無人機攝影測量在石料堆存計量中的應用

李增輝，聶洪斌

（1.中國港灣工程有限公司，北京 100027；2.中交四航局第二工程有限公司，廣東 廣州510230）

關鍵字：無人機；攝影測量；石料計量

引 言

科倫坡港口城項目位于斯里蘭卡首都科倫坡，地處高爾路西側，科倫坡國際集裝箱碼頭南側。工程主體由陸域吹填防波堤、攔砂壩、潛堤、護岸、游艇碼頭、陸域吹填以及陸上各種建筑結構組成，其中外防波堤總長3 245 m，攔沙壩長677 m，護岸長約8.6 km。水工主要結構由石料拋填而成，石料總需求量達320萬m3，石料采購規模大、費用高、工期短、堆存場地有限等因素致使精準快速計量成為工程成本控制的關鍵環節。

圖1 項目航拍

工程石料需求量大、工期短、堆儲場地小，需及時更新石料堆儲數據；設計石料規格種類多，石料堆放的平整度和密實度影響測量進度和計量精度；石料從項目30 km以外采石場運輸至工程現場，路程遠，成本高，計量成果的精度更是直接影響工程石料采購成本控制；大塊石堆放平整度差，傳統手持RTK-GPS測量易受作業環境影響，更新計量數據進度緩慢，堆放不平整的塊石容易傾倒，導致測量人員受傷事故時有發生。因此，研究采用先進的測量技術對類似工程具有現實意義。

1 無人機攝影測量優勢

無人機攝影測量是遙感領域用于測繪生產的高新技術，在使用過程中測量精度高，人力及資金投入量少，采集數據量大，時間效率高，方便大區域作業，使用操作靈活，對作業環境要求低。針對在工程石料計量中的應用，設備體積比較小，結構簡單，作業人員使用遙控器即可進行操作控制，設計飛行區域和航線，可以實現自主飛行拍攝，整體工作流程自動化水平高、安全方便，操作人員經過簡單培訓就能上手；無人機在1 km以下相對高度飛行無需報批空管，起降場地無特殊要求；空中遙控拍攝，無需接觸石料堆，避免人員攀爬石料堆發生安全事故。利用傳統全站儀和 RTK測量計量一次需要持續測量5～6天，數據更新時間慢，石料堆存計量信息更新滯后，而無人機攝影測量快速、精準、高效地獲取石料堆存信息數據，1～2人就能開展工作，降低人力成本，減少測量時間，高效準確地采集石料堆存數據。

2 無人機攝影測量系統組成

無人機攝影測量是以無人機為飛行平臺，以高分辨率數碼相機為傳感器，利用GPS導航定位系統以及數據處理系統獲取大面積、真彩色、大比例尺、現勢性強的數字影像數據[1]。無人機攝影測量主要用于基礎地理數據的快速獲取和處理，為制作正射影像、地面模型或基于影像的區域測繪提供簡捷、可靠、直觀的應用數據。無人機攝影測量系統由無人機攝影平臺、飛行控制系統和地面監控系統組成。

2.1 無人機攝影測量平臺

無人機攝影平臺是利用無人機裝載攝影相機，利用GPS（全球定位系統）進行導航的航空攝影平臺，其優勢在于快速、精準、高效地獲取地理信息數據。

2.2 飛行控制系統

無人機飛行控制的核心就是飛行控制系統，通過無線通訊傳輸控制無人機的飛行路線、高度、姿態、數據采集等工作，實時控制飛行平臺的工作狀態，實現信息采集任務。

2.3 地面遙控系統

全向天線、監控軟件、電源系統和便攜式控制器構成了地面遙控系統，各組成部分緊密結合相互關聯，作業人員可以操作地面遙控軟件，進行相關飛行數據設定，包括導航模式的選擇、相機曝光、基本飛行參數的設置、航線規劃和航點輸入等，還有航拍數據的輸出和上傳，以及突發條件下報警設置等。實際操作中將機載飛控系統和數據鏈進行鏈接，飛行過程中的實際信息和數據就可以隨時傳遞，更加方便操作。

3 攝影測量原理

根據透鏡成像原理，攝影瞬間像點、投影中心、物點位于同一條直線上并構成一定的幾何關系，描述這三點共線的數學表達式稱為共線條件方程。共線條件方程是指中心投影的構像方程，是攝影測量中最基本、最重要的關系公式，在攝影成像過程中，攝影中心 S（Xs，Ys，Zs）、像點 a（x，y）及其對應的地面點A（X，Y，Z）三點位于同一直線上（如圖2）。

圖2 共線方程示意

式中：x，y為像點的像平面坐標；x0，y0，f為像片的內方位元素；X，Y，Z為對應地面點的地面坐標；Xs，Ys，Zs為投影中心的地面坐標；ai，bi，ci(i=1,2,3)為像片旋轉矩陣的方向余弦[2]。

共線條件方程是將像點坐標轉換為地面點大地坐標的工具，通過方程式計算可以解算出像片上各個像點對應的地面點的大地坐標，可以利用數字等高模型與共線方程制作正射影像。

3 無人機攝影測量流程

本文以無人機為載體（性能參數如表1、表2），運用攝影測量處理軟件，探索無人機攝影測量在石料計量中的應用。

表1 飛行器性能參數

表2 飛行器攜帶相機性能參數

3.1 測量數據采集

1）航線規劃

圖3 航線布置

圖4 像片重疊示意

無人機飛行控制航線規劃路徑有規則路線飛行、多邊形路線飛行、旋轉繞飛、自由飛行等路線，由于港口城項目石料堆場集中有規則的分布在平坦的砂地，最大高差在10 m以內，故計劃航線采用規則路線（如圖 3）飛行，根據大疆無人機性能和航測精度選擇飛行高度90 m。為了滿足航拍內業處理及航測精度，航拍像片拍攝還需滿足像片航向不少于75 %重疊和旁向不少于15 %重疊，像片重疊示意如圖4。

2）布設和采集像片控制點

像片控制點是像片坐標系與地面坐標系連接的紐帶，是為轉換像片點與地面點位置信息而在實地布設并測定三維坐標的控制點。因此在無人機航拍前，需預先布設像片控制點標志，控制點標志尺寸需達到地面分辨率的 5～10倍，并均勻分布在測量區域。由于像片點與地面點坐標轉換和地面模型的重建至少需要3個像片控制點，本次石料航拍在測量區域均勻布設4個像片控制點并用GPS采集控制點的大地坐標，像控點布設位置及標志如圖5。

圖5 像控點布置圖及標志

3）航片數據采集

按照飛行計劃將無人機放置于待航拍區域內，檢查無人機電池電量和各個部件狀況完好，連接飛控軟件開始起飛航拍并采集影像。測量飛控軟件會按照設置好飛行路線及像片重疊率自動記錄并存儲航拍圖片。

3.2 測量數據處理

運用航拍影像處理軟件，經過簡單的設置即可實現全自動化航拍像片處理，處理流程[3]如圖6。

圖6 影像處理流程

航拍圖像處理之前，在軟件中設置與無人機相機對應的型號參數，導入航拍像片，配置像片屬性，選擇像片坐標系統和航拍處理區域，導入像片控制點并在對應的航拍像片上標記像片控制點，像片控制點的標記精度直接影響數據處理精度，圖片放大倍數越高，標記準確度越高，像片經過初始化處理后得到的像控點的計算坐標信息。像控點初始坐標與計算坐標誤差如表3，從表3中誤差值可以得到，通過軟件處理解算像控點坐標與初始坐標誤差在±10 cm左右。

表3 像控點初始坐標與計算坐標誤差

4 無人機攝影測量與常規測量數據對比

為了驗證通過無人機攝影測量技術采集、處理數據的可靠性，將Pix4D處理得到的點云數據與常規測量手段（RTK和全站儀）得到的數據進行對比，隨機選擇幾組不同規格是石料進行方量計算，為了能反應二者之間的差值，采用相同的土石方計算軟件和統一的計算方法進行比對。計算結果見表4。

表4 石料方量計算對比

通過計算對比，石料堆存方量越大，相對誤差越小，石料規格小，相對誤差越小，分析原因：石料堆存體積大，邊線及輪廓清晰，易于航拍識別；石料堆存體積小，堆存相對集中不利于航拍識別，數據處理時容易造成輪廓選取不準確，存在一定誤差。另石料規格較大的2～5 t塊石，由于無人機航拍能獲得更接近實際的石料表面數據，相對于常規測量方法能得到海量的測量數據，故通過無人機攝影測量方法得到的石料方量更準確些。無人機攝影測量數據與常規測量方法得到的數據測得石料方量數據基本一致，最小相對誤差在5 %以內，平均相對誤差在±7.5 %左右，符合規范計量誤差要求，能夠滿足石料堆存方量計量要求。通過無人機攝影測量和傳統測量成果數據比對分析，兩者結果差值較小，特別是在堆放密實度好、平整度好的1～500 kg規格石料區，兩者測量成果差異較小；規格較大，平整度和密實度較差的2～5 t大塊石，由于采集數據量差別大兩者測量成果有一定的差異，但整體可控，在方量測算允許相對誤差10 %范圍內。在工作效率上，傳統測量方法前后用了7天時間，而無人機攝影測量在本次測量中僅用了2小時就完成了數據采集和后處理計量工作，可見無人機攝影測量在石料計量中的作業效率是驚人的。

圖7 石料方量相對誤差曲線

4 結 語

無人機攝影測量在工程施工中的應用是一次突破和創新，主要體現在通過高新技術在施工中的應用減少了人力成本投入、節省工作時間，在精度滿足要求的情況下高效作業提高進度，受天氣和作業環境影響較小，為工程進度提升、成本節約、質量可控提供有力的保證，此創新點對于類似工程施工具有一定的借鑒性。

目前無人機攝影測量技術已不斷擴大在施工領域中的應用，但無人機攝影測量作為新興技術在工程測量精度方面還能只能滿足亞米級測量需求，整體精度還有待進一步提高。而對于地形復雜，航拍對象受房屋建筑、植被樹林等障礙物遮擋還不能穿透測量，仍需要傳統的測量方式配合，因此，無人機攝影測量在施工中的應用仍然是一個不斷探討的課題。