傾斜攝影與激光掃描在土石方測算中的比較研究

摘" 要：隨著數(shù)字化測量技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)被越來越廣泛地應(yīng)用于工程建設(shè)領(lǐng)域，其中傾斜攝影技術(shù)、三維激光掃描技術(shù)尤其是機(jī)載激光雷達(dá)逐漸應(yīng)用于土石方測量工作中，均具有作業(yè)速度快、測算精度高、地形適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)。但目前研究中，針對(duì)兩者的工作效率與測算結(jié)果的比較研究鮮有涉及。為對(duì)2種方法在土石方測算中的應(yīng)用進(jìn)行比較，通過實(shí)證研究對(duì)其應(yīng)用進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明，傾斜攝影與激光掃描作業(yè)速度快、精度高；兩者相比，傾斜攝影的作業(yè)時(shí)間僅僅為激光掃描的54.17%，測量精度前者比后者高大約2倍。可見，傾斜攝影與激光掃描在土石方測算中均有顯著優(yōu)勢(shì)，而傾斜攝影的優(yōu)勢(shì)更為突出。

關(guān)鍵詞：土石方測算；傾斜攝影；三維激光掃描；無人機(jī)；數(shù)據(jù)對(duì)比

中圖分類號(hào)：TU751 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）15-0093-04

Abstract： With the development of digital measurement technology， UAVs are more and more widely used in the field of engineering construction， in which oblique photography technology， 3D laser scanning technology， especially airborne LiDAR， are gradually applied to earthwork measurement work， all of which have the characteristics of fast operation speed， high calculation accuracy and strong terrain adaptability. However， few studies have been conducted to compare the efficiency and measurement results of both. In order to compare the application of the two methods in earthwork measurement， a comparative analysis of their applications is conducted through empirical studies. The results show that oblique photography and laser scanning are faster and more accurate; compared with each other， the operation time of oblique photography is only 54.17% of that of laser scanning， and the measurement accuracy of the former is about two times higher than that of the latter. It can be seen that both oblique photography and laser scanning have significant advantages in earthwork calculation， and the advantages of oblique photography are more prominent.

Keywords： earthwork calculation; oblique photography; three-dimensional laser scanning; UAV; data comparison

土石方工程通常具有工程量較大、現(xiàn)場施工條件復(fù)雜、需要消耗大量的資源等特點(diǎn)，其計(jì)算精度和效率也會(huì)對(duì)工程建設(shè)產(chǎn)生重大影響[1]。目前傳統(tǒng)的測算方法主要包括方格網(wǎng)法、斷面法和等高線法。這些傳統(tǒng)的測算方法，工作量都較大且效率較低、精度不高，在地形特殊復(fù)雜的地區(qū)采用人工采集地形數(shù)據(jù)的方式也具有一定的安全隱患[2-4]。

隨著數(shù)字測量儀器的廣泛適用和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理能力的提高，無人機(jī)在工程領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛。其中，傾斜攝影技術(shù)與激光掃描技術(shù)以無人機(jī)為飛行平臺(tái)，在土石方測算中具有作業(yè)效率高、計(jì)算精度高和地形適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，并逐漸被應(yīng)用到土石方測算的領(lǐng)域中[5-6]。但目前研究中，針對(duì)兩者的工作效率與測算結(jié)果的比較研究較少。因此，本文以云南大學(xué)呈貢校區(qū)二期校舍建設(shè)項(xiàng)目為例，對(duì)這2種方法在土石方測算中的應(yīng)用進(jìn)行比較研究，為工程土石方計(jì)算方法選擇提供參考。

1" 2種土石方測算方法

隨著無人機(jī)攝影技術(shù)的不斷發(fā)展，傾斜攝影技術(shù)通過在同一飛行平臺(tái)上搭載不同傳感器，運(yùn)用多角度相機(jī)同時(shí)從垂直和多個(gè)傾斜角度獲取地面物體各個(gè)角度高分辨率的航攝影像[7]，能夠得到更加豐富真實(shí)的建筑物影像信息。

三維激光掃描利用激光脈沖對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行掃描，獲取復(fù)雜地形的幾何圖形數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)[8]，以點(diǎn)云的形式表達(dá)地形的幾何形態(tài)[9]。而機(jī)載激光雷達(dá)集成GPS、IMU、激光掃描儀和數(shù)碼相機(jī)等光譜成像設(shè)備[10]，將無人機(jī)攝影技術(shù)與激光掃描技術(shù)結(jié)合，可快速高效、高精度地獲取地形地貌、航空數(shù)碼影像等海量信息[11]。

基于傾斜攝影技術(shù)與三維激光掃描技術(shù)，以無人機(jī)為飛行平臺(tái)進(jìn)行土石方測算的流程如圖1所示。

2" 工程案例

2.1" 工程概況

本文以云南大學(xué)呈貢校區(qū)二期校舍建設(shè)項(xiàng)目——二期學(xué)生宿舍為例，分別運(yùn)用無人機(jī)傾斜攝影和機(jī)載激光雷達(dá)對(duì)其土方開挖過程中的土石方量進(jìn)行測算，并進(jìn)行比較分析。該項(xiàng)目位于云南大學(xué)呈貢校區(qū)內(nèi)，中環(huán)以南，楸苑學(xué)生宿舍2棟和4棟旁。該地塊地勢(shì)較為平坦，用地性質(zhì)為高等院校用地，凈用地面積為19 501.88 m2。

2.2" 土石方測算

2.2.1" 無人機(jī)傾斜攝影測算土石方

本文選用經(jīng)緯M300RTK作為飛行平臺(tái)，搭載禪思P1相機(jī)分別于2022年8月12日和8月25日對(duì)場地進(jìn)行2次數(shù)據(jù)采集，并在測區(qū)周圍設(shè)置10個(gè)像控點(diǎn)，利用RTK對(duì)像控點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行采集，用于對(duì)傾斜攝影數(shù)據(jù)處理的精度校正。接下來將影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入大疆智圖，經(jīng)過空三預(yù)處理、像控點(diǎn)配準(zhǔn)、空三后處理等后得到場地的傾斜攝影模型，2次得到的模型如圖2所示。

將獲取的場地傾斜攝影模型導(dǎo)入EPS地理信息工作站，提取地面高程點(diǎn)并生成等高線，對(duì)提取的地面高程點(diǎn)進(jìn)行檢查及校正，無誤后將地面高程點(diǎn)數(shù)據(jù)導(dǎo)出。再將高程點(diǎn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入Civil 3D中，提取高程點(diǎn)信息形成點(diǎn)文件，進(jìn)而生成場地曲面模型，如圖3所示。

通過構(gòu)建的開挖前后曲面模型，最終能夠得到場地開挖部分的土石方挖填方量，見表1?？傆?jì)挖方量17 194.22 m3，填方量547.10 m3，體積凈值（挖方）為16 647.12 m3。

2.2.2" 機(jī)載激光雷達(dá)測算土石方

本文選用經(jīng)緯M300RTK作為飛行平臺(tái)，搭載禪思L1相機(jī)分別于2022年8月12日和8月25日對(duì)場地進(jìn)行2次數(shù)據(jù)采集。接下來將獲取的影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入大疆智圖，經(jīng)過POS處理、地理配準(zhǔn)、點(diǎn)云精度優(yōu)化及點(diǎn)云著色后得到場地的數(shù)字高程模型，如圖4所示。

將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入LIDAR360中，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣、去噪和分類等處理后，得到場地地面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，基于該點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成場地?cái)?shù)字高程模型。再將DEM數(shù)字高程模型導(dǎo)入Civil 3D中，生成場地曲面模型，如圖5所示。

通過構(gòu)建的開挖前后曲面模型，最終能夠得到場地開挖部分的土石方挖填方量，見表2。總計(jì)挖方量17 434.36 m3，填方量469.89 m3，體積凈值（挖方）為16 964.47 m3。

3" 結(jié)果對(duì)比分析

3.1" 數(shù)據(jù)采集對(duì)比

2種方法均是以大疆經(jīng)緯M300RTK無人機(jī)為載體搭載不同相機(jī)對(duì)測區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，均為非接觸式一站式測量。傾斜攝影通過相機(jī)傾斜，不同角度對(duì)地面進(jìn)行拍攝來獲取場地各個(gè)位置各個(gè)角度的高分辨率航攝影像信息；機(jī)載激光雷達(dá)利用激光脈沖對(duì)場地進(jìn)行掃描來高速獲取地面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。2種方法采集數(shù)據(jù)的時(shí)間對(duì)比見表3。

由表3可知，2種方法在數(shù)據(jù)采集上均具有很高的效率，能夠大幅度提高土石方測算中數(shù)據(jù)采集的工作效率。其中，無人機(jī)傾斜攝影相比而言獲取數(shù)據(jù)更快，效率更高，其總時(shí)間僅為機(jī)載激光雷達(dá)的54.17%。

3.2" 數(shù)據(jù)精度對(duì)比

本案例采用RTK采集測區(qū)范圍內(nèi)共16個(gè)檢查點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，將RTK測得的檢查點(diǎn)數(shù)據(jù)作為真值，對(duì)2種方法獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行精度檢查分析，綜合2次采集的檢查點(diǎn)的三維坐標(biāo)的誤差值進(jìn)行對(duì)比分析，分別計(jì)算出2種方法所獲取數(shù)據(jù)的平面中誤差和高程中誤差，見表4。

由表4數(shù)據(jù)可以看出，2種方法所獲取的數(shù)據(jù)精度均較高，且均滿足土石方測算的精度要求。其中，無人機(jī)傾斜攝影所獲得的數(shù)據(jù)誤差略小于機(jī)載激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)誤差，說明無人機(jī)傾斜攝影所獲取的數(shù)據(jù)精度更高，平面精度比機(jī)載激光雷達(dá)高約2.92倍，高程精度比機(jī)載激光雷達(dá)高2.06倍。

3.3" 測算結(jié)果對(duì)比

2種方法測算土石方的結(jié)果對(duì)比分析見表5。

本文主要測算結(jié)果值、數(shù)據(jù)采集時(shí)間和數(shù)據(jù)精度3個(gè)方面對(duì)傾斜攝影和三維激光掃描進(jìn)行比較分析。由表5可知，運(yùn)用無人機(jī)傾斜攝影與機(jī)載激光雷達(dá)2種方法測得的場地挖填方量，體積凈值相差317.35 m3，差值比為1.87％；在數(shù)據(jù)采集時(shí)間上，無人機(jī)傾斜攝影所需總時(shí)間比機(jī)載激光雷達(dá)快11 min，即前者作業(yè)效率要比后者高45.83％；在數(shù)據(jù)精度上，無人機(jī)傾斜攝影的數(shù)據(jù)高程中誤差比機(jī)載激光雷達(dá)小0.057 6 m，即前者模型精度比后者高67.29%。

綜上可知，無人機(jī)傾斜攝影與機(jī)載激光雷達(dá)2種方法測得的土石方量較為接近，而傾斜攝影無論是在作業(yè)效率還是在數(shù)據(jù)精度上都更優(yōu)于機(jī)載激光雷達(dá)。因此，傾斜攝影技術(shù)相較于三維激光掃描更適于應(yīng)用在土石方測算中。

4" 結(jié)束語

本文分別采用傾斜攝影和三維激光掃描2種數(shù)字化技術(shù)并借助無人機(jī)飛行平臺(tái)對(duì)云南大學(xué)呈貢校區(qū)二期校舍建設(shè)項(xiàng)目的場地土石方進(jìn)行測算，并對(duì)2種測算土石方的方法進(jìn)行分析和對(duì)比，具體結(jié)論如下。

1）傾斜攝影技術(shù)及三維激光掃描技術(shù)在土石方測算中，數(shù)據(jù)采集的效率均很高，所獲取的數(shù)據(jù)精度也較高，相較于傳統(tǒng)的土石方測算方法，具有作業(yè)效率高、精度高、安全性高、勞動(dòng)強(qiáng)度低且不受環(huán)境限制等優(yōu)點(diǎn)。

2）采用的2種方法在土石方測算中：在數(shù)據(jù)采集上，傾斜攝影數(shù)據(jù)采集的效率相較于三維激光掃描更高；在數(shù)據(jù)精度上，傾斜攝影所獲取的數(shù)據(jù)精度略優(yōu)于三維激光掃描所獲取的數(shù)據(jù)精度；在測算所得體積凈值上，傾斜攝影（挖方）為16 647.12 m3，三維激光掃描為16 964.47 m3，兩者差值比約為1.87％，差距較小。

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