無人機影像匹配點云技術(shù)在道路測設(shè)中的應用

李 濤，袁中朝，沈彪群，高 波，王生新(. 山東省國土測繪院，山東 濟南 500； . 山東魯邦地理信息工程有限公司，山東 濟南 500)

橫斷面測量指的是測量中樁處垂直于中線方向的地表起伏形態(tài)的作業(yè)，然后繪制成橫斷面圖，供路基、邊坡、特殊構(gòu)造物的設(shè)計、土石方的計算和施工放樣之用[1]。在高速公路、鐵路等線路工程測量中必須進行橫斷面測量。由于大型線路工程路基寬、設(shè)計精度要求高、縱橫斷面密度大，特別是在丘陵或山區(qū)地表高差變化大、通行不便的測區(qū)，使用傳統(tǒng)方法測量采集高程點數(shù)量有限，橫斷面工作效率較低，一旦改線還需要重新進場測量，不僅生產(chǎn)成本高，而且嚴重影響設(shè)計工期，不能適應當前社會發(fā)展。

近年來，隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，無人機在各行各業(yè)均呈現(xiàn)出一片欣欣向榮的景象，特別是在地理信息行業(yè)，無人機航攝正對傳統(tǒng)測繪手段帶來一次跨越性的飛躍。作為專業(yè)的測量型無人機，PPK、免像控技術(shù)、傾斜攝影技術(shù)正極大地提升著影像定位精度與高程精度[2]，同時主流的無人機處理軟件如AgiSoft PhotoScan、PIX4D Mapper、Smart 3D Capture等支持影像匹配點云功能。點云數(shù)據(jù)作為一種全新的地理信息產(chǎn)品，其巨大應用價值在工程測量領(lǐng)域正逐步顯現(xiàn)[3]。本文以某高速公路測設(shè)項目為例，采用天狼星免像控無人機航攝設(shè)備獲取高分辨率影像，利用影像匹配點云技術(shù)與LiDAR點云處理工藝制作生成密集地面高程數(shù)據(jù)，進而取代公路測設(shè)過程最耗時耗力的斷面測量工作，不僅大幅提高作業(yè)效率、降低生產(chǎn)成本，而且為道路改線、任意斷面設(shè)計、BIM系統(tǒng)應用帶來極大便利。

1 無人機影像匹配點云技術(shù)優(yōu)勢

1.1 無人機影像匹配點云為時代產(chǎn)物，順勢而生

影像匹配問題一直是攝影測量與遙感、計算機視覺等領(lǐng)域研究的熱點，影像匹配技術(shù)是實現(xiàn)自動尋找同名像點，實現(xiàn)空中三角測量計算，生成正射影像的關(guān)鍵[4]。采用傳統(tǒng)攝影測量方法獲取高精度DEM數(shù)據(jù)，雖然精度高，但是費時費力，工作量巨大，采用雷達點云方式生成DEM自動化程度較高，但需要投入價格高昂的專業(yè)LiDAR設(shè)備，數(shù)據(jù)獲取成本非常昂貴，這也是導致點云數(shù)據(jù)應用難以在生產(chǎn)中普及的主要原因。而無人機影像匹配點云技術(shù)結(jié)合傳統(tǒng)航攝與LiDAR兩者的優(yōu)點，采用一種輕量級的裝備擁有了點云獲取的能力[5]。

1.2 AgiSoft PhotoScan多視點影像匹配技術(shù)實現(xiàn)無人機海量點云數(shù)據(jù)快速輸出

AgiSoft PhotoScan是一款將影像自動生成高質(zhì)量三維模型的軟件，也是目前主流的無人機影像處理軟件，無需設(shè)置初始值，無需相機檢校，它根據(jù)最新的多視圖三維重建技術(shù)對任意照片進行處理，通過給予的控制點，生成真實坐標的三維模型。整個工作流程無論是影像定向還是三維模型重建，其過程均完全自動化。高精度天狼星無人機航空測圖系統(tǒng)MAVinci Desktop結(jié)合AgiSoft PhotoScan軟件，可以輕松實現(xiàn)無人值守方式一鍵獲取DOM、DEM與原始點云數(shù)據(jù)[6]。

1.3 MAVinci Desktop航空測圖系統(tǒng)制定飛行計劃實現(xiàn)智能化管理

MAVinci Desktop是一款專業(yè)的無人機飛控軟件，可以提前根據(jù)測區(qū)范圍制定飛行計劃，或者根據(jù)測區(qū)需要由作業(yè)者臨時指定目標區(qū)域和指定期望的GSD進行創(chuàng)建飛行計劃(如圖1所示)。該軟件可以直觀高效地處理從簡單到復雜的多種飛行任務，如設(shè)置與線路工程走向一致的帶狀飛行計劃、覆蓋視線范圍內(nèi)最大范圍的螺旋狀飛行計劃等，其中自適應地形起伏飛行模式可以獲取超低空高分辨率地面影像，不僅保證了恒定的影像重疊度，而且為獲取高精度影像匹配點云奠定了基礎(chǔ)[7]。

圖1 帶狀與自適應地表起伏飛行模式

1.4 天狼星SIRUS Pro無人機助推影像點云匹配技術(shù)在生產(chǎn)領(lǐng)域成功應用

無人機航測作為一種新型的低空遙感影像獲取手段，是傳統(tǒng)高空航空攝影與中低空航空感影像獲取的有效補充，具有響應速度快、靈敏度高、使用成本低、操作簡便的特點[8]。天狼星SIRUS Pro無人機高精度航空測圖系統(tǒng)，借助RTK技術(shù)，在采集相片的同時進行RTK測量，每張照片都具有RTK固定解精度的位置信息。通過整合精密測時和高精度定位技術(shù)，使得天狼星無人機在空中即可完成傳統(tǒng)的地面像控。即使在完全免像控模式下也可以實現(xiàn)5 cm的定位精度，這從根源上保證了航片空間相對位置關(guān)系，也是空三加密后實現(xiàn)高精度影像匹配點云的基礎(chǔ)。

2 工程實例

2.1 工程概況

本工程為萊蕪市境內(nèi)某高速公路定測階段進行的橫斷面測量項目，線路設(shè)計里程為85 km，平均海拔為210 m，最低海拔為170 m，最高處為280 m。測區(qū)大部分位于微丘和重丘區(qū)，地貌比較破碎；測區(qū)地表以稀疏果園和低矮農(nóng)作物為主，大部分區(qū)域地表裸露，對無人機航飛點云噪點剔除比較有利。技術(shù)要求：按照對應中樁樁號采集橫斷坐標，在地形坡度變換處必須采集坎上坎下高程坐標[9]。

2.2 實施方法

外業(yè)航測設(shè)備采用天狼星免像控無人機，將測區(qū)范圍線導入MAVinci Desktop飛行計劃軟件中設(shè)定GSD(地面采樣間隔)為3 cm，使用帶狀飛行計劃、自適應地形起伏模式，相對行高為120 m；航向重疊度為80%，旁向重疊度為65%；平均每架次飛行長度為3 km，帶寬為200 m，續(xù)航時間為30 min。

2.3 無人機影像匹配點云工作流程

無人機影像匹配點云工作流程如圖2所示。

圖2 無人機影像匹配點云工作流程

2.4 檢測方法

天狼星無人機影像匹配點云技術(shù)已經(jīng)在1000多千米高速公路地形圖測量中經(jīng)歷無數(shù)次精度檢驗，具有較高的數(shù)據(jù)可信度；本次橫斷面測量采用傳統(tǒng)測量方式進行驗證，人工采集線路長度為5 km，斷面點數(shù)量約14 800點。文中為便于展示僅選取 3個斷面，更多斷面與此類似(如圖3、圖4所示)。

圖3 傳統(tǒng)斷面測量地面高程點

圖4 利用無人機匹配點云獲取地面高程點

根據(jù)2種斷面線疊加分析(如圖5所示)可以看出2種斷面線基本吻合，但是存在稍許偏差，主要原因為點云點位與人工實測點位不完全一致，另外人工采集斷面點也存在取舍，2種方式生成的斷面線不完全吻合也屬于正常現(xiàn)象。

圖5 2種斷面線疊加分析

3 土方量計算與精度分析

3.1 土方量計算

利用以上2種不同數(shù)據(jù)獲取方式生成DTM三角網(wǎng)文件，使用CASS軟件DTM法土方計算功能進行比較(如圖6、圖7所示)，K44+400至K44+460三條斷面間計算結(jié)果為挖方量366.6 m3，填方量265.7 m3，填挖方平衡量99.9 m3，地表面積3600 m2，對地表高度整體影響約3 cm；擴大檢測范圍，對K44+220至K44+500 30條實測斷面和無人機匹配點云進行比較，計算結(jié)果為總挖方量2 723.8 m3，總填方量2 490.4 m3，挖方平衡量相差約233.4 m3，地表面積21 355 m2，對地表高度整體影響約11 cm。

圖6 利用實測橫斷線建立DTM格網(wǎng)

3.2 斷面測量方案對比

由于以上2種方式高程點獲取手段截然不同，傳統(tǒng)斷面測量在指定斷面線上精度較高，但是兩斷面線之間缺少數(shù)據(jù)構(gòu)建DTM模型精度不高，測量精度與地性線位置斷面加樁及作業(yè)人員的工作經(jīng)驗關(guān)系較大；無人機匹配點云方式更傾向于方格網(wǎng)法，其點云密度基本達到2 m×2 m(在裸露地表點云密度可以達到0.5 m×0.5 m)，在點云精度可靠的情況下可以獲取非常精確的土方量結(jié)果(見表1)。

表1 橫斷面測量方案對比

圖7 利用點云建立DTM格網(wǎng)

4 結(jié) 語

機載LiDAR高昂的設(shè)備價格和復雜的數(shù)據(jù)處理流程制約了用戶群體和應用方向[10]。隨著科技手段的進步，點云獲取不再是機載LiDAR的專屬手段，平民化價格的無人機同樣可以實現(xiàn)。盡管測繪原理不同，獲取的數(shù)據(jù)精度尚不能與機載LiDAR相媲美，然而無人機影像匹配點云技術(shù)作為一項全新技術(shù)手段有著非常廣闊的應用前景。但是，其應用還有待通過更多的案例進行驗證和完善，特別是需要進一步優(yōu)化點云分類算法并降低數(shù)據(jù)處理難度[11]。

利用無人機影像匹配點云取代傳統(tǒng)斷面測量可為類似工程項目提供參考借鑒。

參考文獻：

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[5] 于鳳月.無人機攝影測量系統(tǒng)應用于大比例尺DEM、DOM試驗分析[D].昆明：昆明理工大學,2017.

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[11] 黃遲,張漢德,范學煒,等.基于縱橫斷面的機載雷達點云數(shù)據(jù)濾波[J].測繪科學,2015,40(11):34-38.