無人機傾斜攝影測量應(yīng)用于土石方量計算技術(shù)路線研究

李名哲

摘? 要：傳統(tǒng)的全站儀或RTK技術(shù)進行土石方的填挖計算，需要耗費大量的人力和物力，而且效率比較低，成本相對比較高。本文研究利用消費級無人機快速進行土石方計算，通過低空無人機獲取影像，利用少量像控點，依據(jù)計算機視覺原理生成了地形稠密三維點云，實現(xiàn)了露天地形三維數(shù)字模型制作。研究區(qū)域選擇了某塊有起伏的地形進行試驗，利用RTK采集地形高程點進行精度對比。試驗的結(jié)果表明，利用無人機構(gòu)建的露天地形三維數(shù)字模型計算的挖填石土方量誤差在3%以內(nèi)，完全滿足工程中土石方量計算標準，該技術(shù)方法具有很高的實用價值。

關(guān)鍵詞：全站儀? 無人機? 三維點云? 三維數(shù)字模型? 精度對比

中圖分類號：P231? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）09（b）-0043-03

Abstract： The traditional total station or RTK technology for earth rock filling and excavation calculation needs a lot of manpower and material resources， and the efficiency is relatively low， the cost is relatively high. In this paper， the consumption UAV is used to calculate the earthwork quickly. The low altitude UAV is used to obtain the image， and a small number of image control points are used to generate a dense 3D point cloud based on the principle of computer vision. The 3d digital model of open terrain is realized. In the study area， a certain undulating terrain is selected for test， and RTK is used to collect terrain elevation points for precision comparison. The test results show that the error of earthwork volume calculated by the 3D digital model of open terrain built by UAV is less than 3%， which fully meets the calculation standard of earthwork volume in the project. This technology method has high practical value.

Key Words： Total station; UAV; 3D point cloud; 3D digital model;Precision comparison

1? 引言

近幾年，伴隨著國家經(jīng)濟發(fā)展與一帶一路戰(zhàn)略，各種類型的設(shè)施建設(shè)項目越來越多。挖填土石方量計算是各中工程項目建設(shè)必須環(huán)節(jié)之一。怎樣使得工程項目的進度安排的經(jīng)濟合理，如何比較準確快速的對工程量大小與費用進行計算，其中就需要有高效率和準確的土石方量計算方法。因此選擇合適的地形數(shù)據(jù)采集與土石方量計算方法十分重要。

利用無人機機動靈活和快速高效的特點，可大大提高數(shù)據(jù)獲取效率和減小對攝影環(huán)境的依賴，利用無人機技術(shù)可以快速、準確地獲取高分辨率的影像。無人機的應(yīng)用已在工程的各個環(huán)節(jié)中起到越來越重要作用。使用無人機技術(shù)來進行挖填土石方量測量在國內(nèi)外的眾多學者也已開始試驗。由于該方法不需要接觸被測目標并且不受場地障礙的影響，大大降低了野外人工現(xiàn)場采集作業(yè)人力成本，可以快速獲取測區(qū)的地形模型，降低了土石方量計算管理成本，為測量人員提供了安全保障。

2? 基本原理

無人機3D建模技術(shù)是基于計算機視覺原理的3D建模技術(shù)。常規(guī)步驟如下：步驟1自動為給定圖像檢測可靠且足夠密集的連接點，并使用該連接點自動重定向大量圖像;步驟2根據(jù)重定向結(jié)果重建投影，并校準相機位置作為信息;第3步通過CMVS（cluster multi-view stereo），PMVS（patch-based multi-view stereo）和其他算法進行密集匹配;步驟4從點云通過建立三角形網(wǎng)格模型來獲取目標3D模型。首先，通過使用POS系統(tǒng)或GNSS差分系統(tǒng)進行精確定位，為每個圖像提供POS信息，并結(jié)合一系列步驟，例如基于圖像的自動三重加密，密集圖像匹配，映射進行紋理處理并最終生成模型，完成了整個3D重建過程。它適用于自動空三加密中的圖像連接點匹配，圖像匹配粗差檢測和圖像區(qū)域網(wǎng)平差三個步驟。相關(guān)技術(shù)將在下面介紹。

2.1 影像連接點匹配

目前，在影像連接點匹配中較為常用的SIFT特征點匹配算法。SIFT特征匹配算法與影像之間的大小和影像之間是否進行旋轉(zhuǎn)無關(guān)，它是通過物體上的一些局部外觀的興趣點來進行匹配的。它對光線、噪聲、微視角改變具有相當高的容忍度。通過這些特性，它們顯著度高而且擷取也相對容易，在樣本龐大特征數(shù)據(jù)庫中，比較容易辨識物體并且誤認率較低。對于影像中的對象有部分被遮蔽的使用SIFT特征描述監(jiān)測率也較高，有時只需要有3個以上的SIFT物體特征就可以計算出位置和方位。

SIFT特征點匹配：（1）構(gòu)建尺度空間：高斯卷積和圖像金字塔;（2）檢測尺度空間的極值點，在DOG尺度空間本層以及上下兩層26個領(lǐng)域中是最大和最小值，然后剔除對比度低的關(guān)鍵點以及不穩(wěn)定點的邊緣響應(yīng)點;（3）計算關(guān)鍵點主方向;（4）生成128維的關(guān)鍵點描述子;（5）SIFT匹配：通過計算待匹配的兩特征點間的歐氏距離作為匹配測度。

2.2 傾斜影像匹配粗差檢測

（1）采用RANCSAC（隨機采樣點一致性）的方法，基于5點法相對定向模型（共面條件）進行粗差檢測;（2）基于雙模型的粗差點檢測：對于雙模型間的三度重疊點，采用空間前方交會計算點殘差，剔除殘差大的粗糙點;（3）基于雙模型的相對定向可靠性檢測：不斷選擇相互間具有足夠連接的三張影像，依次在影像間兩兩進行相對定向，計算相對定向線元素和旋轉(zhuǎn)矩陣。如果相對定向正確，三個線元素向量應(yīng)共面，三個旋轉(zhuǎn)矩陣相乘為單位陣。

2.3 傾斜影像拼接

對于虛擬影像上的像素，綜合考慮以下條件，選擇在那張傾斜影像上獲取其灰度值：（1）該像素對應(yīng)地面點到候選點傾斜影像的距離;（2）地面點到虛擬影像透視中心的光線與地面點到候選影像透視中心的光線間夾角。

減小高出地面豎直物體的重影效應(yīng)的方法：（1）在平坦地區(qū)進行拼接;（2）采用待拼接的兩影像在接縫處密集匹配生成DSM;（3）在傾斜影像和對應(yīng)的下視影像間匹配直線特征，識別豎直物體，而對其位置進行改正。

3? 實施技術(shù)路線

土方量的計算是要查找地形表面的體積差異，主要是當前地形和給定高程之間的差異。因此，空中無人機勘測挖掘的土石方量的計算主要是利用無人機獲取圖像。為研究區(qū)域構(gòu)建數(shù)字高程模型（DEM）和數(shù)字正射影像（DOM），設(shè)計高程并導入ARCGIS，然后使用軟件中的DEM和DOM選擇區(qū)域和DEM模型，進行計算，并對DEM數(shù)據(jù)和研究區(qū)域設(shè)計標高進行統(tǒng)計分析，以計算土石方開挖過程中的開挖和填土量。技術(shù)路線的流程如圖1所示。

3.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

（1）設(shè)計航帶。首先對測區(qū)進行實地踏勘，根據(jù)情況選擇有起伏的地形的工地進行試驗，按照《低空數(shù)字航空攝影測量外業(yè)規(guī)范》（CH/Z3004—2010）中規(guī)范要求，對該項目進行外業(yè)航帶的設(shè)計。根據(jù)要求，該項目確定航飛高度為50m，航向重疊度和旁向重疊度分別為75%和45%。

（2）像控點布設(shè)。根據(jù)規(guī)范要求，本項目在測區(qū)四周以及中間均勻布設(shè)了6個平高控制點，并保證控制點至少能在三張影像上同時找到。

（3）航測參數(shù)設(shè)定。根據(jù)航飛現(xiàn)場情況，確定各項飛行參數(shù)，完成航測數(shù)據(jù)采集工作。

3.2 航測數(shù)據(jù)處理

對采集完成的航測數(shù)據(jù)采用smart3D軟件進行數(shù)據(jù)處理，流程如圖2所示。

3.3 土石方量計算與分析

（1）將生成DEM 數(shù)據(jù)導入Arcgis軟件中，使用3D分析工具DEM數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)選定一定標高作為挖填基準面。進行挖方與填方的計算，分別計算出設(shè)計標高情況下的挖填方量。

（2）使用RTK對研究區(qū)域內(nèi)的地形特征點進行采集，得到研究區(qū)域的地形特征點的高程值，并將其數(shù)據(jù)采集結(jié)果導入Cass7.0里使用方格網(wǎng)法和三角網(wǎng)法以設(shè)定的標高作為挖填基準面，計算挖填方量。

（3）分別將傳統(tǒng)方法和無人機生成DEM方法進行挖填石土方量計算結(jié)果進行比較，傳統(tǒng)GNSS測量特征點使用方格網(wǎng)法和三角網(wǎng)法計算得到土石方量結(jié)果與無人機航測計算結(jié)果進行比較，測區(qū)面積27 425.0m2，兩種方案的挖方量相差結(jié)果為168.37m3，占總挖方量的3%，填方量相差結(jié)果為1 078.36m3，占總填方量的1.3%。

4? 結(jié)語

通過采用無人機航測技術(shù)來進行挖填土石方量計算并對其結(jié)果進行比較表明，通過使用無人機航測技術(shù)使得工程中的土石方量計算擁有了一些的優(yōu)勢。

（1）與傳統(tǒng)GNSS或RTK采集特征點進行土石方測量方法相比，無人機航測技術(shù)體現(xiàn)出靈活、機動，不需要接觸被測目標并且不受場地障礙的影響，無論是平緩還是陡峭地形均都可以進行。

（2）數(shù)據(jù)的采集更加迅速，該測區(qū)面積27 425.0m2，使用傳統(tǒng)RTK特征點方法數(shù)據(jù)采集花費時間為4h左右（時間長短因地形情況會有所變化），而無人機航測技術(shù)構(gòu)建DEM方法僅需4min完成外業(yè)數(shù)據(jù)采集，所以當測量面積較大或地形復雜時其優(yōu)勢更加明顯，此方法減少了外業(yè)人員投入，減輕了外業(yè)的工作量，大大節(jié)約了生產(chǎn)的成本。

（3）由于使用無人機采集數(shù)據(jù)，在獲得DEM數(shù)據(jù)同時，此方法還獲取了影像數(shù)據(jù)，對于準確劃定土石方量的計算范圍起到輔助作用，最終計算出更準確的結(jié)果。

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