P4-RTK無(wú)人機(jī)在不規(guī)則堆體體積量算中的應(yīng)用與精度分析

連增增,趙曉明,李飛,楊帆

(1. 河南理工大學(xué) 測(cè)繪與國(guó)土信息工程學(xué)院,河南 焦作 454000;2. 東南大學(xué) 儀器科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 210000;3. 西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,四川 成都 611756)

0 引 言

對(duì)于一些不規(guī)則堆積物(如煤堆、礦石堆、原料堆等)的體積測(cè)量工作是測(cè)繪領(lǐng)域較為常見(jiàn)的工作．體積量算常規(guī)的方法是采用全站儀或GNSS-RTK在堆體表面采集一定密度的三維坐標(biāo)點(diǎn),通過(guò)構(gòu)建三角網(wǎng)及繪制等高線,利用DTM 法或方格網(wǎng)法計(jì)算出堆積體的體積[1]． 這樣就可以使企業(yè)了解其工業(yè)堆體原料庫(kù)存量,以便于后續(xù)生產(chǎn)和庫(kù)存管理[2]． 該方法主要的缺點(diǎn)是費(fèi)時(shí)費(fèi)力,且對(duì)于不規(guī)則的堆體而言,GNSS-RTK測(cè)量的點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)量有限,部分高程點(diǎn)也無(wú)法觀測(cè)． 而另一種對(duì)不規(guī)則堆積物進(jìn)行體積量算的方法是無(wú)人機(jī)航攝技術(shù)．傳統(tǒng)的航攝技術(shù)因?yàn)榇嬖跓o(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)穩(wěn)定性較差、影像質(zhì)量較差等問(wèn)題,所以需布設(shè)足夠數(shù)量且位置穩(wěn)定的像控點(diǎn),以保證測(cè)區(qū)成果的作業(yè)精度[3]． 但由于本文所研究的建筑廢料堆積體的兩側(cè)有垂直斷面和松動(dòng)碎石區(qū)域,以致于實(shí)際作業(yè)無(wú)法得到足夠數(shù)量坐標(biāo)點(diǎn)像控點(diǎn)．導(dǎo)致使用GNSS-RTK和傳統(tǒng)航攝技術(shù)對(duì)不規(guī)則堆體進(jìn)行體積量測(cè)時(shí)得到的誤差相對(duì)來(lái)說(shuō)較大,而無(wú)法達(dá)到企業(yè)相關(guān)的精度要求．

因此,利用具備實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)(RTK)的無(wú)人機(jī)對(duì)原料堆積體進(jìn)行體積測(cè)量便成為了全面、成本低以及效率高的最有效方式．內(nèi)置GNSS-CORS-RTK的無(wú)人機(jī)對(duì)不規(guī)則堆積體攝影得到高精度POS數(shù)據(jù)后直接導(dǎo)入ContextCaptue及Photoscan等軟件進(jìn)行空三加密、點(diǎn)云、DEM、DOM、DSM等數(shù)據(jù)的生成以及建立三維模型,繼而進(jìn)行體積量算．

1 免像控?zé)o人機(jī)航攝技術(shù)

近年來(lái)無(wú)人機(jī)航攝憑借其自身高效率、成本小等優(yōu)勢(shì),在測(cè)繪行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用．然而傳統(tǒng)的航攝技術(shù)存在許多不足,如飛行不穩(wěn)定、影像重疊度不規(guī)則、畸變大、數(shù)量多等． 因此，為了提高空三加密精度,進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)便需要足夠多的地面像控點(diǎn)．地面像控點(diǎn)的測(cè)量工作會(huì)嚴(yán)重制約航測(cè)工作的效率與質(zhì)量．

本文所使用大疆P4-RTK無(wú)人機(jī)采用的是實(shí)時(shí)差分RTK技術(shù),使無(wú)人機(jī)可以實(shí)時(shí)獲取高精度POS數(shù)據(jù)． 并利用該數(shù)據(jù)進(jìn)行POS輔助空中三角測(cè)量． 即指光束法區(qū)域網(wǎng)模型引入攝像機(jī)曝光時(shí)刻攝站點(diǎn)的三維坐標(biāo)和姿態(tài)角組成的高精度POS數(shù)據(jù),將其當(dāng)作額外的非攝影觀測(cè)值,由此可將地面控制取代,然后運(yùn)用整體平差的方法,利用一致的平差模型和算法,求出像片的外方位元素和加密點(diǎn)坐標(biāo)的理論技術(shù)與方法[4]．

通過(guò)應(yīng)用高精度實(shí)時(shí)差分RTK與無(wú)人機(jī)航攝相結(jié)合的技術(shù),在無(wú)地面像控點(diǎn)的情況下,也可使用戶精度達(dá)到厘米級(jí),有效地提高成果精度和整體質(zhì)量[4]． 而在數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理方面,其自動(dòng)化程度很高,能直接輸出高精度、高清晰度的3D成果[5]．

而基于連續(xù)運(yùn)行參考站(CORS)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)主要是由基準(zhǔn)站、數(shù)據(jù)中心等組成,且通常采用虛擬參考站技術(shù),它的主要原理是:數(shù)據(jù)中心接收由各個(gè)基準(zhǔn)站發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)信息,然后對(duì)接收到的信息進(jìn)行調(diào)整,并建立相應(yīng)的誤差改正模型[6]． 用戶會(huì)向數(shù)據(jù)中心發(fā)送大概坐標(biāo),隨后數(shù)據(jù)中心根據(jù)所接收到的近似坐標(biāo)判斷出用戶處于由哪三個(gè)基準(zhǔn)站所組成的三角形內(nèi),然后在用戶附近建立一個(gè)虛擬參考站,數(shù)據(jù)中心對(duì)該虛擬參考站的信息進(jìn)行更改后將準(zhǔn)確的信息傳送給用戶[6-7],用戶根據(jù)這些實(shí)時(shí)差分改正信息可獲得比較高的定位精度．

2 實(shí)驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證用于大比例尺成圖的精度,本文從不規(guī)則堆積體體積量算項(xiàng)目出發(fā),以焦作市解放區(qū)建筑材料加工廠測(cè)區(qū)為例,對(duì)大疆P4-RTK小型多旋翼高精度航測(cè)無(wú)人機(jī)所獲取的像片進(jìn)行全自動(dòng)空三加密． 隨后根據(jù)得到的檢查點(diǎn)誤差對(duì)數(shù)據(jù)成果進(jìn)行精度分析,以驗(yàn)證具有免像控航攝技術(shù)的無(wú)人機(jī)航測(cè)可以達(dá)到大比例尺成圖的精度要求,具體作業(yè)流程如圖1所示．

圖1 免像控?zé)o人機(jī)航測(cè)作業(yè)流程

2.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)工程概況

實(shí)驗(yàn)區(qū)位于河南省焦作市解放區(qū)建設(shè)西路,實(shí)驗(yàn)區(qū)面積約為0.56 km2,地形為平原地帶,區(qū)域周圍為居民地和部分工廠場(chǎng)地． 研究對(duì)象廢料堆積體為一家建筑材料加工廠內(nèi)的建筑廢料堆積體,其形狀大致呈不規(guī)則近似臺(tái)狀體,底面長(zhǎng)寬約為 250 m ×130 m,高約為33 m,如圖2所示．

圖2 原料堆積物

2.2 數(shù)據(jù)獲取

實(shí)驗(yàn)使用大疆P4-RTK小型多旋翼高精度航測(cè)無(wú)人機(jī),其云臺(tái)系統(tǒng)搭載有1英寸2000萬(wàn)像素CMOS傳感器,智能紅外感知和視覺(jué)避障系統(tǒng),并配備TimeSync系統(tǒng)RTK模塊及高靈敏度全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS),使其具備厘米級(jí)導(dǎo)航定位精度和高性能成像系統(tǒng),具體無(wú)人機(jī)參數(shù)如表1所示．

為保證建模精度要求以及重疊區(qū)域有足夠的數(shù)據(jù)要求,設(shè)計(jì)飛行的航高約 200 m、旁向重疊度為 70%、航向重疊度為 80%、飛行架次為3次,共獲取 685張傾斜影像數(shù)據(jù)．

表1 無(wú)人機(jī)技術(shù)參數(shù)

2.3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

將使用免像控?zé)o人機(jī)航攝技術(shù)獲取的高精度影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入Agisoft Photoscan,然后進(jìn)行對(duì)齊照片、生成密集點(diǎn)云,隨后導(dǎo)出空三處理報(bào)告．

根據(jù)處理報(bào)告結(jié)果,需要重點(diǎn)檢查免像控?zé)o人機(jī)所攝取影像的重疊度是否滿足要求,以便馬上發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并采取二次飛行等措施進(jìn)行及時(shí)處理． 本次飛行圖像重疊情況、攝像機(jī)位置和誤差估計(jì)如圖3～4所示,攝站點(diǎn)全球定位系統(tǒng)(GPS)平均中誤差如表2所示．

圖3 攝像頭位置和圖像重疊

圖4 攝站點(diǎn)GPS平均中誤差

表2 攝站點(diǎn)GPS平均中誤差 m

檢查完影像數(shù)據(jù),且各方面符合要求后,繼續(xù)生成網(wǎng)格以及生成紋理一系列自動(dòng)處理操作,自動(dòng)高效地生成測(cè)區(qū)DOM、DEM、三維模型等測(cè)量成果如圖5～7所示．

圖5 正射影像圖(DOM)

圖6 數(shù)字高程模型(DEM)

圖7 三維模型

2.4 成果精度統(tǒng)計(jì)與分析

為了檢測(cè)生成的三維模型、DEM及DOM的精度． 經(jīng)過(guò)空三加密后得到的X、Y、Z誤差如表3所示.

表3 檢查點(diǎn)誤差

利用中誤差計(jì)算公式評(píng)定模型平面位置精度:

(1)

(2)

(3)

由式(1)～(3)可得,檢查點(diǎn)平面坐標(biāo)中誤差是0.047 m,其中最大誤差為0.062 m,同理高程坐標(biāo)中誤差是±0.085 m,其中最大誤差是0.065 m． 平面坐標(biāo)和高程坐標(biāo)的最大誤差均小于10 cm．1∶500地形圖的成圖比例尺在平地地區(qū)平面和高程坐標(biāo)的最大限差分別為0.5 m、0.4 m，可知檢查點(diǎn)的精度符合相應(yīng)精度要求．

3 堆積體體積量算及精度分析

由于堆積體一側(cè)為接近垂直的斷面,人工無(wú)法量測(cè)該部分高程點(diǎn),因此，將RTK所采高程坐標(biāo)生成的大部堆積體的體積與三維模型量測(cè)的體積進(jìn)行對(duì)比分析時(shí),后者所選堆積體的范圍以前者為主,以避免造成誤差過(guò)大,無(wú)法比較的情況．

3.1 基于三維模型的體積量算

Smart 3D (ContextCapture)生成三維模型的處理流程為:新建項(xiàng)目后,將使用免像控?zé)o人機(jī)獲取的高精度影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入一個(gè)空區(qū)塊 block-1中,隨后導(dǎo)入控制點(diǎn)坐標(biāo),進(jìn)行刺點(diǎn)工作并設(shè)置檢查點(diǎn)．?dāng)?shù)據(jù)導(dǎo)入正確及控制點(diǎn)添加完成后,提交空中三角測(cè)量．空三開始后,CC會(huì)自動(dòng)進(jìn)行特征點(diǎn)提取、影像匹配及光束法區(qū)域網(wǎng)平差等步驟．空三解算完成后,若結(jié)果顯示影像數(shù)據(jù)完整,便可得到測(cè)區(qū)的點(diǎn)云數(shù)據(jù),如圖8所示．

圖8 密集點(diǎn)云

然后新建重建項(xiàng)目,并對(duì)空間框架進(jìn)行規(guī)則平面格網(wǎng)切塊．調(diào)整好瓦片大小后,提交生產(chǎn)項(xiàng)目,開始三維建模,建模成果如圖9所示．

圖9 三維模型

由于需要證明運(yùn)用無(wú)人機(jī)免像控技術(shù)進(jìn)行不規(guī)則堆體體積的量算也能滿足實(shí)際生產(chǎn)的要求， 因此加控制點(diǎn)的三維模型完成后,再在無(wú)控制點(diǎn)的基礎(chǔ)上生成新的三維模型．最后便可以分別在不同條件下生成的兩個(gè)三維模型上進(jìn)行量算體積的工作．

測(cè)量方法即為采用繪制邊線與設(shè)置標(biāo)高方式自行繪制地面草圖,推演指定位置的堆積體體積．

完成地面草圖繪制工作后,Smart 3D會(huì)自動(dòng)生成堆積體的體積,并且左側(cè)屬性欄會(huì)顯示“切割”、“填充”、“采樣距離”的值． 因此,以RTK采樣區(qū)域?yàn)榍疤?繪制堆積體范圍的體積． 為了使量測(cè)的數(shù)據(jù)更為可靠,經(jīng)多次量測(cè),免像控點(diǎn)時(shí),測(cè)得的部分堆積體平均體積為101 665.86 m3;有像控點(diǎn)所測(cè)得的堆積體體積為101 741.77 m3．

圖10 Smart 3D 體積量算圖

最后在Smart 3D和Photoscan所生成的三維模型上量測(cè)堆積體的完整體積如圖11～12所示,結(jié)果分別為441 941.72 m3和430 616.5 m3． 二者相差約11 325 m3,相對(duì)差值為2.5%．

圖11 Smart 3D量測(cè)體積圖

圖12 Photoscan量測(cè)范圍

3.2 基于GNSS-RTK所采高程點(diǎn)的體積量算

量算不規(guī)則堆積體體積的另外一種方法是使用GNSS-RTK采集堆積體表面足夠數(shù)量的三維坐標(biāo)點(diǎn),然后采用南方CASS中的DTM法計(jì)算不規(guī)則堆積體的體積．

DTM法計(jì)算堆積體體積的原理是根據(jù)GNSS-RTK測(cè)得的離散點(diǎn)三維坐標(biāo),利用南方CASS生成三角網(wǎng)和設(shè)置平場(chǎng)標(biāo)高的方式計(jì)算每一個(gè)三棱柱體的體積,最后累加得到指定區(qū)域內(nèi)的體積量．

本次實(shí)驗(yàn)采用GNSS-RTK共獲取263個(gè)高程點(diǎn),將高程點(diǎn)導(dǎo)入CASS中展開,然后刪除多余高程點(diǎn),選擇其中123個(gè)高程點(diǎn),在工具欄中點(diǎn)擊等高線,生成DTM，如圖13所示,然后使用DTM法計(jì)算土方量,以 98.27 m 高程所在平面為基準(zhǔn)面計(jì)算得到的總體積為101 997.40 m3．

圖13 DTM法

3.3 體積量算精度分析

該實(shí)驗(yàn)劃出原料堆積體四分之一區(qū)域進(jìn)行體積量算,通過(guò)比較不同處理方法所得到的堆積體體積，如表4所示,進(jìn)行精度分析．

在不加像控點(diǎn)的前提下以Smart 3D生成的三維模型為基礎(chǔ)量算堆積體體積為101 665.86 m3． 然后再根據(jù)加入像控點(diǎn)后生成的三維模型所量算的堆積體的體積為101 741.776 m3． 二者相對(duì)差值近似于0,可見(jiàn)基于免像控航攝技術(shù)的無(wú)人機(jī)通過(guò)內(nèi)置實(shí)時(shí)差分的網(wǎng)絡(luò)RTK可以在無(wú)像控點(diǎn)的情況下,獲取高精度的影像數(shù)據(jù),使其生成的成果達(dá)到企業(yè)相關(guān)精度要求．

由RTK所采的高程點(diǎn),用DTM法計(jì)算得到的體積為101 997.40 m3． 可以看到通過(guò)三維模型而量算的體積與RTK所采點(diǎn)生成的結(jié)果相差約294 m3．相對(duì)差值為0.007%,符合工業(yè)測(cè)量精度要求．由此可見(jiàn),當(dāng)量測(cè)的堆積體體積較小,且高程點(diǎn)數(shù)量足夠的情況下,使用GNSS-RTK在精度上可以滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求．但當(dāng)企業(yè)的原料堆積物過(guò)大且地形特殊復(fù)雜以至于一些高程點(diǎn)無(wú)法獲取時(shí),由全站儀或RTK獲得的高程點(diǎn)所生成的堆積物體積與根據(jù)免像控?zé)o人機(jī)航攝獲取的數(shù)據(jù)所生成的三維模型量算的堆積體體積相比,誤差會(huì)有所增加．雖然結(jié)果也是符合工業(yè)測(cè)量所要求的精度要求的,但相對(duì)于使用全站儀或RTK獲取高程點(diǎn)時(shí)所出現(xiàn)的作業(yè)強(qiáng)度較大、精度較低且部分點(diǎn)無(wú)法獲取等情況而言,具有高精度、高效率、智能化且操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)的免像控?zé)o人機(jī)航攝技術(shù)更適合用于企業(yè)大型原料堆積體的體積量算工作,且在精度上可以滿足企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)的要求．

表4 不同方式體積量算結(jié)果

4 結(jié) 論

1)大疆精靈P4-RTK無(wú)人機(jī)由于應(yīng)用 GNSS CORS RTK定位技術(shù),因而在飛行前不僅不用設(shè)置地面基準(zhǔn)站,而且規(guī)劃好測(cè)區(qū)范圍、航線、航高等參數(shù)開始航飛后,無(wú)人機(jī)在飛行的同時(shí)便可實(shí)時(shí)獲取高精度無(wú)人機(jī)定位信息,其定位速度更快速更精確．

2)大疆精靈P4-RTK無(wú)人機(jī)采用免像控航攝技術(shù)在飛行過(guò)程中所獲取的高精度飛行信息不僅可用于無(wú)人機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航與飛行姿態(tài)調(diào)整,而且可在航拍過(guò)程中獲取高精度POS數(shù)據(jù),無(wú)需再布設(shè)地面點(diǎn)以提高數(shù)據(jù)精度．最后生成堆積體的密集點(diǎn)云,三維模型及相關(guān)成果,如DEM、DSM等,均滿足地圖測(cè)圖的平面、高程以及堆積體體積量測(cè)的精度要求．

3)對(duì)于原料堆積物而言,若其范圍過(guò)大且地形過(guò)于復(fù)雜,不利于進(jìn)行三維坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集時(shí),不建議使用全站儀或RTK進(jìn)行堆積物的體積量測(cè),因?yàn)槿糇鴺?biāo)點(diǎn)數(shù)量不夠以至于無(wú)法覆蓋整個(gè)堆積體時(shí),堆積體的完整體積不僅無(wú)法測(cè)出,且精度也沒(méi)有由無(wú)人機(jī)所獲取的數(shù)據(jù)量測(cè)的體積精度高．