傾斜攝影測量在復(fù)雜場地土方計(jì)算中的應(yīng)用

張春明

（吉林市測繪院，吉林吉林 132011）

0 引言

傳統(tǒng)的土方測量主要是通過全站儀和GPS RTK 對場地的地形進(jìn)行外業(yè)實(shí)測獲取特征點(diǎn)數(shù)據(jù)，內(nèi)業(yè)采用三角網(wǎng)法、方格網(wǎng)法、斷面法等，計(jì)算出場地內(nèi)需要填方和挖方的土方量。土方量的計(jì)算精度主要取決于外業(yè)采集特征點(diǎn)位的精度和密度，以及內(nèi)業(yè)計(jì)算方法。面狀區(qū)域，地形起伏較大，多采用三角網(wǎng)法；地形起伏變化小的區(qū)域，多采用方格網(wǎng)法；線路工程多采用斷面法。傳統(tǒng)的土方測量方法受現(xiàn)場場地環(huán)境影響較大，對于現(xiàn)場有大量挖土、堆土的破碎地貌，野外實(shí)際測量獲取準(zhǔn)確數(shù)據(jù)難度大，效率降低，土方量計(jì)算結(jié)果也會存在一定偏差。

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)不受場地環(huán)境限制，通過自帶的航空攝影測量平臺可以快速地獲取場地內(nèi)高質(zhì)量的多視影像，利用后期影像處理軟件進(jìn)行空中三角測量和三維建模，依據(jù)生成場地的實(shí)景三維模型來計(jì)算土方量。無人機(jī)傾斜攝影測量計(jì)算土方量有2 種方法：一種方法是將無人機(jī)傾斜攝影獲取的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成點(diǎn)云格式，對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、去除噪點(diǎn)、采樣、配準(zhǔn)等處理操作，構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)來計(jì)算土方量；另一種方法是利用帶有三維模型體積量算功能的軟件在三維模型上圈定量取范圍，直接計(jì)算土方量，這種方法更加簡單直接，但實(shí)際應(yīng)用案例很少。本文通過采用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)對某一復(fù)雜場地進(jìn)行無人機(jī)傾斜攝影測量，獲取地表三維建模，并利用軟件設(shè)置一定的設(shè)計(jì)高度，直接在三維模型上量算土方量。將模型量算土方量與傳統(tǒng)GPS 外業(yè)采集特征點(diǎn)高程計(jì)算土方量的結(jié)果進(jìn)行了比較，評價(jià)模型量算結(jié)果精度和適用性，為復(fù)雜場地土方計(jì)算提供了更加高效、便捷的新思路。

1 無人機(jī)攝影測量系統(tǒng)

本文在工程應(yīng)用實(shí)例中采用的無人機(jī)攝影測量系統(tǒng)是大疆創(chuàng)新的DJI Phantom 4Pro，參數(shù)如表1所示。

表1 DJI Phantom 4Pro 配置參數(shù)

2 無人機(jī)攝影測量土方計(jì)算流程

2.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

根據(jù)場地及周邊環(huán)境情況設(shè)計(jì)航線、行高，布設(shè)像控點(diǎn)和檢查點(diǎn)，利用GPS 采集像控點(diǎn)、檢查點(diǎn)平面和高程數(shù)據(jù)，利用DJI Phantom 4Pro 無人機(jī)多角度獲取地表影像數(shù)據(jù)。攝影時(shí)天氣情況要求良好，確保有足夠的光照度，太陽高度角應(yīng)大于45°，陰影不大于1 倍。攝影時(shí)間要求為10～15 時(shí)為最佳選擇。影像質(zhì)量特別強(qiáng)調(diào)影像清晰，反差適中，顏色飽和，色彩鮮明，色調(diào)一致，有較豐富的層次，能辨別與地面分辨率相適應(yīng)的細(xì)小地物，能夠建立清晰的立體模型。

2.2 內(nèi)業(yè)三維建模

對獲取的影像進(jìn)行質(zhì)量檢查，不合格的影像進(jìn)行外業(yè)補(bǔ)飛。在空中三角測量前，先對傾斜攝影原始影像數(shù)據(jù)進(jìn)行色彩、亮度和對比度的調(diào)整和勻色處理。勻色處理應(yīng)縮小影像間色調(diào)差異，使色調(diào)均勻，反差適中，層次分明，保持地物色彩不失真，不應(yīng)有勻色處理的痕跡。

利用ContextCapture 軟件導(dǎo)入影像數(shù)據(jù)、相機(jī)參數(shù)、POS 數(shù)據(jù)和像控點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行空三解算。利用空三后的成果生成三維TIN 格網(wǎng)，創(chuàng)建白體三維模型，進(jìn)行自動紋理映射，生成場地實(shí)景三維模型。利用外業(yè)采集的檢查點(diǎn)對三維模型的精度進(jìn)行檢核。

2.3 內(nèi)業(yè)土方量計(jì)算

利用ContextCapture Viewer 模塊導(dǎo)入三維模型，設(shè)置好坐標(biāo)系、單位，輸入設(shè)計(jì)標(biāo)高和采樣距離，自動量算出劃定范圍內(nèi)的土方填、挖方量。

3 工程應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程區(qū)域概況

場地位于吉林某開發(fā)區(qū)內(nèi)，面積0.8 km2，場地內(nèi)坡坎縱橫，存在大量的堆土和建筑垃圾，無建筑和茂密的植被覆蓋。場地設(shè)計(jì)標(biāo)高確定，需要根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)高計(jì)算出土方量。由于現(xiàn)場地形破碎復(fù)雜，傳統(tǒng)土方測量、計(jì)算方法實(shí)現(xiàn)困難，效率和成本較大，所以嘗試采用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)建立場地的三維模型，利用三維模型來計(jì)算土方量。

3.2 無人機(jī)傾斜攝影測量

3.2.1 航線設(shè)計(jì)

采用DJI Phantom 4Pro 自帶的飛控軟件進(jìn)行航線設(shè)計(jì)，根據(jù)場地周邊環(huán)境情況、土方計(jì)算對地面分辨率的要求及無人機(jī)的性能參數(shù)，確定航向重疊率和旁向重疊率均為70%，地面分辨率為3 cm，飛行航高為150 m，計(jì)算式如式（1）所示。無人機(jī)飛行速度不超過10 m/s，至少以不同視角飛行2 條航線。

式中：h為飛行高度；f為鏡頭主距；a為像元尺寸；GSD為地面分辨率。

3.2.2 像控點(diǎn)測量

考慮到場地面積大，地形復(fù)雜，起伏變化較大，在場地周邊及場地內(nèi)均勻布設(shè)了23 個(gè)像控點(diǎn)，為檢核三維模型精度，在場地內(nèi)布設(shè)了44 個(gè)檢查點(diǎn)，采用RTK 測量的方法對所有的像控點(diǎn)和檢查點(diǎn)進(jìn)行了坐標(biāo)和高程數(shù)據(jù)采集。

3.2.3 傾斜攝影三維建模

采用Bently 公司的ContextCapture 軟件導(dǎo)入航測像片與POS 數(shù)據(jù)，在相應(yīng)的像片中加入對應(yīng)位置的像控點(diǎn)，保證每一個(gè)像控點(diǎn)關(guān)聯(lián)到不同視角的像片。設(shè)置數(shù)據(jù)處理參數(shù)，劃定模型邊界，自動完成空三加密處理，生成地表地形，進(jìn)行紋理映射，建立場地地表三維模型。三維模型構(gòu)建流程如圖1 所示。

圖1 傾斜攝影三維建模流程

3.2.4 三維模型質(zhì)量要求

1）位置精度：采用的大地基準(zhǔn)和投影參數(shù)符合要求，平面位置精度、高程精度符合要求，場景中模型相對位置關(guān)系正確；

2）表達(dá)精細(xì)度：三維模型應(yīng)精準(zhǔn)反映場地內(nèi)地形的詳細(xì)特征，模型沒有明顯的拉伸變形或紋理漏洞，模型結(jié)合處沒有穿插、漏縫、懸浮，紋理分辨率保持一致；

3）場景效果：場景中的模型完整，相對關(guān)系協(xié)調(diào)，在200 m 視點(diǎn)高度下瀏覽模型，沒有明顯的紋理漏洞、變形和側(cè)視。

4）三維模型高程精度分析：利用采集的44 個(gè)檢查點(diǎn)高程與相同點(diǎn)位三維模型獲取高程進(jìn)行了對比分析，結(jié)果如表2 所示。高程中誤差為3.36 cm，模型高程精度滿足要求。

表2 高程較差比較表

3.3 土方量算及精度分析

3.3.1 模型土方量算

利用生成的地形三維模型，根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)高的變化，劃分成不同的計(jì)算區(qū)域，分區(qū)域計(jì)算土方量。本次項(xiàng)目利用ContextCapture Viewer 模塊導(dǎo)入三維模型，來計(jì)算土方量，計(jì)算步驟如下：

1）將三維模型導(dǎo)入ContextCapture Viewer 模塊中；

2）在空間參考系統(tǒng)里設(shè)置好相應(yīng)的坐標(biāo)系統(tǒng)、投影和中央子午線；

3）進(jìn)入體積功能菜單，首先在三維模型中選取需要計(jì)算土方的范圍，在“方法”欄中選擇“自定義平面”，在“高度”欄中輸入設(shè)計(jì)標(biāo)高，在“采樣距離”欄中輸入所需的數(shù)值，將自動在下方的空白欄內(nèi)顯示周長、面積、挖方和填方數(shù)量。采樣距離數(shù)值越小，計(jì)算結(jié)果越精確。土方量算界面如圖2 所示。

圖2 傾斜攝影測量土方量算界面

3.3.2 土方計(jì)算精度分析

為驗(yàn)證模型量算土方的準(zhǔn)確性和可靠性，在場地內(nèi)選取某一地形破碎區(qū)域，通過GPS 均勻采集特征點(diǎn)的方式進(jìn)行地面數(shù)據(jù)點(diǎn)采集，利用南方CASS9.1 中的三角網(wǎng)法土方計(jì)算功能，對所選區(qū)域的土方填、挖方量按設(shè)計(jì)標(biāo)高進(jìn)行計(jì)算。

對該相同區(qū)域采用三維模型量測的方法量算土方量。

對2 種方法的土方量計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較，數(shù)據(jù)對比如表3 所示。

表3 土方量計(jì)算比較表

通過比較可以看出：2 種計(jì)算方法得到的填方量較差為18 m3，挖方量較差為27 m3，誤差百分比分別為2.5%和2.8%，計(jì)算結(jié)果比較接近。GPS 測量結(jié)果的填、挖方量多于傾斜模型的量算結(jié)果，原因可能是場地內(nèi)有堆土和建筑垃圾，地形破碎，GPS測量時(shí)采集特征點(diǎn)的密度不能完全體現(xiàn)現(xiàn)場實(shí)際地形情況，而傾斜攝影實(shí)景三維模型則可以構(gòu)建出場地的真實(shí)地形表面，最終影響土方量的計(jì)算結(jié)果。土方量計(jì)算結(jié)果受場地情況、測量方法、計(jì)算方法等影響較大，一般用于工程成本的概算，誤差在10%以內(nèi)是可以的。

通過本次應(yīng)用實(shí)例的土方計(jì)算精度分析結(jié)果可以說明，運(yùn)用無人機(jī)傾斜攝影測量的方法建立實(shí)景三維模型，通過內(nèi)業(yè)處理軟件在模型上直接進(jìn)行土方量算的結(jié)果是可靠的，方法更加便捷。

4 無人機(jī)傾斜攝影測量土方量計(jì)算關(guān)鍵技術(shù)

本文介紹了無人機(jī)傾斜攝影測量土方計(jì)算的工作流程，并依據(jù)應(yīng)用實(shí)例對其計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對比分析，但在實(shí)際工程應(yīng)用過程中還要注意以下關(guān)鍵技術(shù)：

1）航線設(shè)計(jì)。在無人機(jī)航線設(shè)計(jì)時(shí)一定要有足夠的航向和旁向重疊度，地形、地物高差比較小的場地，航向、旁向重疊度最低不小于70%。航向覆蓋超出攝區(qū)邊界線應(yīng)不少于2 條基線，旁向覆蓋超出攝區(qū)邊界線一般不少于像幅的50%。在便于施測像控點(diǎn)及不影響內(nèi)業(yè)正常加密時(shí)，旁向覆蓋超出攝區(qū)邊界線應(yīng)不少于像幅的30%。必要時(shí)可按不同航高分區(qū)域飛行，保證足夠的地面分辨率。

2）像控點(diǎn)和檢查點(diǎn)布設(shè)。根據(jù)場地地形情況和采用的飛行平臺，在周圍和內(nèi)部均勻布設(shè)一定數(shù)量的控制點(diǎn)和檢查點(diǎn)，特別是在場地的外部一定要布設(shè)控制點(diǎn)，在場地的邊緣地帶要布設(shè)檢查點(diǎn)，保證三維模型控制精度和對模型真實(shí)精度進(jìn)行有效檢核。

3）三維模型精化處理。本文工程應(yīng)用實(shí)例中的場地內(nèi)沒有房屋、樹木和密集植被覆蓋，因此生成三維模型后直接利用模型進(jìn)行了土方計(jì)算。當(dāng)場地內(nèi)存在建構(gòu)筑物、綠植等物體時(shí)，獲得的三維模型數(shù)據(jù)無法真實(shí)反映實(shí)際地形起伏變化，要采用模型修復(fù)技術(shù)踏平或去除影響地物后，獲得精化的三維模型再進(jìn)行土方計(jì)算。

5 結(jié)語

無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的發(fā)展，為復(fù)雜場地土方量計(jì)算提供了新的思路。其非接觸式、安全、高效、經(jīng)濟(jì)的數(shù)據(jù)獲取方式，克服了傳統(tǒng)GPS、全站儀土方測量方法在復(fù)雜地形數(shù)據(jù)采集中存在的問題，且模型高程精度可控制在5 cm 內(nèi)，土方計(jì)算誤差控制在10%以內(nèi)，證明了無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在工程土方測量中應(yīng)用的可行性。無人機(jī)獲取的高分辨率影像，可以快速生成DOM、DSM、DEM和DLG 產(chǎn)品；利用構(gòu)建好的實(shí)景三維模型，還可以為地表覆蓋物確定、房屋拆遷、規(guī)劃方案對比提供直觀的可視化數(shù)據(jù)。