魏廷亮

(甘肅大禹九洲空間信息科技有限公司，甘肅 蘭州 730000)

0 引言

土遺址是以土為主要建筑材料的具有歷史、文化和科學(xué)價(jià)值的古遺址[1]。在土遺址保護(hù)工程施工過(guò)程中，往往存在部分區(qū)域人員無(wú)法達(dá)到，導(dǎo)致傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器無(wú)法精確實(shí)測(cè)等困難。近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量的硬件及軟件得到了快速發(fā)展，同時(shí)也涌現(xiàn)出了一大批后期數(shù)據(jù)處理軟件，為無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)在各行各業(yè)中的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本文通過(guò)采用無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量技術(shù)，分析大疆經(jīng)緯M300 RTK在鄭州市某遺址公園保護(hù)工程中應(yīng)用的可行性及其測(cè)量精度，以期為后期大面積土遺址保護(hù)工程的順利實(shí)施奠定一定的實(shí)踐基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 項(xiàng)目概況

鄭州有著燦爛古老的歷史文化背景，但是近些年經(jīng)濟(jì)和工程建設(shè)的快速發(fā)展加劇了對(duì)市內(nèi)土遺址的損壞。為保護(hù)鄭州市區(qū)的土遺址，2018年6月至2019年6月，鄭州市開(kāi)展了土遺址保護(hù)勘測(cè)工作。項(xiàng)目區(qū)位于鄭州市某遺址公園，地形起伏較小，海拔在124～135 m之間，植被覆蓋度約20%～30%，以天然野草為主。區(qū)域測(cè)量面積約17.3萬(wàn)m2，東西長(zhǎng)320 m，南北寬約540 m，測(cè)區(qū)呈帶狀分布。項(xiàng)目區(qū)內(nèi)土工建筑損壞嚴(yán)重，大多已不能辨認(rèn)原始形態(tài)，部分區(qū)域高差較大，人員無(wú)法達(dá)到，人工實(shí)測(cè)難度較大。

1.2 無(wú)人機(jī)主要參數(shù)

本項(xiàng)目使用無(wú)人機(jī)為大疆經(jīng)緯M300 RTK無(wú)人機(jī)。該無(wú)人機(jī)具有續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、影像清晰度高、定位更加精準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)。大疆經(jīng)緯M300 RTK最大續(xù)航實(shí)踐為55 min，有效載荷達(dá)到2.7 kg，同時(shí)具有六向傳感器，用于識(shí)別和避開(kāi)障礙物，最大圖傳距離可達(dá)到15 km，時(shí)速可達(dá)到82 km/h。大疆經(jīng)緯M300 RTK的基本參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 無(wú)人機(jī)的基本參數(shù)

1.3 航測(cè)方案

本次航測(cè)作業(yè)流程主要包括現(xiàn)場(chǎng)踏勘、像控點(diǎn)布設(shè)、航線(xiàn)規(guī)劃及外業(yè)測(cè)量、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、編寫(xiě)技術(shù)報(bào)告等，具體如下：

1)現(xiàn)場(chǎng)踏勘。無(wú)人機(jī)航測(cè)作業(yè)前需要提前進(jìn)場(chǎng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘，主要是對(duì)測(cè)區(qū)邊界、測(cè)區(qū)高差、地表植被覆蓋程度、天氣狀況、空氣質(zhì)量狀況等進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)查勘，同時(shí)踏勘過(guò)程中可以初步確定像控點(diǎn)布設(shè)方案、航測(cè)方案等，為后續(xù)工作做好基礎(chǔ)準(zhǔn)備。本項(xiàng)目航測(cè)區(qū)域位于城市中心地帶，交通便利，目標(biāo)兩側(cè)有兩條主干道公路；無(wú)高層建筑，航測(cè)視野良好。

2)像控點(diǎn)布設(shè)。經(jīng)過(guò)前期現(xiàn)場(chǎng)踏勘結(jié)果，根據(jù)擬定的像控點(diǎn)布設(shè)方案，利用RTK等測(cè)量?jī)x器在現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)像控點(diǎn)，可依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形、地物適當(dāng)調(diào)整間距、位置。像控點(diǎn)布設(shè)方案主要遵循以下原則[2]：一是地面像控點(diǎn)盡量選擇空曠地區(qū)，周邊遮擋物較少或無(wú)遮擋物地區(qū)；二是依據(jù)測(cè)圖比例尺、測(cè)區(qū)范圍，合理確定像控點(diǎn)分布密度、間距，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)測(cè)區(qū)邊界影像圖的精度控制，對(duì)地形起伏較大、色調(diào)單一地區(qū)可適當(dāng)增加像控點(diǎn)數(shù)量以提高航測(cè)精度。

依據(jù)本項(xiàng)目測(cè)區(qū)地形及設(shè)計(jì)要求，在目標(biāo)區(qū)域附件共選取了12個(gè)像控點(diǎn)(見(jiàn)圖1)，像控點(diǎn)均勻分布，無(wú)物體遮擋，航攝視線(xiàn)良好，像控點(diǎn)布設(shè)采用白色膩?zhàn)臃墼谟不孛孀鍪謽?biāo)記，線(xiàn)寬統(tǒng)一設(shè)為10 cm，然后利用RTK對(duì)每個(gè)像控點(diǎn)的三維坐標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。像控點(diǎn)的坐標(biāo)系選擇2000國(guó)家大地坐標(biāo)系，參考投影為高斯三度帶投影，中央子午線(xiàn)為114°，高程基準(zhǔn)為1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。

圖1 地面像控點(diǎn)位置分布圖

3)航線(xiàn)規(guī)劃及外業(yè)測(cè)量。依據(jù)低空數(shù)字航空攝影測(cè)量相關(guān)規(guī)范要求[3-4]，本項(xiàng)目共設(shè)計(jì)1個(gè)架次，飛行時(shí)間共28 min，共拍攝照片1 040幅，各項(xiàng)飛行參數(shù)見(jiàn)表2。到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后對(duì)天氣狀況、空氣透明度、風(fēng)力等判斷是否適合執(zhí)行航測(cè)任務(wù)，各項(xiàng)條件均滿(mǎn)足后依據(jù)地勢(shì)高差、起飛點(diǎn)相對(duì)測(cè)區(qū)位置等重新調(diào)整航線(xiàn)任務(wù)，然后依據(jù)天氣狀況檢查相機(jī)各項(xiàng)參數(shù)，待各項(xiàng)核對(duì)無(wú)誤后執(zhí)行飛行任務(wù)。

表2 飛行參數(shù)

4)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。外業(yè)任務(wù)結(jié)束后使用Pix4Dmapper軟件處理無(wú)人機(jī)航拍影像，處理步驟包括像控點(diǎn)刺點(diǎn)、空三計(jì)算、三維模型構(gòu)建、數(shù)字產(chǎn)品生產(chǎn)等，具體操作流程見(jiàn)文獻(xiàn)[5]。

2 結(jié)果與分析

2.1 影像數(shù)據(jù)處理結(jié)果

將無(wú)人機(jī)航測(cè)獲得的影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入Pix4Dmapper中，生成三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)、數(shù)字表面模型以及數(shù)字正射影像圖。圖2(a)為影像重疊度分布圖像，從圖中可以看出測(cè)區(qū)范圍內(nèi)大部分區(qū)域重疊度均為五張以上照片，為高精度的三維數(shù)字成果奠定了基礎(chǔ)；圖2(b)為數(shù)字表面模型圖，圖中高程最高目標(biāo)為高架公路，土遺址位于高架公路左側(cè)，地形起伏明顯。圖3為點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成的三維數(shù)字模型。從中可以看出，模型細(xì)節(jié)豐富，立體效果顯著。

圖2 影像重疊度分布和數(shù)字表面模型圖

圖3 三維數(shù)字模型

2.2 像控點(diǎn)及檢查點(diǎn)精度分析

為檢查本次航測(cè)任務(wù)的精度，本文通過(guò)利用網(wǎng)絡(luò)RTK采集地面特征點(diǎn)三維坐標(biāo)信息，共選取水泥路拐角、房角、電線(xiàn)桿等22個(gè)檢查點(diǎn)，檢查點(diǎn)選取時(shí)均勻分布于整個(gè)測(cè)區(qū)內(nèi)部，以全面反映測(cè)區(qū)范圍內(nèi)各地塊的精度。為全面分析本次航測(cè)任務(wù)的精度，本文選取平均誤差(Mmean)和中誤差(M)兩個(gè)指標(biāo)來(lái)驗(yàn)證無(wú)人機(jī)航測(cè)各檢查點(diǎn)點(diǎn)位的精度，計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

式中：n代表像控點(diǎn)數(shù)量；Pi代表該特征點(diǎn)的攝影測(cè)量計(jì)算值；Qi代表該特征點(diǎn)的地面網(wǎng)絡(luò)RTK實(shí)測(cè)值。

計(jì)算結(jié)果如表3所示，從中可以看出：像控點(diǎn)航測(cè)精度較高，平面坐標(biāo)及高程的平均誤差及中誤差均達(dá)到了4 cm以?xún)?nèi)，其中X方向的精度最高，平均誤差及中誤差均達(dá)到了2 cm以?xún)?nèi)，說(shuō)明像控點(diǎn)對(duì)三維模型的幾何糾正效果達(dá)到了較高的精度，且三維模型中像控點(diǎn)附近的點(diǎn)位幾何精度最高；檢查點(diǎn)平面坐標(biāo)及高程的平均誤差、中誤差精度普遍位于3～7 cm，其中X方向誤差最大，平均誤差達(dá)到5.76 cm，中誤差達(dá)到6.27 cm，說(shuō)明檢查點(diǎn)平面精度也達(dá)到了較高的精度，可以滿(mǎn)足1∶500大比例尺地形圖測(cè)繪的精度。

表3 測(cè)量點(diǎn)位精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.3 施工土方量計(jì)算精度分析

土遺址保護(hù)工程施工過(guò)程中不可避免會(huì)涉及到土方量施工，為工程量的核算提供較為準(zhǔn)確的測(cè)量依據(jù)，而傳統(tǒng)的土方量計(jì)算主要采用RTK、全站儀、水準(zhǔn)儀等測(cè)量?jī)x器進(jìn)行實(shí)測(cè)，通過(guò)加密特征點(diǎn)的數(shù)量來(lái)提高土方量計(jì)算精度，測(cè)量及內(nèi)業(yè)計(jì)算過(guò)程復(fù)雜，且對(duì)于一些人員無(wú)法達(dá)到或者無(wú)法架設(shè)儀器的區(qū)域難以精確測(cè)量，甚至只能通過(guò)粗略估算其土方量。然而無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量這一作業(yè)手段則順利解決了這一難題，通過(guò)數(shù)字測(cè)繪成果中的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以提取所有無(wú)人機(jī)可以觀測(cè)到區(qū)域的三維點(diǎn)位坐標(biāo)，且用于計(jì)算土方量的點(diǎn)位密度可達(dá)到間隔1～2 cm一個(gè)點(diǎn)，因此，理論上可以大大提高土方量計(jì)算精度。本文通過(guò)利用網(wǎng)絡(luò)RTK現(xiàn)場(chǎng)全面實(shí)測(cè)點(diǎn)位坐標(biāo)，分施工前、施工后分別施測(cè)，通過(guò)與無(wú)人機(jī)實(shí)測(cè)的土方量計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 不同作業(yè)方法土方量計(jì)算結(jié)果對(duì)比

從表4可以看出，利用無(wú)人機(jī)航測(cè)作業(yè)方法計(jì)算得到的土方量與利用RTK實(shí)測(cè)得到的土方量誤差較小，為1.53 m3，相對(duì)誤差為0.12%，說(shuō)明無(wú)人機(jī)航測(cè)的精度較高，可達(dá)到傳統(tǒng)作業(yè)手段的測(cè)量精度。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文分別從無(wú)人機(jī)航測(cè)作業(yè)流程、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理、精度分析等角度分析大疆M300 RTK在土遺址保護(hù)工程中的應(yīng)用可行性及其精度，得到如下結(jié)論：

1)在一定像控點(diǎn)密度的情況下，利用無(wú)人機(jī)航測(cè)可以達(dá)到較高的精度，其平面坐標(biāo)及其高程均可達(dá)到1∶500大比例尺地形圖的測(cè)量精度。

2)無(wú)人機(jī)航測(cè)計(jì)算的土方量與傳統(tǒng)測(cè)量手段計(jì)算的土方量相比，誤差僅為1.53 m3，相對(duì)誤差為0.12%，說(shuō)明利用無(wú)人機(jī)航測(cè)計(jì)算土方量的精度較高。

3)無(wú)人機(jī)航測(cè)作業(yè)手段為土遺址保護(hù)工程提供了一種更為快捷的測(cè)量方法，與傳統(tǒng)作業(yè)手段相比，大大提高了作業(yè)效率。