Pix4dmapper與精靈4Pro在土方測量中的應用研究

馬智偉

（山西省煤炭地質物探測繪院有限公司，山西 晉中 030600）

1 工程內容

山西某測繪團隊成立于2005 年，是一家進行數字影像后處理、三維建模等技術型公司。2022 年9 月受某房地產公司業主委托，對太原附件一處未來將建設為足球基地的區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，為城鄉結合處一處工業廠區，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，該測繪團隊為業主推薦了更先進的土方測量解決方案—無人機測繪技術。

2 研究方法

無人機測繪首先需要數字正射影像采集，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量。項目概況大概為：項目測區位于山西某工業廠區，研究面積約八萬余平方米，圖像數量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完成。如果項目測量員使用傳統RTK 進行土方測量，同一區域可以在兩天內完成。測量面積越大，無人機與傳統方法的效率差異越明顯。無人機土方測量的優點主要體現在：工作效率耗時極端，測量精度非常高，現場還原度很好，勞動強度小，安全性高等優點。

3 Pix4Dmapper內業數據處理

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

3.1 原始數據資料預處理

（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。

加載數據，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兩種格式數據可選。

（3）繼續自動選擇下一步，并定義“圖像坐標系”、“相機模型”、“地理位置”等參數數據。

首先，設置圖像坐標系統，即設置POS 數據坐標系。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，比如本次，根據我們的地理位置，選擇CGCS2000 114°中央子午線。

導入POS 數據：選擇導入就緒的POS 數據文件。文件格式順序依次為：照片名稱、緯度、經度和高程信息數據。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測量系統數據文件，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 數據處理

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：如果電腦系統連接了外部網絡，則顯示基礎圖和飛行航路圖;如果未連接外部網絡系統，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。這是進行內業數據處理的第一步。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據結果。與之對應的“快速檢測”模式，則是通過降低原始圖像數據的影像分辨率的方法，進而來提高數據處理的速度。結果航測影像數據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。快速處理的結果不太準確，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場研究區域即可進行快速處理研究，以便及時處理發現航拍影像的問題，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，進行數據預處理，檢查原始影像質量。

單擊運行按鈕圖標。顯示影像成果質量報告文檔資料。檢查質量報告時候主要檢查兩個問題。即數據集和相機優化質量：

數據集: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，或者照片質量不好。

相機優化質量: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數據中預測所有控制點的位置。這適用于可以在軟件坐標系統庫中找到的POS 數據坐標和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）導入相控點數據——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”對話框，定義控制點的投影坐標系統。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：如果圖像控制點數據格式不正確，則會導致無法加載控制點數據。

（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，需要確認原始數據的完整性。檢查采集的圖像中是否有不合格的照片。同時檢查pos 數據文件，主要檢查飛行帶變化的照片號，防止pos 數據中的照片號與圖像數據中的照片號不一致。如有號碼差異，可選擇手動調整方法。

從左到右依次為照片名稱編號、經緯度、大地高、航向傾角、橫向傾角、照片旋轉角度等參數。Pos 數據格式如圖3所示。

圖3 Pos數據格式圖

將無人機圖像和相位控制點數據導入Pix4Mapper進行處理和建模，然后根據構建的模型計算土方量。Pix4Mapper 對數據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，員工的數據處理在筆記本電腦（I9 8700HighQ，GTX1080，128GB 內存）中完成。大約8h 后，建模工作完成，生成了高精度3Dcloud、3D 紋理模型數據、正射影像數據和DSM（數字地形模型）數據模型。

4 精度檢驗

工作人員首先使用檢查點來驗證結果的準確性。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。括號內數值為影像上獲取的點位坐標及高程數據。

DSM（數字地形模型）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，業主提供了18 個計算基準面。將這些起始基準數據導入Pix4dMapper，然后按下“計算”按鈕，在短時間內獲得圖紙的填充和開采體積。Pix4dmapper的計算結果如圖4所示。

圖4 Pix4dmapper計算結果圖

5 結語

此項研究實驗最終成果為一張土方量成果計算統計表，包括每個研究區域的面積、填挖方量。依據軟件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，對比傳統測量在土方量計算上，此種方法的優勢為：現場作業時間短，自動化程度高。無人機飛手只需要在測區附件操作無人機，安全性大大的提高了。

此方法結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；無人機測繪可以實現測區圖像的全部拍攝。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、三維點云數據、正射照片和其他結果。