傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在土方量算中的應(yīng)用

彭博

（廣東省核工業(yè)地質(zhì)局測(cè)繪院，廣東廣州 510800）

0 引言

土方量算作為工程項(xiàng)目的重要工序，其量算結(jié)果的精準(zhǔn)度直接影響到工程項(xiàng)目的成本核算以及工期部署。傳統(tǒng)土方量算工作流程為外業(yè)人員實(shí)地測(cè)量、采集高程點(diǎn)，數(shù)據(jù)檢查無誤后整理提交內(nèi)業(yè)人員進(jìn)行土方量算。傳統(tǒng)土方量算精度取決于外業(yè)采集高程點(diǎn)密度，一般而言密度越大，量算精度越高，但工作量也會(huì)呈倍數(shù)增加［1-2］。

近年來，隨著無人機(jī)技術(shù)和大數(shù)據(jù)處理技術(shù)的迅猛發(fā)展，無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)已成為不可替代的重要一環(huán)。與傳統(tǒng)測(cè)量方法不同，無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)可以高效獲取大面積目標(biāo)表面數(shù)據(jù)，能夠高度還原地形起伏變化，尤其在人力難以到達(dá)的危險(xiǎn)區(qū)域，無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)能夠更好地實(shí)現(xiàn)區(qū)域全覆蓋，無論在生產(chǎn)效率、精度方面，都具有傳統(tǒng)土方量算無法比擬的優(yōu)勢(shì)。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者應(yīng)用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在土方量算方面開展了一些研究，取得了重要成果。曹娟通過無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量將地表形態(tài)完整、精準(zhǔn)、可視化地表達(dá)，通過兩期的土方量算得到挖方填方結(jié)果［3］；王果等基于三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，提出了結(jié)合貪婪投影三角化算法和數(shù)字地面模型法的土方量算方法［4］，該方法大幅提升了在工程施工過程中土方量算緩慢，且精度較差的問題；訾栓緊等對(duì)比了無人機(jī)傾斜攝影與全站儀控制點(diǎn)計(jì)算土方量的精度及效率［5］，通過無人機(jī)獲取影像的DEM 差值能夠快速計(jì)算土方量，而利用全站儀布設(shè)地面控制點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致精度隨著控制點(diǎn)數(shù)的減少而降低，且費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

本文基于無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)和實(shí)景三維技術(shù)，根據(jù)地形地貌局部特征進(jìn)行區(qū)域劃分、近似簡(jiǎn)化，取得地形三維特征數(shù)據(jù)，通過三維建模獲得模擬地面真實(shí)成果以便于獲得實(shí)際計(jì)算結(jié)果，并且能做到真實(shí)地面與三維模型的精確和所見即所得，以期為土方量快速、精準(zhǔn)計(jì)算提供新思路。

1 基于實(shí)景三維的土方量算

1.1 數(shù)據(jù)介紹

根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況選擇深圳大疆（DJI）六旋翼M600 無人機(jī)。該機(jī)具有起降靈活、維護(hù)簡(jiǎn)單、垂直起降、場(chǎng)地不限、攜帶方便、操作簡(jiǎn)單、飛行姿態(tài)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)懸停、低速飛行、多種載荷等。搭載于無人機(jī)平臺(tái)的鏡頭拍攝獲取的影像為4波段多光譜影像，光譜范圍從可見光到近紅外，空間分辨率為0.05 m。數(shù)據(jù)采集需要按照5 個(gè)方向或“井”形路徑從多個(gè)角度在空中重復(fù)飛行，適合于小規(guī)模數(shù)據(jù)采集和建模。

1.2 實(shí)景三維土方量算關(guān)鍵技術(shù)

1.2.1 多視影像聯(lián)合平差及密集匹配

傾斜攝影技術(shù)為保證地表地物模型構(gòu)建的精確性，多視影像為采用垂直影像和傾斜影像的組合影像。多視影像在平差過程中，應(yīng)考慮同名點(diǎn)在不同視角的匹配準(zhǔn)確性，以及不同期或不同幅影像間的幾何變形和遮擋關(guān)系等問題，一般常用的空三軟件無法解決此問題。因此，采用多視影像聯(lián)合平差方法，可保證多視影像能夠順利完成平差。此外，傾斜攝影數(shù)據(jù)由于其重疊度大、分辨率高等特點(diǎn)，勢(shì)必具有較大的數(shù)據(jù)量，因此如何快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行影像匹配是三維建模的關(guān)鍵。

傾斜多視影像數(shù)據(jù)的區(qū)域網(wǎng)平差分為無約束區(qū)域網(wǎng)平差和附加約束的區(qū)域網(wǎng)平差兩種方法。由于大數(shù)據(jù)處理能力的提升，解決繁雜且大量共線方程未知數(shù)已不是難題，傾斜多視影像數(shù)據(jù)空三解算的自動(dòng)化，是眾多的像片重疊及海量的相關(guān)性同名像點(diǎn)數(shù)據(jù)處理的優(yōu)選方案，其間的人工干預(yù)越少越好，因此無約束區(qū)域網(wǎng)平差方式是傾斜多視影像數(shù)據(jù)的聯(lián)合平差的主要方式。傾斜多視影像密集匹配算法在匹配大量同名點(diǎn)時(shí)，能夠自動(dòng)識(shí)別并消除大量的冗余數(shù)據(jù)，并對(duì)錯(cuò)誤匹配進(jìn)行改正，以保證地物的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)得到準(zhǔn)確的表達(dá)。

在工程中多采用以下步驟對(duì)傾斜多視影像數(shù)據(jù)的密集匹配，具體為：首先，構(gòu)造差分高斯尺度空間像片的影像金字塔；其次，依據(jù)POS 數(shù)據(jù)、相機(jī)參數(shù)和像片外方位元素，通過后方交會(huì)的方式精確調(diào)整像片姿態(tài)和位置；再次，利用同形變換、基于特征的圖像匹配等方法技術(shù)，自動(dòng)獲取同名像點(diǎn)，然后定位到影像金字塔最上層級(jí)，進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差，獲取精準(zhǔn)的外方位元素；最后，重復(fù)以上步驟，并將結(jié)果轉(zhuǎn)換到下級(jí)金字塔影像，直至原始影像。

1.2.2 點(diǎn)云分類及修正

基于實(shí)景三維衍生的點(diǎn)云數(shù)據(jù)不可避免地會(huì)包含大量非地面點(diǎn)數(shù)據(jù)，如樹木、建筑物等，直接用于DEM 制作及土方量算，勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生遠(yuǎn)超項(xiàng)目要求的量算誤差，因此在進(jìn)行土方量算前，需刪除樹木、建筑物等非地面點(diǎn)進(jìn)行，如何快速、準(zhǔn)確地對(duì)建筑物、樹木等地物進(jìn)行分類刪除，則是土方量算的一大難點(diǎn)。

采用Terra Solide 軟件進(jìn)行點(diǎn)云分類處理，基于影像的激光點(diǎn)云分類實(shí)質(zhì)是分析不同類別掃描目標(biāo)的R、G、B 值分布，并總結(jié)其分布趨勢(shì)，主要包括：R、G、B 值集中趨勢(shì)、離散趨勢(shì)、分布特征以及其他特征等。通過分析建筑物、樹木等地物的特性以及先驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，建立分類規(guī)則集，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云分類。最后，將分類后結(jié)果與實(shí)景三維模型進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，借助實(shí)景三維的直觀性、可視性，對(duì)錯(cuò)分類以及非地面點(diǎn)區(qū)域內(nèi)插結(jié)果進(jìn)行修正，進(jìn)而真實(shí)還原地面起伏變化。

1.2.3 DEM土方量算

數(shù)字高程模型DEM 法進(jìn)行原始數(shù)據(jù)的土方量算，實(shí)質(zhì)是利用二重積分，以無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)獲取的高程與構(gòu)建的基準(zhǔn)面的高程之間的差值作為積分高度，并利用單元網(wǎng)格面積為積分單元進(jìn)行計(jì)算。采用方格網(wǎng)法計(jì)算目標(biāo)區(qū)域，取方格最小單位寬度10 m，經(jīng)重新抽稀展點(diǎn)后得到地形地貌數(shù)據(jù)土方量。然后使用數(shù)字高程模型DEM 法得到的土方量算結(jié)果作為準(zhǔn)值，采用方格網(wǎng)法計(jì)算得到的土方量作為觀測(cè)值，得到土方量算的精度誤差σv如式（1）所示；

式中：σv為土方量相對(duì)誤差（%）；V觀測(cè)為觀測(cè)值（m3），V準(zhǔn)值為土方量準(zhǔn)值（m3）。

依此類推，在目標(biāo)區(qū)域分別在不同的格網(wǎng)間距條件下，分析土方量算精度受格網(wǎng)間距的影響。

1.3 實(shí)景三維土方量算作業(yè)流程

基于實(shí)景三維的土方量算首先要進(jìn)行外業(yè)航攝、測(cè)區(qū)踏勘與資料收集，使用航線規(guī)劃軟件進(jìn)行航線規(guī)劃設(shè)計(jì)、靶標(biāo)點(diǎn)設(shè)計(jì)以及實(shí)施，外業(yè)像控布設(shè)完成后進(jìn)行傾斜航空攝影，利用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)獲取測(cè)區(qū)真彩色影像；其次，進(jìn)行內(nèi)業(yè)空三加密將多視影像聯(lián)合平差匹配，構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)和白模構(gòu)造圖和紋理映射，方便后期可視化操作進(jìn)行地形分析；最后，根據(jù)以上步驟處理結(jié)果，進(jìn)行點(diǎn)云分類非地面點(diǎn)高程修正，基于DEM 的精度驗(yàn)證分析，完成土方量算。具體技術(shù)路線如圖1 所示。

圖1 實(shí)景三維土方量算具體技術(shù)路線圖

2 應(yīng)用案例

2.1 項(xiàng)目概況

項(xiàng)目主要目的是為甲方提供數(shù)據(jù)支撐，核實(shí)作業(yè)方提交的土方量是否存在虛報(bào)、多報(bào)現(xiàn)象。測(cè)區(qū)整體呈條帶狀，長(zhǎng)約10 km、寬約300 m，地形起伏較大，地表覆蓋植被多為雜草、樹木，建筑物相對(duì)較少。根據(jù)測(cè)區(qū)整體情況，采用DJI M600 電動(dòng)多旋翼無人機(jī)，通過搭載三鏡頭搖擺式傾斜相機(jī)進(jìn)行航攝。其中相對(duì)航高為70 m，航向及旁向重疊率優(yōu)于75%，靶標(biāo)點(diǎn)布設(shè)間距沿條帶方向按照200 m 間隔進(jìn)行布設(shè)，共布設(shè)3 排。

2.2 數(shù)據(jù)處理

實(shí)景三維及點(diǎn)云數(shù)據(jù)制作主要采用Context Capture 建模軟件，采用Terra Solide 對(duì)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波分類：其中，點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理單元為75 m；地形模型間隔距離為1 m；地形模型將該點(diǎn)與地面點(diǎn)連線之間的夾角設(shè)置為18°，分類后點(diǎn)云結(jié)合實(shí)景三維模型進(jìn)行非地面點(diǎn)高程修正，最后利用Globalmapper 制作DEM 高程模型，格網(wǎng)間隔為0.5 m，并與歷史DEM 進(jìn)行差值計(jì)算，最終計(jì)算得到土方量。實(shí)景三維、點(diǎn)云數(shù)據(jù)效果圖及DEM 暈渲圖如圖2、圖3 所示。

圖2 實(shí)景三維及點(diǎn)云效果圖

圖3 DEM 暈渲效果圖

2.3 實(shí)景三維精度驗(yàn)證

實(shí)景三維模型作為土方量算的數(shù)據(jù)支撐，其精度直接影響最終的土方量算精度，若模型精度超限，則后續(xù)工作無法繼續(xù)，因此模型精度檢測(cè)是必不可少的環(huán)節(jié)。

為保證模型精度檢測(cè)科學(xué)性、嚴(yán)謹(jǐn)性，外業(yè)采集檢查點(diǎn)均勻覆蓋整個(gè)任務(wù)區(qū)域，且盡量遠(yuǎn)離控制點(diǎn)位置，同時(shí)對(duì)于地形起伏、高差較大的地方重點(diǎn)采集檢查點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)。從實(shí)景三維模型中抽取30個(gè)點(diǎn)作為模型精度檢測(cè)驗(yàn)證值，利用實(shí)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)和平差點(diǎn)坐標(biāo)驗(yàn)證模型精度，其中，Dxy為實(shí)測(cè)點(diǎn)與平差點(diǎn)計(jì)算的差值。具體精度檢測(cè)結(jié)果如表1 所示。

表1 模型精度檢測(cè)單位：m

2.4 DEM精度驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文采用的點(diǎn)云分類及高程修正方法能否達(dá)到預(yù)期效果，通過野外采集高程檢測(cè)點(diǎn)，與制作的DEM 成果數(shù)據(jù)聯(lián)合導(dǎo)入ArcGIS 軟件，計(jì)算高程中誤差。DEM 高程精度檢測(cè)結(jié)果如表2 所示。

表2 DEM 精度檢測(cè)單位：m

2.5 土方量算

利用平差后的DEM 數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcScene 軟件中進(jìn)行三維顯示，將填挖土方位置客觀清晰地直接反映出來，并提供不同角度的觀測(cè)視角。在ArcScene中將正射影像數(shù)據(jù)和DEM 數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加可獲得三維地表模型（DSM），在模型中可以查詢?nèi)我庖稽c(diǎn)的坐標(biāo)、高程、坡度坡向等地形信息。

本次量算結(jié)果為填方量1 249 436.71 m3，挖方量為9 057.74 m3，凈挖方量1 240 378.97 m3，與作業(yè)方提供的挖方量差值為10 000 m3左右。為增強(qiáng)說服力，采用分段比對(duì)的方法找出差值所在區(qū)域，并現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果證明DEM 成果與實(shí)地地形起伏變化基本一致。

3 結(jié)語

本文主要研究了實(shí)景三維在土方量算中的應(yīng)用，并結(jié)合實(shí)際工程案例進(jìn)行驗(yàn)證。在精度方面，實(shí)景三維模型精度平面中誤差為0.07 m，高程中誤差為0.11 m，基于實(shí)景三維制作的DEM 高程中誤差為0.13 m，完全滿足土方量算要求；同時(shí)基于實(shí)景三維的土方量算在數(shù)據(jù)獲取有著快速、高效的優(yōu)勢(shì)，在成果方面由于其高密集的匹配點(diǎn)，能真實(shí)模擬測(cè)區(qū)的起伏特征，能夠較好地解決測(cè)區(qū)地形起伏、高差大對(duì)土方量算精度的影響。