Pix4dmapper與精靈4Pro在土方測量中的應用研究

馬智偉

（山西省煤炭地質(zhì)物探測繪院有限公司，山西 晉中 030600）

1 工程內(nèi)容

山西某測繪團隊成立于2005 年，是一家進行數(shù)字影像后處理、三維建模等技術(shù)型公司。2022 年9 月受某房地產(chǎn)公司業(yè)主委托，對太原附件一處未來將建設為足球基地的區(qū)域進行土方測量研究工作。

施工場地位于丘陵地帶，面積為85000 約平方米，為城鄉(xiāng)結(jié)合處一處工業(yè)廠區(qū)，場地上原本覆蓋的林木已基本被清除。但建筑垃圾散亂堆砌，不便于測量人員行走舉桿測量。所以，該測繪團隊為業(yè)主推薦了更先進的土方測量解決方案—無人機測繪技術(shù)。

2 研究方法

無人機測繪首先需要數(shù)字正射影像采集，這需要覆蓋整個場地，且具有一定程度的重疊。該項目使用的無人機是大疆的4Pro 無人機。4Pro V2.0 配備2000萬像素圖像傳感器，可拍攝4K視頻。圖像傳輸半徑最高可達10km。五向環(huán)境感知功能保障了飛行安全，飛行高度為100米。無人機總共飛行了3個架次，共獲得1026張影像。另外工作人員還采集了10個相控點，用于進一步提高成果精度，并設置4個檢查點，便于檢查測量成果質(zhì)量。項目概況大概為：項目測區(qū)位于山西某工業(yè)廠區(qū)，研究面積約八萬余平方米，圖像數(shù)量1028張，成果分辨率達到3.3 厘米級別，測量成果為土方計算表格，數(shù)字地面模型以及正射影像等。

圖像和相位控制點采集應由兩人在一天內(nèi)完成。如果項目測量員使用傳統(tǒng)RTK 進行土方測量，同一區(qū)域可以在兩天內(nèi)完成。測量面積越大，無人機與傳統(tǒng)方法的效率差異越明顯。無人機土方測量的優(yōu)點主要體現(xiàn)在：工作效率耗時極端，測量精度非常高，現(xiàn)場還原度很好，勞動強度小，安全性高等優(yōu)點。

3 Pix4Dmapper內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

Pix4dmapper 作業(yè)基本流程為：首先，獲取原始數(shù)據(jù)，建立測量區(qū)域，并導入數(shù)據(jù)，包括圖像、POS、控制點、相機參數(shù)和其他數(shù)據(jù)，然后自動完成解析空中三角測量，生成正射影像（DOM）、數(shù)字地表模型（DSM），最后出空三報告，精度分析等數(shù)據(jù)。

3.1 原始數(shù)據(jù)資料預處理

（1）雙擊pix4d 軟件圖標，進入程序主界面。程序初始化界面如圖1所示。

圖1 程序初始化界面

（2）鍵入項目名稱，然后選擇項目存儲路徑及位置。選擇下一步，并導入原始航測照片。

加載數(shù)據(jù)，一定要注意，路徑不能包含中文以及特殊文字字符等。有TIF和JPG兩種格式數(shù)據(jù)可選。

（3）繼續(xù)自動選擇下一步，并定義“圖像坐標系”、“相機模型”、“地理位置”等參數(shù)數(shù)據(jù)。

首先，設置圖像坐標系統(tǒng)，即設置POS 數(shù)據(jù)坐標系。默認為美國的WGS84 坐標。一般情況下我們需要更改成我們的目標坐標系統(tǒng)，比如本次，根據(jù)我們的地理位置，選擇CGCS2000 114°中央子午線。

導入POS 數(shù)據(jù)：選擇導入就緒的POS 數(shù)據(jù)文件。文件格式順序依次為：照片名稱、緯度、經(jīng)度和高程信息數(shù)據(jù)。單擊并且選擇——從文件導入圖像定位信息圖標。

單擊選擇——“瀏覽圖標按鈕，然后我們選擇對應的高精度位置與姿態(tài)測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)文件，并且選擇確定按鍵圖標。

相機型號的設置，pix4d 軟件會自動讀取，比如本次飛行的精靈4pro 相機。并且進行自動檢查、修改相機型號等設置。如果需要修改相機型號，也可以自行選擇編輯圖標按鈕，相機型號界面如圖2所示。

圖2 相機型號界面

3.2 數(shù)據(jù)處理

新建工程項目完成之后，我們要注意界面顯示問題，提示大家：如果電腦系統(tǒng)連接了外部網(wǎng)絡，則顯示基礎圖和飛行航路圖;如果未連接外部網(wǎng)絡系統(tǒng)，則只顯示飛行軌跡圖。

點擊“運行”按鈕圖標，選擇“本地處理”按鍵。這是進行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的第一步。Pix4dmapper 軟件提供了“高精度處理”和“快速檢測模式”兩種初始化處理模式供大家選擇。其中，“高精度處理”模式提供最高精度的數(shù)據(jù)結(jié)果。與之對應的“快速檢測”模式，則是通過降低原始圖像數(shù)據(jù)的影像分辨率的方法，進而來提高數(shù)據(jù)處理的速度。結(jié)果航測影像數(shù)據(jù)的精度略低于高精度處理模型之精度。

快速處理檢查工作。這一步只是起到一個檢查作用，屬于可選項，在實際軟件操作中可以不進行此步驟?？焖偬幚淼慕Y(jié)果不太準確，但是此種方法快速處理會快得多。因此，建議在無人機航測現(xiàn)場研究區(qū)域即可進行快速處理研究，以便及時處理發(fā)現(xiàn)航拍影像的問題，進而決定是否需要補拍。

選擇“快速檢測”單選按鈕圖標。同時取消第二步和第三步的選擇，然后單擊“開始”按鈕，進行數(shù)據(jù)預處理，檢查原始影像質(zhì)量。

單擊運行按鈕圖標。顯示影像成果質(zhì)量報告文檔資料。檢查質(zhì)量報告時候主要檢查兩個問題。即數(shù)據(jù)集和相機優(yōu)化質(zhì)量：

數(shù)據(jù)集:所有圖像將在快速處理過程中匹配。這里我們需要確保大部分或所有圖像匹配。如果沒有，說明照片之間重疊不夠，或者照片質(zhì)量不好。

相機優(yōu)化質(zhì)量:相機初始焦距與計算出的相機焦距之差不能超過5%，否則相機原型號不正確，相機復位。

空三刺點方法有：第一種是使用“空三射線編輯器”進行操作；第二種是使用平面編輯器進行編輯。

使用空三射線編輯器添加控制點(推薦):該方法用于初始化處理后，在空三射線編輯器中顯示控制點。它用于從POS數(shù)據(jù)中預測所有控制點的位置。這適用于可以在軟件坐標系統(tǒng)庫中找到的POS 數(shù)據(jù)坐標和GCP 坐標。使用此方法可添加控制點，并在初始處理后手動設置。具體操作步驟為：

（1）單擊圖標打開“圖像控制點/手動連接點編輯器”按鈕圖標。

（2）導入相控點數(shù)據(jù)——影像地面控制點。點擊“編輯”按鈕，彈出“選擇圖像控制點坐標系統(tǒng)”對話框，定義控制點的投影坐標系統(tǒng)。缺省值為WGS84。對于其他坐標系，它們可以由按鈕或按鈕定義。定義完成后，單擊OK。

（3）返回到“管理圖像控制點/手動連接點”對話框，單擊按鈕，然后選擇控制點坐標文件(.txt或.csv格式)。

（4）單擊“打開”按鈕以顯示“導入圖像”圖標。如果不需要更改，單擊OK按鈕即可。

切記注意：如果圖像控制點數(shù)據(jù)格式不正確，則會導致無法加載控制點數(shù)據(jù)。

（5）空三刺點技巧：首先，點擊并選擇主屏幕左上角的“連接點—手動/圖像控制點”，然后選擇要穿刺的圖像控制點的名稱。這是主屏幕右下角的“Image”位置，將顯示包含圖像控制點位置的圖片。

然后使用圖片查看器打開包含圖像控制點位置的圖片，通過對比找到圖像控制點。

通過比較圖像并在紅色相控標志“十字”附近尋找易于識別的簽名特征，返回PIX4D的主屏幕，并在右下角的“圖像”處選擇一張照片，搜索之前識別的目標特征并縮小搜索范圍。一旦你找到了目標形狀，在附近的小范圍內(nèi)尋找紅色的“十字”地面控制點標識。

在軟件處理過程中，需要確認原始數(shù)據(jù)的完整性。檢查采集的圖像中是否有不合格的照片。同時檢查pos 數(shù)據(jù)文件，主要檢查飛行帶變化的照片號，防止pos 數(shù)據(jù)中的照片號與圖像數(shù)據(jù)中的照片號不一致。如有號碼差異，可選擇手動調(diào)整方法。

從左到右依次為照片名稱編號、經(jīng)緯度、大地高、航向傾角、橫向傾角、照片旋轉(zhuǎn)角度等參數(shù)。Pos 數(shù)據(jù)格式如圖3所示。

圖3 Pos數(shù)據(jù)格式圖

將無人機圖像和相位控制點數(shù)據(jù)導入Pix4Mapper進行處理和建模，然后根據(jù)構(gòu)建的模型計算土方量。Pix4Mapper 對數(shù)據(jù)處理的計算機配置有很大的容忍度，可以適應普通筆記本電腦的配置。在本項目中，員工的數(shù)據(jù)處理在筆記本電腦（I9 8700HighQ，GTX1080，128GB 內(nèi)存）中完成。大約8h 后，建模工作完成，生成了高精度3Dcloud、3D 紋理模型數(shù)據(jù)、正射影像數(shù)據(jù)和DSM（數(shù)字地形模型）數(shù)據(jù)模型。

4 精度檢驗

工作人員首先使用檢查點來驗證結(jié)果的準確性。通過將檢查點的原始位置與計算位置進行比較，平面誤差為1～3cm，高程誤差為1～5cm，完全可以滿足業(yè)主對精度的要求。具體檢查點精度指標主要為：J1：373549.516（373549.504）、4196533.415（4196533.404）、775.58（775.57），其平面誤差為1.6cm，高程誤差為1cm；J2：373519.513（373519.521）、4196430.419（4196430.439）、774.76（774.72），其平面誤差為2.2cm，高程誤差為4cm；J3：373113.515（373113.548）、4196234.409（4196234.447）、776.61（776.63），其平面誤差為5.0cm，高程誤差為2cm；J4：373137.311（373137.332）、4196335.328（4196335.351）、772.39（772.44），其平面誤差為3.1cm，高程誤差為5cm。括號內(nèi)數(shù)值為影像上獲取的點位坐標及高程數(shù)據(jù)。

DSM（數(shù)字地形模型）表示地面的起伏，是Pix4Mapper 中土方工程計算的基礎。軟件會根據(jù)用戶定義的起始曲面自動計算起始曲面上方和下方的挖方和填方量。在本項目中，業(yè)主提供了18 個計算基準面。將這些起始基準數(shù)據(jù)導入Pix4dMapper，然后按下“計算”按鈕，在短時間內(nèi)獲得圖紙的填充和開采體積。Pix4dmapper的計算結(jié)果如圖4所示。

圖4 Pix4dmapper計算結(jié)果圖

5 結(jié)語

此項研究實驗最終成果為一張土方量成果計算統(tǒng)計表，包括每個研究區(qū)域的面積、填挖方量。依據(jù)軟件Pix4Dmapper計算功能，本研究項目的土方工程計算總量為36.5×104m3，總誤差值為0.25×104m3。

通過此項目，我們總結(jié)了本項目中使用的無人機航空攝影測量的解決方案，對比傳統(tǒng)測量在土方量計算上，此種方法的優(yōu)勢為：現(xiàn)場作業(yè)時間短，自動化程度高。無人機飛手只需要在測區(qū)附件操作無人機，安全性大大的提高了。

此方法結(jié)果具有較高的精度和分辨率，有利于更準確地測量土方：傳統(tǒng)測量每5～10m測量一個點，且點的密度有限，不能很好地反映土方的細節(jié)；無人機測繪可以實現(xiàn)測區(qū)圖像的全部拍攝。地面分辨率最高可以達到厘米級精度水平。

Pix4Mapper 在土方測量期間生成地表模型、三維點云數(shù)據(jù)、正射照片和其他結(jié)果。