基于無人機傾斜攝影測量的土石方量計算

程圓娥，呂志慧，袁春琦，張 凱，時 斐，赫春曉

（1.江蘇省測繪研究所，江蘇 南京 210013；2.北方信息控制研究院集團有限公司，江蘇 南京 211153）

土石方工程作為工程建設項目中的基礎工程之一，在工程建設中具有極其重要的作用。土石方工程量算作為公路、隧道、橋梁等工程建設過程中控制工程投資、工程預算、施工安排的一個重要環(huán)節(jié)，對工程進度和工程預算具有直接的影響。要想客觀公正地進行土方工程的費用預算，以達到對成本和工期的有效控制，必須進行快速準確的土石方工程量算。傳統(tǒng)的土石方量算主要是采用全站儀或GPS-RTK等測量儀器，獲取地面點數(shù)據(jù)進行量測，不僅工作量大，而且費時費力，特別是對于地形復雜的地區(qū)，外業(yè)數(shù)據(jù)的量測過程將會更加困難，因此選擇高效的外業(yè)數(shù)據(jù)采集方式十分重要[1]。

近年來，隨著無人機技術和計算機處理技術的快速發(fā)展，傾斜攝影行業(yè)迎來了一個新的浪潮，利用無人機進行測繪數(shù)據(jù)采集成為熱門趨勢。與傳統(tǒng)測量方法采集單點數(shù)據(jù)不同，無人機傾斜攝影測量技術可以大面積獲取目標表面數(shù)據(jù)，具有數(shù)據(jù)獲取效率高、采集范圍廣、數(shù)據(jù)源準確性高、安全性高以及自動化程度高等優(yōu)勢，已廣泛應用于地形圖測繪、實景三維建模等領域[2]。

目前，國內(nèi)外專家學者在將無人機技術應用于土方工程計算問題中，眾多研究人員已展開了一些研究，也取得了很大的進展。文獻[3]通過無人機技術采集的影像生成數(shù)字高程模型，并結合相關軟件進行兩期工程量計算；文獻[4]采用無人機傾斜攝影測量的作業(yè)方式，通過航攝影像解算三維點云數(shù)據(jù)進行土石方量計算；文獻[5]通過無人機影像對DEM數(shù)據(jù)進行提取，并結合GIS技術對土方量進行分析，實現(xiàn)對土方工程的動態(tài)監(jiān)測。隨著無人機的續(xù)航能力與相機分辨率不斷提升，無人機傾斜攝影測量技術越來越多地應用于土方工程項目中，如何快速精確地進行高精度土方量計算仍然值得深入研究。

綜合考慮測量精度、工程效率等方面，本文基于無人機傾斜攝影測量技術研究了一種高效可行的小微水體清淤土方量計算方法。首先利用無人機傾斜攝影測量技術對小微水體清淤前后的地形分別進行測量，獲取清淤前后小微水體的影像數(shù)據(jù)及POS數(shù)據(jù)；然后將數(shù)據(jù)導入ContextCapture軟件中，快速生成清淤前后兩次三維地形模型，接著采用DP-Modeler軟件對生成的三維地形模型進行處理，以去除小微水體周圍的植被等地物對土方量計算的影響及精確獲取其邊界線；最后采用Acute3D Viewer軟件對清淤前后小微水體的土方量進行計算分析。通過計算清淤前后數(shù)字表面模型的差值，實現(xiàn)小微水體清淤的土方量計算。

1 實現(xiàn)方法

本文方法主要包括三維模型建立、三維模型修飾以及土石方量計算3個部分，具體的技術流程如圖1所示。

圖1 本文技術流程

1.1 三維模型建立

1.1.1 無人機傾斜攝影測量

無人機傾斜攝影測量技術是測繪遙感領域近年發(fā)展起來的一項高新技術，以大范圍、高精度、高清晰的方式全面感知復雜場景，其改變了傳統(tǒng)航測遙感 影像只能從垂直方向進行拍攝的限制，傾斜攝影測量技術利用多臺傳感器從不同的角度對數(shù)據(jù)采集，高效快速地獲取海量的數(shù)據(jù)信息，真實可靠地反映地面的客觀情況，滿足人們對三維信息的需要。

傾斜攝影測量技術通過5個角度對地面情況進行拍攝，獲得的三維數(shù)據(jù)可以真實地反映地物的本來面貌，客觀地再現(xiàn)地物的外觀、結構以及高度等屬性，該技術通過數(shù)據(jù)預處理、空中三角測量、影像密集匹配、構建TIN模型等自動化過程生成三維模型，以真實表達地表物體的尺寸、外觀等屬性，展示出真實的地面場景。傾斜攝影測量技術在數(shù)據(jù)獲取效率、采集范圍、采集精度上都具有很大的優(yōu)勢，數(shù)據(jù)后處理自動化程度高，對于數(shù)據(jù)更新十分有利，且確保了外業(yè)作業(yè)的安全性和工作效率。

傾斜攝影測量技術通過一定的內(nèi)業(yè)處理能夠獲得高精度高分辨率的數(shù)字表面模型，能同時輸出具有空間位置信息的正攝影像數(shù)據(jù)，傾斜攝影測量技術通常包括影像預處理、多視影像聯(lián)合平差、多視影像密集匹配、數(shù)字表面模型生產(chǎn)和三維建模等關鍵內(nèi)容。傾斜影像測量的關鍵技術：

1）多視影像聯(lián)合平差。多視影像包含垂直攝影和傾斜攝影數(shù)據(jù)，在處理獲取影像的過程中，多數(shù)空三測量系統(tǒng)無法準確完成，因而需要通過多幅影像聯(lián)合平差的方法來處理傾斜攝影測量影像。結合POS系統(tǒng)提供的多視影像外方位元素，結合金字塔影像匹配策略，在每級影像上進行同名點自動匹配和聯(lián)合平差，得到較好的同名點匹配結果。

2）多視影像密集匹配。影像匹配是攝影測量中的關鍵問題，多視影像具有覆蓋范圍廣，分辨率高的特點，單獨利用一種匹配基元或匹配策略往常無法獲得建模需要的同名點。因此，近幾年來，伴隨著計算機視覺發(fā)展起來的多基元、多視影像匹配，逐漸變?yōu)槿藗冄芯康闹攸c。

3）數(shù)字表面模型生成。利用多視影像密集匹配方法可生成高精度、高分辨率的數(shù)字表面模型（DSM），實現(xiàn)地形起伏變化的可視化表達。為解決多角度傾斜影像間差異和陰影以及遮擋帶來的問題，可先依據(jù)自動空三測量計算出各個影像的外方位元素，繼而選擇合適的影像匹配單元與之前計算出來的外方位元素進行特征匹配和像素級的密集匹配，并引入并行算法，提高計算效率。

在對獲取的無人機傾斜攝影測量影像進行處理后，可基于測繪建模軟件生成傾斜攝影測量三維模型。

1.1.2 無人機傾斜攝影測量技術流程

1）外業(yè)數(shù)據(jù)采集。根據(jù)現(xiàn)場踏勘確定測區(qū)范圍，對航高和航線進行設計，確定航向和旁向重疊度，對飛行參數(shù)進行設置，通過在多旋翼無人機上搭載多鏡頭相機從多視角進行地表數(shù)據(jù)同步采集，并利用無人機上搭載的POS/IMU平臺獲取飛行過程中的實時位置信息。

2）數(shù)據(jù)預處理。檢查影像數(shù)據(jù)的可靠性與完整性，將五鏡頭數(shù)據(jù)分別按照下視、前視、后視、左視、右視進行分類存放，各文件夾內(nèi)的影像數(shù)量應為一致，若存在照片數(shù)量不一致的情況，應及時檢查文件命名，刪除錯誤像片，同時將曝光過度、重復、模糊和范圍外的影像進行刪除。

3）三維模型建立。通過將外業(yè)采集數(shù)據(jù)導入ContextCapture軟件中，通過計算機圖形計算，結合POS信息進行傾斜影像空中三角測量，多視影像密集匹配生成點云，點云構成TIN格網(wǎng)，通過自動紋理映射生成三維模型。

1.2 三維模型修飾

由于原始三維模型中測區(qū)周圍會存在一些樹木等物體對其產(chǎn)生遮擋，影響土方量的計算，故采用 DP-Modeler軟件對三維模型進行修飾，主要是刪除或踏平遮擋物以及精確獲取測區(qū)的邊界。

在采用DP-Modeler軟件對三維模型進行修飾前，需要先準備相關數(shù)據(jù)。首先在ContextCapture軟件中完成三維模型的生成后，導出空三文件、無畸變影像及OSGB、OBJ兩種格式模型，然后在DPSlnManager中進行空三文件、影像以及OSGB、OBJ模型的配置，生成解決方案。

在DP-Modeler中打開解決方案文件，可顯示出三維模型。通過在OSGB修飾中，選擇需要修飾的地物邊界，采用刪除和踏平操作對地物進行修飾，在遮擋物修飾完成之后，通過勾畫出測區(qū)邊界，將整個測區(qū)的影像導出。

1.3 土方量計算

原始地形地貌和清淤后地貌的準確表達是土方計算的關鍵。在Acute3D Viewer中打開修飾后的測區(qū)三維模型，通過土方量計算工具分別計算清淤前后測區(qū)三維模型表面到同一個高程面所形成的封閉區(qū)域的體積。然后將前后兩次的體積作為差值，結果即為所清淤的土方量。具體如圖2所示。

圖2 土方量計算示意圖

基于Acute3D Viewer計算清淤土方量的基本原理，應用軟件進行土方量計算的具體工作可歸納為以下幾個步驟：

1）數(shù)據(jù)準備：準備通過傾斜攝影測量建模和修飾后得到的清淤前后三維模型。

2）數(shù)據(jù)預處理：檢查清淤前后三維模型坐標系統(tǒng)的一致性，確定清淤前后三維模型中同一地物點的高程作為起算高程面。

3）土方量計算：通過Acute3D Viewer中的體積計算工具，分別計算清淤前后三維模型表面到所選擇高程面所形成的封閉區(qū)域的體積，將二者體積作為差值，結果即為清淤的土方量。

2 工程實例

本研究以雨花臺區(qū)小微水體整治工程清淤量測量為例，基于無人機傾斜攝影測量獲取雨花臺區(qū)小微水體清淤的土方量。雨花臺區(qū)小微水體具有地形復雜，樹木叢生，建設形式多樣等特點。本次工程采用無人機傾斜攝影測量技術獲取對小微水體清淤前后的地形分別進行測量，獲取清淤前后小微水體的影像數(shù)據(jù)及POS數(shù)據(jù)，再利用ContextCapture軟件快速生成清淤前后兩次三維地形模型，然后采用DP-Modeler軟件對生成的三維地形模型進行修飾處理，最后采用Acute3D Viewer對清淤前后小微水體的土方量進行計算分析，實現(xiàn)雨花臺區(qū)小微水體整治工程中所有11個小微水體清淤的土方量計算。

原始清淤前后小微水體三維模型數(shù)據(jù)顯示如圖3所示，小微水體周圍有房屋、道路、樹木等，經(jīng)過DP-Modeler軟件修飾后如圖4所示，可以看出經(jīng)過修飾后對其遮擋的樹木草叢已被刪除，然后通過勾畫出小微水體的邊界，將整個小微水體導出，如圖5所示。

圖3 清淤前后小微水體三維模型

圖4 小微水體邊界修飾

圖5 獲取精確邊界的小微水體三維模型

在獲取精確邊界的小微水體三維模型后，通過在Acute3D Viewer中打開修飾后的小微水體三維模型，通過土方量計算工具分別計算清淤前后小微水體三維模型表面到同一個高程面（這里采用清淤前后三維模型中同一個地物點的高程）所形成的封閉區(qū)域的體積。然后將前后兩次的體積作差值，結果即為所清淤的土方量。根據(jù)圖6中清淤前后小微水體三維模型到指定高程面所形成的封閉區(qū)域體積計算結果，可知清淤的土方量計算結果為：899.28m3–657.61m3=241.67m3。通過對RTK實測數(shù)據(jù)計算結果和無人機傾斜攝影測量計算結果對比，挖填方量差值比為0.8%，滿足土方計算的規(guī)范要求[6]。因此，本文方法實現(xiàn)的土方量計算精度較高，準確地反映了真實的地表信息，滿足工程土方量計算要求，且大大提高了測算效率。

圖6 清淤前后小微水體表面到同一高程面的土方量計算

3 結 語

傳統(tǒng)的土方計算方法存在計算量大、計算精度不高、數(shù)據(jù)量大等缺點，而利用“基于無人機傾斜攝影測量快速獲取測區(qū)數(shù)據(jù)-三維模型建立-模型修飾-土方量計算分析”的方法能夠?qū)崿F(xiàn)快速精確的土方量計算，并且能做到“實際與模型的精確對應”和“所見即所得”。從模型建立到土方計算結果的獲得，人工成本和時間成本都將大大降低，同時測量的精度也達到了土方量計算的精度要求。工程實踐表明，無人機傾斜攝影測量技術在土方量計算中將發(fā)揮日益重要的作用。