傾斜攝影測量技術在紙漿廠木片資產管理中的應用

馮正茂 陳桃紅 蘇玉峰 伍浩如

（1.廣西安全工程職業技術學院，廣西南寧，530100；2.廣西民族大學，廣西南寧，530006；3.廣州南方測繪科技股份有限公司南寧分公司，廣西南寧，530022）

規模較大的紙漿廠為了維持正常的連續生產，應對季節性的材料變化，需要把收購回來的木片等原材料進行貯存，貯存過程中還可以改進原料質量，減少并均勻水分，自然發酵，降低樹脂、脂肪、果膠、淀粉、蛋白質等有害成分的含量。所以大型的紙漿廠都會有一個面積很大（幾百畝）的材料露天堆場。露天堆場的木片原材料是紙漿廠重要資產，為了對紙漿木片資產進行動態、有效地管理和審計，除了每天詳細記錄堆場新進材料量和輸送生產的出料量之外，還需要對整個堆場的原材料總量（木片堆的體積總和）進行定期（如每個月一次）的盤點[1-2]。盤點工作采用傳統的測繪技術手段進行，工作量大、誤差大、效率低、歷時長，無法做到按時按點完成統計工作，需要探索和采用新的技術手段。

傾斜攝影測量技術是一項新興的技術，在很多領域都有著較好的應用效果。該技術融合了傳統的航空攝影、近景攝影測量、工程測量、計算機視覺技術。該技術需將單臺或者多臺傳感器裝設在同一飛行平臺上，從垂直、前視、后視、左視、右視等多個視角完成影像信息的采集，可以得到較為完整的地物影像信息[3-4]。再借助專業電腦軟件，加入高精度像控點測量的數據，在盡量減少人力參與的前提下，可以較精確地完成模型的自動化構建，生成地物的三維模型，用于地物的360°瀏覽，物體點坐標、距離、面積和體積等數據的測量、計算和分析[5]。

1 項目背景及區域概況

某大型紙漿廠的材料露天堆場面積約433333 m2（650 畝），整個堆場由排水溝和綠化樹木分隔成3 個片區，場地較為平整。整個堆場37 座木片堆，所有木片堆設計先堆存后篩選，先進先出。木片水分均勻，木片密度變化較小，木片尺寸均勻。每次對材料總量的盤點都確定時點，分別測算各個木片堆的體積，需要統計確定某個時點的材料總量。采用傳統的測繪手段，用皮尺或者全站儀逐個測出各個木片堆的堆底長寬度、堆頂長寬度和堆垛高度，然后再計算木片堆的體積進行匯總統計。工作量大、精度低、效率低，無法滿足資產管理盤點工作的要求。

本項目研究了用傾斜攝影測量技術解決露天堆場木片原材料總量盤點的難題。采用南方測繪天行HO1300 八旋翼無人機平臺搭載索尼RX1RⅡ傳感器，對木片露天堆場及周邊范圍進行完整的低空影像照片數據采集和像控點坐標測量。利用天云系統Altizure軟件或者Context Capture Center 軟件進行空三解算和自動化建模處理，建立整個露天堆場的三維模型。分別量算堆場模型里各個木片堆的體積，跟傳統測繪技術手段做了精度比對，為露天堆場木片原材料總量統計盤點選擇更優的技術解決方案。

2 傾斜攝影測量的技術解決方案

傾斜攝影測量構建實景三維模型的工作，主要有傾斜航空攝影、像控測量、空中三角測量、三維建模等作業環節[6]。本研究采用天行HO1300 八旋翼無人機平臺搭載單臺索尼RX1RⅡ傳感器，平臺包含兩套獨立工作的GPS、磁羅盤、IMU。飛行平臺及傳感器的主要參數如表1所示。

2.1 像控點布設和測量

為了保證三維建模的高精度，在整個露天堆場內均勻地布設了10 個像控點（露天堆場示意圖和像控點點位分布圖如圖1所示），使用GNSS RTK方式分別測量了各像控點高精度的CGCS2000 三維坐標，保證像控點精度達到厘米級，以便空三解算時刺點和輸入坐標作為空三解算的起算數據，從而保證空中三角測量精度。

表1 飛行平臺及傳感器的主要參數

圖1 露天堆場示意圖和像控點點位分布圖

2.2 傾斜航空攝影

為了獲得高質量的航攝影像，保證更高的建模精度，先進行航線規劃，把整個測區（露天堆場）分成3 個片區，各片區有部分交叉重疊。選擇晴好的天氣，對3 個片區各航拍1 個架次，共飛3 個架次。飛行高度80 m，影像地面分辨率為0.01，航向重疊度設置為80%，旁向重疊度設置為65%。每個架次都要檢查影像清晰度，保證航攝精度，3 個架次共采集影像照片1854張。

2.3 空中三角測量

空中三角測量是利用一個區域中多幅影像連接點的影像坐標和很少的已知影像坐標及其物方空間坐標的地面控制點，通過區域網平差計算，求解連接點的物方空間坐標與影像的外方位元素，稱為區域網空中三角測量[7]。航拍外業結束后，進行數據準備，下載1854 個POS 數據跟對應的影像照片匹配，提取傾斜影像連接點，進行光束法區域網平差的初始空三計算。該操作要借助傾斜建模軟件Altizure 軟件或者Context Capture Center 軟件完成，軟件系統會自動計算或識別連接點。計算過程中，出現了少數與實際要求不相符（如傾角過大）的數據，影響了空三計算結果，針對這種情況，為了提高數據精度，直接將不符合要求的數據剔除，再次進行計算或者多次計算。空三計算完成后，再輸入各個像控點的坐標，找到對應的影像照片進行刺點，然后選擇連接點保持、位置與角元素重新計算，再次進行解算，以糾正和轉換所有連接點的坐標。

在空三計算的過程中，也可能會出現由于相機畸變等原因造成航線彎曲、存在分層或交叉的現象，導致空三計算無法完成，這時可以嘗試換一款軟件重新計算，或者直接輸入各個像控點的坐標，刺點之后，再重新進行空三解算，計算結果得到連接點的坐標就是糾正和轉換過的坐標。空中三角測量流程見圖2。

圖2 空中三角測量流程圖

本研究項目場地平整，飛行平臺比較平穩，飛行高度較低，航拍前傳感器做了校正，消除了相機畸變，影像重疊度較高，像控點均勻分布且點測量坐標精度較高，所以空中三角測量精度比較高，空中三角測量精度分析報告如表2 所示。由表2 可知，10 個檢查點的三維均方差為0.012、水平均方差為0.012、垂直均方差為0.001。為下一步建立三維建模提供了很好的數據質量保證。

2.4 建立三維模型

空中三角測量計算完成，檢查數據合格后，接下來就是構建實景三維模型。三維建模軟件系統按照影像數據，按最佳算法進行匹配，對應同名點，然后通過特征點的提取，形成密集點云。再結合空三測量計算結果，確定影像之間的關系，完成三角TIN 的建立[8-9]。最后根據三角TIN 形成白模，計算影像紋理，通過紋理映射與白模相對應，實現三維模型的建立。

目前，在傾斜三維建模領域中，主要建模的系統軟件主要有天云系統Altizure 軟件、Context Capture 軟件、街景工廠Street Factory、PhotoScan、PhotoMesh、瑞士Pix4d 等[10]。這些軟件均可針對整個航攝區域構建三維模型，自動化程度和建模的效率均比較高。

本研究使用天云系統Altizure 軟件進行自動化建模處理，生成三維模型和傳統測繪數據進行精度比對。電腦集群采用主模塊——線程模塊的運行模式，進行網格并行計算，由30臺工作站構成，裝設有Engine 與Master?？刂泣c坐標采用2000 國家大地坐標系，選擇的建模區域為航攝露天堆場全區，提交軟件構建模型，瓦片邊長為60 m，共204塊瓦片，占電腦近2/3 的運行內存，成果輸出按照OSGB 格式進行。瓦片生成后，創建一個模型索引文件整合全部模型瓦片場景。建模工作流程見圖3。

空三計算成果質量較高，加上拍攝時能見度很好，木片露天堆地物鏡面反射現象很弱，影像分辨率較高，紋理映射效果很好，所以建立的模型質量較高，精度高，從而更好地保證了木片堆體積計算的精度。

3 露天堆場里各個木片堆體積的計算

露天堆場的三維模型建好后，在模型上測量選擇幾個形狀比較規則的木片堆底部長寬、頂部長寬和木片堆高度，同時量取了地面的標志線長度距離等數據跟實地用皮尺和全站儀測量的數據對比，相差均在2 cm 以內（如表3 所示），很好地滿足了計算木片堆體積的要求。地面標志長度線和木片堆尺寸示意圖分別見圖4和圖5。

表2 空中三角測量精度分析報告

圖3 建模工作流程圖

表3 模型尺寸和實量尺寸的對比表

在傳統的計算土方量或體積的技術方式中，用全站儀或GNSS RTK 設備進行數據采集，都是以點方式進行測繪工作，得到的地形數據有限，每100 m2大約只有4～5 個平高點，地形圖的土方工程量統計采用方格網法，根據方格網的4 個頂點擬合高程進行計算，這是一種模糊擬合的算法，所以數據精度不高。傾斜攝影測量的三維模型生成了大量帶有平面位置與高程數據信息的點，點密度高達60 個/100 m2以上，構成三角網，采用三棱錐法自動計算土方量，大大地提高了精確度，也提高了木片堆的體積計算精度[11-12]。這些過程借助專門軟件完成，效率很高。木片堆體積計算示意圖見圖6。

圖4 三維模型上量取地面標志長度線

圖5 木片堆尺寸示意圖

圖6 木片堆體積計算示意圖

完成計算全部3 個片區總共37 個木片堆的體積，再進行統計匯總，得到確定時點的各片區和整個堆場的木片原材料的總量，完成堆場原材料的審計統計工作。C號片區所有木片堆的體積統計表見表4。

表4 C號片區所有木片堆的體積統計表

4 結 論

本課題研究傾斜攝影測量技術在木片資產管理中的應用。傾斜攝影測繪技術能快速地從不同視角獲取木片堆的影像信息，并通過空中三角計算得到高精度木片堆海量的數據點云，建立三維模型和計算木片堆體積，速度快、精度高，能夠彌補傳統測繪技術手段的缺陷，完全滿足紙漿廠對木片原材料等重要資產進行動態、有效管理和審計的需要。傾斜攝影測繪技術取代傳統測繪技術手段，在其他相類似的工農業生產和工程建設應用當中，具有推廣普及的意義。