連增增,趙曉明,李飛,楊帆

(1. 河南理工大學 測繪與國土信息工程學院,河南 焦作 454000;2. 東南大學 儀器科學與工程學院,江蘇 南京 210000;3. 西南交通大學 地球科學與環(huán)境工程學院,四川 成都 611756)

0 引 言

對于一些不規(guī)則堆積物(如煤堆、礦石堆、原料堆等)的體積測量工作是測繪領域較為常見的工作．體積量算常規(guī)的方法是采用全站儀或GNSS-RTK在堆體表面采集一定密度的三維坐標點,通過構建三角網及繪制等高線,利用DTM 法或方格網法計算出堆積體的體積[1]． 這樣就可以使企業(yè)了解其工業(yè)堆體原料庫存量,以便于后續(xù)生產和庫存管理[2]． 該方法主要的缺點是費時費力,且對于不規(guī)則的堆體而言,GNSS-RTK測量的點坐標數(shù)量有限,部分高程點也無法觀測． 而另一種對不規(guī)則堆積物進行體積量算的方法是無人機航攝技術．傳統(tǒng)的航攝技術因為存在無人機飛行姿態(tài)穩(wěn)定性較差、影像質量較差等問題,所以需布設足夠數(shù)量且位置穩(wěn)定的像控點,以保證測區(qū)成果的作業(yè)精度[3]． 但由于本文所研究的建筑廢料堆積體的兩側有垂直斷面和松動碎石區(qū)域,以致于實際作業(yè)無法得到足夠數(shù)量坐標點像控點．導致使用GNSS-RTK和傳統(tǒng)航攝技術對不規(guī)則堆體進行體積量測時得到的誤差相對來說較大,而無法達到企業(yè)相關的精度要求．

因此,利用具備實時動態(tài)(RTK)的無人機對原料堆積體進行體積測量便成為了全面、成本低以及效率高的最有效方式．內置GNSS-CORS-RTK的無人機對不規(guī)則堆積體攝影得到高精度POS數(shù)據后直接導入ContextCaptue及Photoscan等軟件進行空三加密、點云、DEM、DOM、DSM等數(shù)據的生成以及建立三維模型,繼而進行體積量算．

1 免像控無人機航攝技術

近年來無人機航攝憑借其自身高效率、成本小等優(yōu)勢,在測繪行業(yè)得到了廣泛應用．然而傳統(tǒng)的航攝技術存在許多不足,如飛行不穩(wěn)定、影像重疊度不規(guī)則、畸變大、數(shù)量多等． 因此，為了提高空三加密精度,進行數(shù)據處理時便需要足夠多的地面像控點．地面像控點的測量工作會嚴重制約航測工作的效率與質量．

本文所使用大疆P4-RTK無人機采用的是實時差分RTK技術,使無人機可以實時獲取高精度POS數(shù)據． 并利用該數(shù)據進行POS輔助空中三角測量． 即指光束法區(qū)域網模型引入攝像機曝光時刻攝站點的三維坐標和姿態(tài)角組成的高精度POS數(shù)據,將其當作額外的非攝影觀測值,由此可將地面控制取代,然后運用整體平差的方法,利用一致的平差模型和算法,求出像片的外方位元素和加密點坐標的理論技術與方法[4]．

通過應用高精度實時差分RTK與無人機航攝相結合的技術,在無地面像控點的情況下,也可使用戶精度達到厘米級,有效地提高成果精度和整體質量[4]． 而在數(shù)據內業(yè)處理方面,其自動化程度很高,能直接輸出高精度、高清晰度的3D成果[5]．

而基于連續(xù)運行參考站(CORS)系統(tǒng)的網絡RTK技術主要是由基準站、數(shù)據中心等組成,且通常采用虛擬參考站技術,它的主要原理是:數(shù)據中心接收由各個基準站發(fā)來的數(shù)據信息,然后對接收到的信息進行調整,并建立相應的誤差改正模型[6]． 用戶會向數(shù)據中心發(fā)送大概坐標,隨后數(shù)據中心根據所接收到的近似坐標判斷出用戶處于由哪三個基準站所組成的三角形內,然后在用戶附近建立一個虛擬參考站,數(shù)據中心對該虛擬參考站的信息進行更改后將準確的信息傳送給用戶[6-7],用戶根據這些實時差分改正信息可獲得比較高的定位精度．

2 實驗與分析

為了驗證用于大比例尺成圖的精度,本文從不規(guī)則堆積體體積量算項目出發(fā),以焦作市解放區(qū)建筑材料加工廠測區(qū)為例,對大疆P4-RTK小型多旋翼高精度航測無人機所獲取的像片進行全自動空三加密． 隨后根據得到的檢查點誤差對數(shù)據成果進行精度分析,以驗證具有免像控航攝技術的無人機航測可以達到大比例尺成圖的精度要求,具體作業(yè)流程如圖1所示．

圖1 免像控無人機航測作業(yè)流程

2.1 實驗區(qū)工程概況

實驗區(qū)位于河南省焦作市解放區(qū)建設西路,實驗區(qū)面積約為0.56 km2,地形為平原地帶,區(qū)域周圍為居民地和部分工廠場地． 研究對象廢料堆積體為一家建筑材料加工廠內的建筑廢料堆積體,其形狀大致呈不規(guī)則近似臺狀體,底面長寬約為 250 m ×130 m,高約為33 m,如圖2所示．

圖2 原料堆積物

2.2 數(shù)據獲取

實驗使用大疆P4-RTK小型多旋翼高精度航測無人機,其云臺系統(tǒng)搭載有1英寸2000萬像素CMOS傳感器,智能紅外感知和視覺避障系統(tǒng),并配備TimeSync系統(tǒng)RTK模塊及高靈敏度全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(GNSS),使其具備厘米級導航定位精度和高性能成像系統(tǒng),具體無人機參數(shù)如表1所示．

為保證建模精度要求以及重疊區(qū)域有足夠的數(shù)據要求,設計飛行的航高約 200 m、旁向重疊度為 70%、航向重疊度為 80%、飛行架次為3次,共獲取 685張傾斜影像數(shù)據．

表1 無人機技術參數(shù)

2.3 內業(yè)數(shù)據處理

將使用免像控無人機航攝技術獲取的高精度影像數(shù)據導入Agisoft Photoscan,然后進行對齊照片、生成密集點云,隨后導出空三處理報告．

根據處理報告結果,需要重點檢查免像控無人機所攝取影像的重疊度是否滿足要求,以便馬上發(fā)現(xiàn)問題并采取二次飛行等措施進行及時處理． 本次飛行圖像重疊情況、攝像機位置和誤差估計如圖3～4所示,攝站點全球定位系統(tǒng)(GPS)平均中誤差如表2所示．

圖3 攝像頭位置和圖像重疊

圖4 攝站點GPS平均中誤差

表2 攝站點GPS平均中誤差 m

檢查完影像數(shù)據,且各方面符合要求后,繼續(xù)生成網格以及生成紋理一系列自動處理操作,自動高效地生成測區(qū)DOM、DEM、三維模型等測量成果如圖5～7所示．

圖5 正射影像圖(DOM)

圖6 數(shù)字高程模型(DEM)

圖7 三維模型

2.4 成果精度統(tǒng)計與分析

為了檢測生成的三維模型、DEM及DOM的精度． 經過空三加密后得到的X、Y、Z誤差如表3所示.

表3 檢查點誤差

利用中誤差計算公式評定模型平面位置精度:

(1)

(2)

(3)

由式(1)～(3)可得,檢查點平面坐標中誤差是0.047 m,其中最大誤差為0.062 m,同理高程坐標中誤差是±0.085 m,其中最大誤差是0.065 m． 平面坐標和高程坐標的最大誤差均小于10 cm．1∶500地形圖的成圖比例尺在平地地區(qū)平面和高程坐標的最大限差分別為0.5 m、0.4 m，可知檢查點的精度符合相應精度要求．

3 堆積體體積量算及精度分析

由于堆積體一側為接近垂直的斷面,人工無法量測該部分高程點,因此，將RTK所采高程坐標生成的大部堆積體的體積與三維模型量測的體積進行對比分析時,后者所選堆積體的范圍以前者為主,以避免造成誤差過大,無法比較的情況．

3.1 基于三維模型的體積量算

Smart 3D (ContextCapture)生成三維模型的處理流程為:新建項目后,將使用免像控無人機獲取的高精度影像數(shù)據導入一個空區(qū)塊 block-1中,隨后導入控制點坐標,進行刺點工作并設置檢查點．數(shù)據導入正確及控制點添加完成后,提交空中三角測量．空三開始后,CC會自動進行特征點提取、影像匹配及光束法區(qū)域網平差等步驟．空三解算完成后,若結果顯示影像數(shù)據完整,便可得到測區(qū)的點云數(shù)據,如圖8所示．

圖8 密集點云

然后新建重建項目,并對空間框架進行規(guī)則平面格網切塊．調整好瓦片大小后,提交生產項目,開始三維建模,建模成果如圖9所示．

圖9 三維模型

由于需要證明運用無人機免像控技術進行不規(guī)則堆體體積的量算也能滿足實際生產的要求， 因此加控制點的三維模型完成后,再在無控制點的基礎上生成新的三維模型．最后便可以分別在不同條件下生成的兩個三維模型上進行量算體積的工作．

測量方法即為采用繪制邊線與設置標高方式自行繪制地面草圖,推演指定位置的堆積體體積．

完成地面草圖繪制工作后,Smart 3D會自動生成堆積體的體積,并且左側屬性欄會顯示“切割”、“填充”、“采樣距離”的值． 因此,以RTK采樣區(qū)域為前提,繪制堆積體范圍的體積． 為了使量測的數(shù)據更為可靠,經多次量測,免像控點時,測得的部分堆積體平均體積為101 665.86 m3;有像控點所測得的堆積體體積為101 741.77 m3．

圖10 Smart 3D 體積量算圖

最后在Smart 3D和Photoscan所生成的三維模型上量測堆積體的完整體積如圖11～12所示,結果分別為441 941.72 m3和430 616.5 m3． 二者相差約11 325 m3,相對差值為2.5%．

圖11 Smart 3D量測體積圖

圖12 Photoscan量測范圍

3.2 基于GNSS-RTK所采高程點的體積量算

量算不規(guī)則堆積體體積的另外一種方法是使用GNSS-RTK采集堆積體表面足夠數(shù)量的三維坐標點,然后采用南方CASS中的DTM法計算不規(guī)則堆積體的體積．

DTM法計算堆積體體積的原理是根據GNSS-RTK測得的離散點三維坐標,利用南方CASS生成三角網和設置平場標高的方式計算每一個三棱柱體的體積,最后累加得到指定區(qū)域內的體積量．

本次實驗采用GNSS-RTK共獲取263個高程點,將高程點導入CASS中展開,然后刪除多余高程點,選擇其中123個高程點,在工具欄中點擊等高線,生成DTM，如圖13所示,然后使用DTM法計算土方量,以 98.27 m 高程所在平面為基準面計算得到的總體積為101 997.40 m3．

圖13 DTM法

3.3 體積量算精度分析

該實驗劃出原料堆積體四分之一區(qū)域進行體積量算,通過比較不同處理方法所得到的堆積體體積，如表4所示,進行精度分析．

在不加像控點的前提下以Smart 3D生成的三維模型為基礎量算堆積體體積為101 665.86 m3． 然后再根據加入像控點后生成的三維模型所量算的堆積體的體積為101 741.776 m3． 二者相對差值近似于0,可見基于免像控航攝技術的無人機通過內置實時差分的網絡RTK可以在無像控點的情況下,獲取高精度的影像數(shù)據,使其生成的成果達到企業(yè)相關精度要求．

由RTK所采的高程點,用DTM法計算得到的體積為101 997.40 m3． 可以看到通過三維模型而量算的體積與RTK所采點生成的結果相差約294 m3．相對差值為0.007%,符合工業(yè)測量精度要求．由此可見,當量測的堆積體體積較小,且高程點數(shù)量足夠的情況下,使用GNSS-RTK在精度上可以滿足實際生產的需求．但當企業(yè)的原料堆積物過大且地形特殊復雜以至于一些高程點無法獲取時,由全站儀或RTK獲得的高程點所生成的堆積物體積與根據免像控無人機航攝獲取的數(shù)據所生成的三維模型量算的堆積體體積相比,誤差會有所增加．雖然結果也是符合工業(yè)測量所要求的精度要求的,但相對于使用全站儀或RTK獲取高程點時所出現(xiàn)的作業(yè)強度較大、精度較低且部分點無法獲取等情況而言,具有高精度、高效率、智能化且操作簡便等優(yōu)點的免像控無人機航攝技術更適合用于企業(yè)大型原料堆積體的體積量算工作,且在精度上可以滿足企業(yè)實際生產的要求．

表4 不同方式體積量算結果

4 結 論

1)大疆精靈P4-RTK無人機由于應用 GNSS CORS RTK定位技術,因而在飛行前不僅不用設置地面基準站,而且規(guī)劃好測區(qū)范圍、航線、航高等參數(shù)開始航飛后,無人機在飛行的同時便可實時獲取高精度無人機定位信息,其定位速度更快速更精確．

2)大疆精靈P4-RTK無人機采用免像控航攝技術在飛行過程中所獲取的高精度飛行信息不僅可用于無人機自動導航與飛行姿態(tài)調整,而且可在航拍過程中獲取高精度POS數(shù)據,無需再布設地面點以提高數(shù)據精度．最后生成堆積體的密集點云,三維模型及相關成果,如DEM、DSM等,均滿足地圖測圖的平面、高程以及堆積體體積量測的精度要求．

3)對于原料堆積物而言,若其范圍過大且地形過于復雜,不利于進行三維坐標點數(shù)據采集時,不建議使用全站儀或RTK進行堆積物的體積量測,因為若坐標點數(shù)量不夠以至于無法覆蓋整個堆積體時,堆積體的完整體積不僅無法測出,且精度也沒有由無人機所獲取的數(shù)據量測的體積精度高．