韓 磊，任宇征

（江蘇省地質(zhì)勘查技術(shù)院，江蘇南京210049）

0 引言

某地部分礦區(qū)和堆石場(chǎng)需要進(jìn)行整治測(cè)量服務(wù)，以有效控制生態(tài)環(huán)境，維護(hù)城市山水自然環(huán)境的平衡，并為后續(xù)整治規(guī)劃提供詳細(xì)的測(cè)繪基礎(chǔ)資料。整治測(cè)量范圍共涉及50多個(gè)宕口和堆場(chǎng)，面積約5 km2，地處丘陵地帶，交通不便。由于工期緊張、測(cè)量精度要求高，為提高工作效率，項(xiàng)目投入了航空攝影測(cè)量平臺(tái)、無人船探測(cè)平臺(tái)、三維掃描平臺(tái)，并配備三維自動(dòng)建模系統(tǒng)軟件、三維測(cè)圖系統(tǒng)軟件和GIS計(jì)算分析軟件等［1-2］。

1 技術(shù)流程

在控制測(cè)量工作完成后，采用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)配合三維激光掃描技術(shù)采集空間數(shù)據(jù)，采用無人船測(cè)深技術(shù)采集宕口積水區(qū)域數(shù)據(jù)［3］。利用三維建模系統(tǒng)平臺(tái)之實(shí)景建模技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)生產(chǎn)，分析處理傾斜攝影數(shù)據(jù)，融合三維激光掃描、無人船測(cè)深數(shù)據(jù)生成三維模型，并建立DEM模型。利用三維測(cè)圖軟件系統(tǒng)采集制作1∶500數(shù)字地形圖，利用GIS軟件進(jìn)行土石方量分析計(jì)算［4-5］。

2 控制測(cè)量

為滿足整治測(cè)量服務(wù)項(xiàng)目控制需要，在項(xiàng)目開展前對(duì)整個(gè)測(cè)區(qū)進(jìn)行了踏勘，利用測(cè)區(qū)內(nèi)及周邊6個(gè)保存完好的D級(jí)GNSS控制點(diǎn)計(jì)算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換七參數(shù)，并進(jìn)行了點(diǎn)位精度校核。圖根控制測(cè)量使用所求的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換七參數(shù)，采用網(wǎng)絡(luò)RTK差分模式進(jìn)行點(diǎn)位測(cè)設(shè)。

3 無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量

3.1 像控點(diǎn)布設(shè)及測(cè)量

3.1.1 像控點(diǎn)布設(shè)

礦區(qū)范圍內(nèi)沒有足夠的明顯特征點(diǎn)，像控點(diǎn)全部在傾斜攝影前現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)。確保所布點(diǎn)位有效控制成圖范圍，攝區(qū)接邊處無漏洞，充分滿足像控條件。為了GNSS作業(yè)時(shí)便于安置接收機(jī)和操作，點(diǎn)位布設(shè)在易于到達(dá)、視野開闊，遠(yuǎn)離大功率無線電發(fā)射源和高壓輸電線等區(qū)域。像控點(diǎn)制作用石灰在地面噴畫“L”型直角標(biāo)志并統(tǒng)一編號(hào)，大小在1 m左右，點(diǎn)位平均間距為200～300 m。小型堆場(chǎng)周圍布設(shè)3～4個(gè)像控點(diǎn)。

3.1.2 像控點(diǎn)測(cè)量

像控點(diǎn)聯(lián)測(cè)采用網(wǎng)絡(luò)RTK差分模式，在測(cè)量前后均要對(duì)已知點(diǎn)進(jìn)行校核，測(cè)量中流動(dòng)站的測(cè)量范圍在校正點(diǎn)控制范圍內(nèi)。像控點(diǎn)單測(cè)回測(cè)量成果采用平滑量測(cè)10個(gè)歷元后平差結(jié)果，每個(gè)點(diǎn)位觀測(cè)是2個(gè)測(cè)回，取中數(shù)作為最后成果。

3.2 傾斜攝影準(zhǔn)備

為保證測(cè)圖及模型的精度，影像地面分辨率應(yīng)小于0.05 m。

3.2.1 前期準(zhǔn)備

勘查測(cè)區(qū)，對(duì)傾斜攝影航飛進(jìn)行分區(qū)和航線設(shè)計(jì)。確定測(cè)量范圍線，在谷歌地球軟件平臺(tái)上進(jìn)行測(cè)區(qū)范圍設(shè)定，生成KML文件。依據(jù)航測(cè)范圍在無人機(jī)飛控軟件中設(shè)定飛行航線，航向及旁向重疊度均為80%。相對(duì)航高分別為：固定翼200～210 m，多旋翼110～120 m。

3.2.2 航測(cè)執(zhí)行

攝影時(shí)間根據(jù)地形條件、氣象條件和本地特點(diǎn)選擇在上午10:00至下午4:00間進(jìn)行。像片傾角不大于5°，最大不超過12°，超過8°的片數(shù)不多于總數(shù)的10%，確保沒有航攝漏洞。像片旋角一般不大于15°，最大不超過30°，超過15°旋角的像片數(shù)不多于分區(qū)像片總數(shù)的10%。

根據(jù)項(xiàng)目要求和宕口、堆場(chǎng)的面積大小及分布情況，選用相應(yīng)的機(jī)型進(jìn)行航測(cè)。面積較小、分散的堆場(chǎng)及宕口選用多旋翼無人機(jī)搭載五鏡頭傾斜攝影相機(jī)進(jìn)行航測(cè)工作；面積較大、相對(duì)較集中的堆場(chǎng)及宕口選用垂直起降固定翼無人機(jī)搭載五鏡頭傾斜攝影相機(jī)進(jìn)行航測(cè)工作，確保影像清晰、反差適中、有較豐富的層次、能辨別與攝影比例尺相適應(yīng)的細(xì)小地物影像，滿足外業(yè)全要素精確調(diào)繪和室內(nèi)判讀的要求。

3.3 無人機(jī)傾斜攝影

通過無人機(jī)搭載多相機(jī)，同時(shí)從垂直、傾斜等不同角度采集影像，獲取地面物體完整準(zhǔn)確的信息［6-7］。垂直地面角度拍攝一組影像，傾斜地面角度拍攝4組影像。如圖1—2所示。

圖1 傾斜攝影相機(jī)

圖2 傾斜攝影工作示意

4 三維激光掃描與水下地形測(cè)量

現(xiàn)狀模型制作利用傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)，針對(duì)模型中的異常區(qū)域以及水下高程缺失的情況，采取了三維激光掃描和無人船作為補(bǔ)充數(shù)據(jù)采集。

4.1 三維激光掃描

測(cè)區(qū)中部分宕口有樹木、突出地貌遮擋，為防止傾斜攝影測(cè)量方法存在高程異?，F(xiàn)象，采用了三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)掃描，對(duì)傾斜攝影數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充。生產(chǎn)出的數(shù)據(jù)與傾斜攝影數(shù)據(jù)充分融合，達(dá)到點(diǎn)云數(shù)據(jù)全覆蓋。在野外三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集工作后，進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理，拼接構(gòu)建成為完整的點(diǎn)云模型，如圖3所示。

圖3 三維激光掃描點(diǎn)云模型

4.2 無人船水下地形測(cè)量

對(duì)于部分宕口有積水的情況，用無人船進(jìn)行水下高程測(cè)量，即網(wǎng)絡(luò)RTK與測(cè)深儀同步實(shí)施的作業(yè)方法，在測(cè)定點(diǎn)位位置的三維空間坐標(biāo)的同時(shí)通過測(cè)量水深來測(cè)定水底高程。

由于宕口中的水塘面積普遍不大且水深值不一致，不適宜按照預(yù)定設(shè)計(jì)航線施測(cè)，所以本次測(cè)量通過手動(dòng)遙控施測(cè)。人為調(diào)控?zé)o人船航行，每隔1 m自動(dòng)記錄一次數(shù)據(jù)，在觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)水深突變時(shí)進(jìn)行了人工調(diào)控和加密記錄數(shù)據(jù)，保證所測(cè)水下地形的真實(shí)性。野外工作情況如圖4所示。

圖4 無人船水下地形測(cè)量

5 三維模型構(gòu)建

利用三維自動(dòng)建模系統(tǒng)軟件進(jìn)行建模，以一組對(duì)靜態(tài)建模主體從不同的角度拍攝的數(shù)碼照片作為輸入數(shù)據(jù)源，加入傾斜攝影數(shù)據(jù)，通過軟件自動(dòng)計(jì)算匹配。輸出三維格網(wǎng)模型準(zhǔn)確，精細(xì)地復(fù)原出建模主體的真實(shí)色澤、幾何形態(tài)及細(xì)節(jié)構(gòu)成，如圖5所示。

圖5 自動(dòng)建模系統(tǒng)軟件界面

根據(jù)攝影數(shù)據(jù)與像控點(diǎn)成果資料，將獲取到符合建模要求重疊度的航空影像進(jìn)行預(yù)處理，導(dǎo)入軟件系統(tǒng)，均勻挑選出一定數(shù)量的野外控制點(diǎn)，通過軟件自動(dòng)匹配運(yùn)算，進(jìn)行三維模型生產(chǎn)。影像提取的中間數(shù)據(jù)點(diǎn)云效果如圖6所示，點(diǎn)云構(gòu)建TIN模型如圖7所示，經(jīng)紋理映射構(gòu)建真實(shí)三維模型如圖8所示。

圖6 影像提取點(diǎn)云效果

圖7 點(diǎn)云構(gòu)建TIN模型效果

根據(jù)傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)模型，疊加融合三維激光掃描數(shù)據(jù)模型和無人船測(cè)量數(shù)據(jù)，構(gòu)建最終模型。

圖8 紋理映射三維模型效果

6 地形圖測(cè)制

利用三維測(cè)圖系統(tǒng)平臺(tái)，根據(jù)傾斜攝影生成的實(shí)景三維模型及傾斜相片等源數(shù)據(jù)按照1∶500全要素地形圖要求進(jìn)行立體測(cè)圖。軟件平臺(tái)測(cè)圖界面如圖9所示。

圖9 三維測(cè)圖平臺(tái)界面

內(nèi)業(yè)DLG線劃圖測(cè)圖完成后，回放成調(diào)繪底圖，供外業(yè)調(diào)繪與修補(bǔ)測(cè)工作。外業(yè)調(diào)繪時(shí)注意地物結(jié)構(gòu)的合理性和完整性，并做到了及時(shí)進(jìn)行自查互校。內(nèi)業(yè)測(cè)圖看不清、看不準(zhǔn)、遺漏的地物均由外業(yè)補(bǔ)測(cè)，并專門安排外業(yè)人員采用全站儀實(shí)測(cè)高程點(diǎn)用于對(duì)成圖高程進(jìn)行校核檢查。地形圖內(nèi)業(yè)編輯按照外業(yè)測(cè)繪的內(nèi)容，用人工干預(yù)的方式逐個(gè)對(duì)原采集初編的矢量數(shù)據(jù)圖上表示的內(nèi)容做編輯修改，以統(tǒng)一的線型庫、符號(hào)庫、字庫和要素代碼分層標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行編輯整飾［8-9］。

7 土石方量計(jì)算

利用整治規(guī)劃要求成果數(shù)據(jù)制作三維模型，在GIS軟件平臺(tái)中和現(xiàn)狀模型進(jìn)行疊加，通過3D分析工具中的柵格數(shù)據(jù)表面分析功能計(jì)算填挖方量，生成結(jié)果如圖10所示。深色區(qū)域和淺色區(qū)域分別表示填方部分和挖方部分，字段SUM_result標(biāo)識(shí)填挖的土方數(shù)量，小于0表示挖方量，大于0表示填方量，單位是立方米。

圖10 土石方量計(jì)算成果

8 結(jié)語

在精度控制方面，筆者對(duì)作業(yè)流程的各個(gè)環(huán)節(jié)做好過程控制，嚴(yán)格執(zhí)行ISO 9001：2008質(zhì)量管理體系標(biāo)準(zhǔn)和“兩檢一驗(yàn)”制度，確保成果質(zhì)量。土石方量計(jì)算是重點(diǎn)工作，本項(xiàng)目的高程數(shù)據(jù)豐富、分布均勻，經(jīng)數(shù)據(jù)間疊加比對(duì)，精度滿足要求，為類似項(xiàng)目工作積累了經(jīng)驗(yàn)。