地面影像數(shù)據(jù)。

針對上述特點,本文提出使用傾斜攝影和機載雷達綜合應(yīng)用在大范圍土方測算中。機載Lidar是一種新興的將激光測距、慣性導航、差分定位技術(shù)融合的空間測量技術(shù),它以空中飛行平臺為為載體,激光為媒介,直接獲取空間實體的三維地形信息。機載Lidar不受日照和天氣條件的限制,具有獲取點位精度高、速度快、激光穿透能力強等優(yōu)點,能獲取更多植被覆蓋區(qū)的地面點。Lidar數(shù)據(jù)反映了真實的三維地面,適合于植被覆蓋的大范圍掃描,垂直方向的精度可達到10cm,但存在盲目性,數(shù)據(jù)形式上呈離散分布,容易丟失一些關(guān)鍵的地形特征信息、光譜信息較弱、飛行帶寬較窄,成本高、數(shù)據(jù)采集慢等缺點。

傾斜攝影多角度多視野獲取范圍內(nèi)的影像數(shù)據(jù)。傾斜攝影采集的數(shù)據(jù)具有豐富的紋理信息,影像精度高,生成的點云分辨率高,適合于裸露地面區(qū)域的高質(zhì)量DTM的采集。傾斜攝影有著可見波段對地表覆蓋物的穿透能力極弱,不能直接獲取地面點三維坐標等缺點。

4 實驗數(shù)據(jù)采集

實驗區(qū)域位于江西省贛江新區(qū),永修縣城以南,屬丘陵地帶,地形復雜,有林地、灌木、池塘、溝渠、水田及旱地,整體地勢西高東低,攝區(qū)面積大約4km2,范圍內(nèi)樹木茂密,植被茂密,種類較多,以杉樹、苗圃、油茶等為主。航攝時間在2021年1月初,航拍期間草地枯萎,水面較抵甚至干涸,利于獲取更多準確的地面點。

機載lidar采用DJI M300無人機搭載北科天繪的蜂鳥GENIUS 32激光雷達系統(tǒng),相對航高80米,重疊度20,帶寬180m,激光采樣頻率640kHz,雙回波,測距精度2cm,系統(tǒng)測高精度0.1m。設(shè)備啟動前,需提前架設(shè)靜態(tài)基準站,機載Lidar作為流動基準站進行數(shù)據(jù)采集。采集時使用北科天繪的基于DJI Pilot App的數(shù)據(jù)記錄程序,實現(xiàn)自主控制激光雷達數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)存儲。

傾斜攝影采用縱橫大鵬CW-10無人機,搭載成都睿鉑定制的JR503五拼相機。航線采用縱橫飛圖進行布設(shè),相對航高230m,航向重疊度70,旁向重疊度70,地面采樣分辨率2.6cm,下視角度鏡頭焦距35mm,其他角度鏡頭焦距40mm,像元尺寸3.9um。航飛三個架次,五鏡頭獲取照片總共約1.5萬張?，F(xiàn)場測量72個像控點,像控點一般布設(shè)在道路拐角等有典型特征地點,沒有標志的地方布設(shè)現(xiàn)場涂抹油漆現(xiàn)場做好像控點標記,部分沒有植被茂密的林區(qū)需提前布設(shè)像標框。

5 作業(yè)流程

進行準確的土方測量就必須建立可靠的數(shù)字地面模型,機載Lidar獲取的點云,點云數(shù)據(jù)的離散隨機特性可能會丟失部分關(guān)鍵信息,導致計算不夠準確,結(jié)合傾斜攝影生成的點云可以彌補部分關(guān)鍵信息。

機載Lidar處理流程:解算基站數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換LAS格式,將原始LAS文件(如圖1)導入Terrasolid進行點云過濾,去除噪點,濾出地面點,保留地面點點云。

圖1 機載Lidar獲取的原始點云Fig.1 Original point cloud acquired by airborne Lidar

傾斜攝影處理流程:解算基站數(shù)據(jù),將照片POS轉(zhuǎn)換為國家2000坐標系,使用Context Capture4.4.6進行三維建模,生成數(shù)字表面模型即DSM(如圖2),實地測點檢測模型精度,帶符合精度要求后在Context Capture 4.4.6導出LAS格式的3D點云(如圖3),使用Terrasolid去躁、濾波,提取地面點LAS。

圖2 傾斜攝影生成的數(shù)字表面模型Fig.2 Digital surface model generated by tilt photography

圖3 傾斜攝影生成的3D點云Fig.3 3D point cloud generated by tilt photography

將傾斜攝影生成的3D點云和機載Lidar中的LAS點云數(shù)據(jù)合并,形成新的地面點LAS文件,池塘、溝渠等水面易出現(xiàn)空洞,需要用Inpho進行內(nèi)插處理。

6 計算方法

在實際中有兩種常用土方量計算方法。(1)使用兩期法計算土方量匯總值。將LAS導入Arcgis生成DTM,即填挖方原始數(shù)據(jù)DTM,同時根據(jù)現(xiàn)狀數(shù)據(jù)或設(shè)計標高生成現(xiàn)狀DTM或者設(shè)計DTM,使用填挖方計算功能,生成的填方挖方數(shù)據(jù)為匯總值。(2)使用坐標法按網(wǎng)格計算土方量。將地面點LAS文件轉(zhuǎn)換為高程點文件,使用EPS建立計算模型。EPS2008提供了三角網(wǎng)、格網(wǎng)、高程點、水平面等四種方式計算模型的建立方法,并可根據(jù)需要設(shè)置方格網(wǎng)的邊長。該方法得出的土方計算結(jié)果按格網(wǎng)顯示,直觀感強,但對計算機配置要求較高。

7 精度分析

參考《城市測量規(guī)范CJJ T8-2011》要求,高程中誤差不應(yīng)大于0.15m,平面中誤差不應(yīng)大于0.25m。全圖根據(jù)地形特征共抽查136個高程點,粗差4個,高程中誤差11.17cm,平面點抽查36個,粗差數(shù)量為0,平面點位中誤差為12.71cm,滿足現(xiàn)行1∶500地形圖規(guī)范要求。

點云使用配套的機載Lidar航飛質(zhì)量檢查軟件進行質(zhì)量檢查結(jié)果符合要求。

8 結(jié)語

植被茂密區(qū),機載Lidar獲取的地面點較少,若地形波動較大,容易導致模型中的數(shù)字地形與實際地形偏差。因此,此類區(qū)域需要使用Inpho對地形進行擬合內(nèi)插高程點,擬合之后須對地形進行檢測確保符合地形的真實形態(tài),對陡坎等特征地貌加測實測點。水面容易產(chǎn)生空洞,若填挖方之后的地形或設(shè)計地形位于水面之下,此時還需要考慮結(jié)合水深測量進行計算。

引用

[1] 袁建剛,嚴加棟.JSCORS RTK GPS技術(shù)在土方測量中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代測繪,2009,32(6):47-48.

[2] 廖小延,熊俊杰.方格網(wǎng)法計算土方量的應(yīng)用分析[J].城市勘測,2015(1):155-158.

[3] 元媛,張小峰,段光磊.斷面法計算宜昌至枝城河段河道沖淤量的合理間距[J].武漢大學學報(工學版),2014,47(2):149-155.

[4] 黎勝.基于三維激光掃描技術(shù)的土方測量研究[C].中國測繪學會科技信息網(wǎng)分會.全國測繪科技信息網(wǎng)中南分網(wǎng)第二十八次學術(shù)信息交流會論文集.中國測繪學會科技信息網(wǎng)分會:中國測繪學會科技信息網(wǎng)分會,2014:227-231.

[5] 李博,徐敬海.無人機傾斜攝影測量土方計算及精度評定[J].測繪通報,2020(2):102-106+112.

[6] 凌晨陽,余盛艷,陳科玚.機載激光雷達技術(shù)在復雜地形土石方測量中的應(yīng)用[J].城市勘測,2020(5):125-128.