基于無人機攝影測量技術的土石方快速測量方法

張佩琳

（杭州方圓測繪技術服務有限公司 浙江 杭州 310000）

0 引言

在工程領域中多方面涉及土石方量的統計測量，傳統方法主要有儀器測量法，如利用GPS、全站儀或者水準儀測量地形特征點，這些測量方法需要消耗大量的人力和物力，且對場地環境要求較高，當遇到惡劣環境時，測量人員的人身安全得不到保障，同時會延長工期，大大提高工程的成本[1]。隨著科技的發展，三維激光掃描技術可快速、精準獲取被測目標的體積，但由于其掃描區域受限、設備成本高、機動性差，對土石方進行量算時仍需通過人工估算或利用傳統方法實地量測，在現場作業中仍然難以普及使用；而傳統的土石方量計算方法如斷面法和方格網法，不僅受測量人員的經驗和專業水平的影響較大，而且效率低、準確性差，更不適用于危險區域的土石方測量。隨著無人機技術和計算機技術的發展，消費級無人機以其機動靈活、操作簡單、成本低廉等優勢發展迅猛，廣泛應用于地質調查、基礎地理信息采集、測繪等領域，國內眾多學者開始把該技術應用于大面積土石方測量計量中。

1 基于無人機攝影測量技術的土石方快速測量方法

1.1 無人機攝影測量技術

近年來，無人機攝影測量技術也逐漸發展成熟，無人機攝影測量技術集成多項高新技術于一體，包括無人駕駛飛行技術、遙控遙測技術、攝影測量技術等，其中，空中飛行平臺主要有自動控制系統、無人飛行器、非量測型高分辨率數碼相機等傳感器設備[2]。無人飛行器主要用來搭載自動控制系統和數碼相機，作為任務設備，非量測數碼相機主要用來獲取高分辨率地面物體的影像，其可通過定時或者定距來操作，具有高度自動化等特點；自動控制系統能夠接受并處理控制指令，精確控制無人機按照設定的航線飛行，其主要由微處理器、GNSS接收機和慣導等傳感器組成，系統可參照作業時發動機的轉速、風速等氣象信息自動設定參數，地面控制系統發出指令后就能實現無人機的遙控和自主飛行，保證飛行姿態，自動采集地面物體的影像數據。獲取的影像數據通過攝影測量系統進行處理，主要關鍵內容有影像預處理、區域網聯合平差、多視影像匹配、DSM生成、正射糾正、三維建模等[3]。

1.2 土石方測量原理

基于無人機攝影測量的方法快速測算土石方量，測算效率及精度直接與利用無人機影像生成的DEM相關。為了保證生成DEM的效率及精度，采用三維重建和空中三角測量相結合的方法，對無人機影像進行處理，其核心算法是SfM（structure from motion）算法[4]。該算法對相機拍攝位置、圖像尺寸及拍攝焦距有嚴格的要求，可以從重疊圖像中自動提取特征點，構建目標物體三維模型；基本原理是通過不同圖像中對應像素間的視差，反推出場景中目標物體的空間幾何形狀和位置，進而構建三維模型。首先，利用消費級無人機搭載非量測相機，獲取測區影像數據；然后，利用三維重建的方法生成DEM，并通過邊界點構建不規則格網，生成土石方開挖前的DEM；最后，計算兩個DEM的差異，即得前后兩次的土石方量，從而達到在保證人員安全的情況下，提高土石方測量精度和效率的目的。

1.3 技術路線

基于無人機攝影測量技術的土石方快速測量方法技術路線如下：

第一步：利用消費級無人機獲取地面影像數據，同時利用GNSS RTK開展外業像片控制測量；DEM數據采用軟件自動進行空中三角測量和三維重建，通過SfM法三維重建、空中三角測量后進行建筑物植被過濾來構建TIN，根據TIN創建DEM，將DEM切割、融合并進行邊緣裁切，設置參數并糾正，拼接勻色出圖生成DEM，通過土方開挖前后兩次的DEM曲面的差值來計算出土石方量。

第二步：DTM法計算土石方量。利用傳統的GNSS RTK在實驗區域內采集一定密度的高程點數據，將數據展繪到CASS軟件中來構建土石方DTM計算土石方量。

第三步：對比兩種土石方測量方法的精度。DTM法直接采用野外測得的離散高程點（包括地形特征點）構建三角網來計算土石方量，與方格網法、斷面法相比，采樣高程點選取自由度大、測量精度高、工作效率高，更適用于地形條件復雜地區。因此，本文以DTM法測得數據為基準，比較土石方計算方法的效率及精度。

圖1 無人機土石方測量技術路線圖

2 工程實例

2.1 外業數據采集

本案例中采用設備是大疆M300-RTK無人機搭Share102S Pm五鏡頭傾斜相機，無人機航飛的高度為200 m，獲取影像地面分辨率為0.05 m，航向重疊度為80%，旁向重疊度為70%。M300-RTK無人機上的全球定位系統采用GPS+GLONASS+BeiDou+Calileo多星定位技術，使得定位精度更高，相機曝光瞬間可以獲取精確的POS數據。本次航攝面積約0.159 km2，獲取影像13張，航向重疊為75%，旁向重疊為60%，地面分辨率為5 cm。為了對無人機獲取的影像進行絕對定向和對生成的DEM影像進行精度驗證，本文在研究區域根據地形布設15個地面標志點，并采用天寶GPSRTK進行測量。其中，選定9個標志點為控制點，用于絕對定向；其余6個地面標志點為檢查點，用于精度驗證，外業數據采集的步驟包括：

（1）航測參數設定：通過前期踏勘結合當日飛行天氣與環境，確定了相關飛行參數。在當天太陽光線較強，調整了相機曝光度。結合飛行經驗與區域地形，將區域航高設置為150米，航向重疊度和旁向重疊度分別為80%和70%。

（2）像控點布設：無人機傾斜攝影測量具有較強的現勢性，以無人機航線規劃為前提條件，本項目像控點進行針對性地布設在航線、航帶相接的區域，據此來完成航測內業加密和測圖。在像控點布設之前一般以衛星影像圖為底圖進行預布設，再參照現場踏勘的地理位置布設具體的點位。本測區采用區域網布點，分為平面像片控制點和高程像片控制點，布設主要以靶標為主，少量采用明顯地物（房角，渠道邊）等，測量的手段主要為GPS-RTK快速測量方法施測。

（3）結合外業像控點進行數據采集：在完成設備檢校、航線規劃、像控點布設等步驟后，便可擇機進行外業航飛。外業航飛挑選天氣晴朗、空氣質量良好、氣象條件溫和的時間窗口實施。執飛時，無人機起、降方向應考慮實地風向設置，利用配套軟件實時監測飛行狀態，如果在飛行期間遭遇多次嚴重瞬間大風，應考慮補飛。

2.2 數據處理

首先使用勻光軟件對航拍好的照片進行色彩和曝光度等處理，使影像效果達到最佳狀態，由于影像POS已經寫入相片中，因此不需要進行POS與照片對應處理。采用無人機傾斜攝影測量方法建立實景三維模型的主要技術要點是影像采集和預處理、空中三角測量、TIN網構建、紋理映射等。其中空中三角測量中主要技術包含影像內定向、相對定向、同名點提取、光束法平差等。空中三角測量：將處理后的相片導入空三軟件，只單純用無人機自帶的POS進行一次粗略的空三加密，便于控制片刺點影像與航片影像匹配，之后就要進行像控點的刺點。所拍攝的影像再借助于全自動高性能后處理系統進行批量定向和建模，可快速構建出具有地物準確位置和清晰紋理的高分辨率真三維場景，借助于專業數據處理軟件生成測區三維實景模型，滿足下一步土石方測圖計算的需求。

2.3 土石方量計算

結合Pix4D軟件進行影像數據處理以及Civil3D軟件進行土石方計算，具體步驟如下：

（1）構建DEM

通過自動計算DSM點云，建筑物植被過濾，構建TIN，根據TIN創建DEM，將DEM切割、融合并進行邊緣裁切，設置參數并糾正，拼接勻色出圖生成DEM。

（2）地形分析

將工程區域土石方開挖前后的點云數據更改成文本格式，使用Civil3D軟件讀出該文件，并生成TIN曲面模型，對地形進行分析，統計區域內最大高程、最小高程以及各高程區間范圍。

（3）土石方計算

方法一：利用Global Mapper軟件對數據進行處理，計算研究區域的土石方量為79 552.524 m3。在Global Mapper中構建基準面影像，無人機影像處理后生成的DEM影像得出填挖方量結果，同時輸出土石方填挖方量報告。

方法二：利用南方CASS9.0軟件對采集的高程點數據進行處理，得到實驗區內的土石方量為78 839.25 m3。在CASS中構建基準DTM，土石方量為7 592.2 m3；構建的表面DTM，土石方量為86 439.2 m3。兩次差值即為RTK法測得的研究區域的土石方量，如圖2所示。

圖2 土石方堆土后模型與原始地形疊加圖(綠色為原始地形，紅色為土石方)

2.4 精度驗證

DEM的高程精度直接影響土石方量的計算精度，與其關系緊密，DEM的高程中誤差，按公式（1）計算：

式中，Mh為模型的高程中誤差，n為檢查點個數，Δh為檢查點高程與模型高程的較差。

經公式（1）計算得出，研究區中選取的9個檢查點的中誤差為4.3 cm，精度達到了厘米級，滿足相關規范的要求，檢查點誤差明細如表1所示。

表1 檢查點實測與采集數據對比

3 結果分析

本文分別利用消費級無人機和RTK對選定區域進行測量，從外業獲取時間看，利用無人機方法的外業時間為0.5 h，GNSS RTK方法的外業時間為2.5 h，后者用時是前者的5倍。從土石方量計算結果看，在選擇基準面一致的情況下，無人機方法測得土石方量比RTK法測得的土石方量多705.524 m3。分析其原因，可能因為研究區域有少量樹木，進行土石方計算時未過濾，存在一定的誤差[5]。若以RTK法測量的結果為基準，則無人機方法的相對誤差為0.89%。對于工程實際情況，時間要求比精度要求更加迫切，所以，利用消費級無人機測量土石方量的速度和精度均可以滿足工程的需求。研究結果表明無人機攝影測量對土石方計量有以下優點：

（1）無人機相對傳統測量方法，其技術更加靈活，不受外在地形影響。

（2）采集數據更加快速，內業數據處理自動化程度高，在大面積測量中更能體現其優勢。

（3）無人機攝影測量成果結合Civil3D軟件計算土石方量，實現內外業一體化，減少了作業步驟。

（4）減少了測量人員投入，減輕外業工作量，提高了工作效率，節約了生產成本。

4 結語

土石方測算是在工程中經常遇到的問題，采用GNSS RTK等傳統測量方法進行量測，工作效率低、精度不高，在土石方工程的危險區域，工作開展起來比較困難，且危險系數大。本文提出的基于無人機攝影測量技術的土石方快速測量方法，簡單易行、準確方便。然而，該實驗是在理想狀態下進行，在實際工程中，可能會受到地形、地貌、天氣等諸多因素的制約，面臨影像數據分辨率不高、控制點數量減少或沒有、構建的土石方基準面不準等問題，會導致計算土石方量的精度下降。因此，在以后的實際應用中，可嘗試通過提高POS精度和地面分辨率，改變航攝方法等途徑，提高航測高程測量精度，以期提高本方法在工程應用中的適用性。