無人機(jī)攝影測量技術(shù)在違法用地土石方量計算方面的應(yīng)用

王炳新

(遼寧省有色地質(zhì)一〇一隊(duì)有限責(zé)任公司，遼寧 撫順 113006)

為了創(chuàng)造我國良好的用地環(huán)境，推動綠色發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)與環(huán)境保護(hù)，遏制違法用地的蔓延趨勢，我國《土地管理法》和《城市規(guī)劃法》對于土地使用有著明確的要求[1]，對于擅自開發(fā)、使用、倒賣等非法用地要根據(jù)違法用地土方量進(jìn)行處罰，故準(zhǔn)確的違法用地土方量成為了公正處罰的基礎(chǔ)。

就土方量計算而言，對于大面積違法用地，若采用傳統(tǒng)手段測量土方量會耗費(fèi)大量人力和時間，測量效率較低導(dǎo)致項(xiàng)目周期長、難度大，現(xiàn)研究采用無人機(jī)攝影測量技術(shù)對違法用地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，計算違法用地土方量，提高土方測量作業(yè)效率和精度[2]。

國內(nèi)外已有學(xué)者研究采用無人機(jī)技術(shù)計算土方量。李衛(wèi)軍等[3]人采用無人機(jī)計算礦山開采的土方量采剝量，避免了人員下井的安全風(fēng)險問題，同時對礦山開采生產(chǎn)成本監(jiān)控有著重要的作用。劉兆慧等[4]人采用無人機(jī)傾斜攝影測量作業(yè)的方式，通過航測影像獲取測區(qū)三維點(diǎn)云，計算測區(qū)實(shí)際土方量。李東升等[5]人采用無人機(jī)獲取露天測區(qū)影像，根據(jù)計算軟件生成三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，制作測區(qū)的DEM和DOM等數(shù)字產(chǎn)品，基于前期的數(shù)字產(chǎn)品計算露天挖填土方量。

1 傳統(tǒng)與新方法對比

隨著無人機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和應(yīng)用普及，它在日常測繪工作中的作用越來越重要，有效推動了測繪技術(shù)的快速發(fā)展，與常規(guī)GNSS實(shí)地測繪相比，在作業(yè)效率、成本、安全性等方面有著顯著優(yōu)勢。下面從土方量數(shù)據(jù)采集、計算數(shù)據(jù)方法等方面出發(fā)分析測繪方式的變革情況[6]，比較傳統(tǒng)測量技術(shù)和無人機(jī)技術(shù)在各個方面的優(yōu)劣勢。

(1)數(shù)據(jù)采集方面：傳統(tǒng)測量方式采用全站儀或人工手持RTK進(jìn)行實(shí)地數(shù)據(jù)采集，此方法精度高但工作量大、耗時長，故投入成本較高。無人機(jī)技術(shù)在效率方面有了質(zhì)的飛躍，無接觸式的面采集方式提升了數(shù)據(jù)采集的效率，此外，大大減小了人員投入和人工勞動強(qiáng)度，但無人機(jī)作業(yè)受天氣影響較大[7]。

(2)數(shù)據(jù)處理方面：傳統(tǒng)手段多采用插點(diǎn)式三角網(wǎng)計算土方量，方法精度可靠，但整個過程需要人工參與。無人機(jī)技術(shù)基于航測內(nèi)業(yè)處理軟件，通過專業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件獲取照片的位置、姿態(tài)、相機(jī)內(nèi)方位元素等信息，采用影像像對匹配生成地物三維點(diǎn)云，基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成數(shù)字高程模型DEM和正射影像圖DOM，計算出勾選區(qū)域的土方量，此方法精度可靠，且自動化程度高。

傳統(tǒng)手段采用全站儀或者GNSS-RTK是“點(diǎn)”數(shù)據(jù)采集方式，對堆放物實(shí)地進(jìn)行三維數(shù)據(jù)采集的密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有無人機(jī)數(shù)據(jù)處理后生成的三維點(diǎn)云的密度大[8]，所以在計算土石方量時，航測計算的土石方量要比傳統(tǒng)測量手段計算結(jié)果精度更高，如表1所示。

表1 傳統(tǒng)方式與航測方式效果對比表

由上述分析可知，與傳統(tǒng)測量手段相比，無人機(jī)測量技術(shù)在土方量計算上具有一定的優(yōu)越性。

2 無人機(jī)航測

無人機(jī)航測流程主要涵蓋幾個方面，首先，要制定本次航測項(xiàng)目方案、布設(shè)像控點(diǎn)、航測正式作業(yè)、成果質(zhì)量檢查、內(nèi)業(yè)影像處理、空三計算、生成DEM和DOM等成果，再進(jìn)行土方量計算[9]。無人機(jī)航測流程圖如圖1所示。

圖1 無人機(jī)航測流程圖

2.1 測區(qū)情況

本次測區(qū)違法用地占地面積約6 000 m2，測區(qū)為空曠的鹽堿地，周圍有部分樹林等地物遮擋，測區(qū)主體坡勢平緩。

2.2 無人機(jī)設(shè)備

本項(xiàng)目采用大疆精靈4RTK無人機(jī)，精靈4RTK差分模塊優(yōu)異的定位精度保證了無人機(jī)在航測時數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,其差分模塊的參數(shù)如表2所示。

表2 差分模塊參數(shù)表

2.3 像控點(diǎn)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)

根據(jù)違法用地情況，在測區(qū)范圍內(nèi)均勻布置了6個像控點(diǎn)，點(diǎn)號為X1～X6，標(biāo)志均清晰可見，布設(shè)后對其采用RKT測量像控點(diǎn)三維坐標(biāo)。

坐標(biāo)系統(tǒng)方面，像控點(diǎn)平面采用2000國家大地坐標(biāo)系，高程采用1985國家高程基準(zhǔn)，投影為高斯克呂格3°帶投影，中央子午線為120°。

2.4 外業(yè)航測作業(yè)

首先，根據(jù)違法用地區(qū)范圍進(jìn)行航線規(guī)劃，本次采用“井”字航線飛行，可以保證更多的同名點(diǎn)，進(jìn)而提高三維點(diǎn)云的密度和精確度。同時對航高、航速、拍攝模式、相片重疊度、測光模式、云臺角度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，具體參數(shù)設(shè)置情況如圖2所示，完成航線規(guī)劃與參數(shù)設(shè)置后，一鍵起飛無人機(jī)。飛行過程中關(guān)注外界環(huán)境風(fēng)力、信號強(qiáng)度、電池電量等因素，如遇緊急情況應(yīng)立即返航。

圖2 參數(shù)設(shè)置

本次航飛累計飛行2個架次，飛行時間35 min，外業(yè)踏勘像控點(diǎn)布置與采集30 min，外業(yè)無人機(jī)航飛共采集影像數(shù)據(jù)359張。

2.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)主要包括影像檢查、影像預(yù)處理、空三計算及成果生成與輸出。

首先，將外業(yè)采集的攜帶POS數(shù)據(jù)的照片導(dǎo)入到ContextCapture軟件中，檢查影像是否包含全部測區(qū)范圍，若出現(xiàn)遺漏則需要補(bǔ)測或重測相應(yīng)區(qū)域數(shù)據(jù)。完成影像數(shù)據(jù)檢查后，設(shè)置軟件自動化處理參數(shù)，影像進(jìn)入預(yù)處理環(huán)節(jié)，預(yù)處理環(huán)節(jié)會完成影像的內(nèi)定向和外定向，再進(jìn)行空中三角測量[10]，ContextCapture軟件可自動讀取影像攜帶的POS數(shù)據(jù)，然后，直接進(jìn)行空中三角測量計算，如圖3所示，大大提升了航測數(shù)據(jù)處理的自動化程度，空中三角測量完成后，輸出測區(qū)的DEM和DOM，根據(jù)拼接好的正射影像圖檢查測區(qū)變形情況，若出現(xiàn)變形較大的情況應(yīng)及時檢查原始數(shù)據(jù)、處理過程等是否出問題。最后，根據(jù)相鄰的重疊影像匹配測區(qū)的同名點(diǎn)，生成測區(qū)密集的三維點(diǎn)云坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)實(shí)景三維模型制作[11]。

圖3 空中三角計算

2.6 土方量計算

為準(zhǔn)確計算違法用地土方量，分別生產(chǎn)像控刺點(diǎn)和不刺點(diǎn)的數(shù)據(jù)格式為.osgb和.3mx模型產(chǎn)品，具體計算分析過程如下：

(1)對有植被覆蓋或樹木遮擋的沙堆等不規(guī)則堆積物進(jìn)行土方量計算時：將帶有像控的.osgb模型加載到清華山維的EPS三維測圖平臺，同時，將外業(yè)植被遮擋區(qū)域用GNSS-RTK采集到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到模型中，然后，對不規(guī)則沙堆在模型中裸露明顯地形特征點(diǎn)進(jìn)行三維坐標(biāo)及高程數(shù)據(jù)采集，利用采集的高程信息首先生成起算基準(zhǔn)面的三角網(wǎng)數(shù)據(jù)文件與地表三角網(wǎng)TIN數(shù)據(jù)文件[12]，通過土方量計算命令對不規(guī)則的沙堆進(jìn)行土石方量計算，如圖4所示。

圖4 三角網(wǎng)模型TIN

(2)對完全裸露的沙堆等不規(guī)則堆積物進(jìn)行土石方量計算時：將已加像控的.3mx數(shù)據(jù)模型加載到ContextCapture viewer軟件中，利用體積量算工具，對違法用地測區(qū)范圍進(jìn)行手動勾繪，計算出占地面積與體積，同時對幾個明顯地物點(diǎn)進(jìn)行三維坐標(biāo)記錄。

通過ContextCapture viewer軟件，手動勾劃其中一塊違法占用鹽堿地區(qū)域，其面積為516.530 m2，體積為880.854 m3，如圖5所示。照此步驟采集整個測區(qū)的總面積和土方量，采樣結(jié)果如表3所示。

圖5 土方量計算

表3 測區(qū)總采樣面積和土方量

3 精度驗(yàn)證

任何一個測繪項(xiàng)目成果需要經(jīng)過多級檢查，各項(xiàng)指標(biāo)、精度檢查滿足規(guī)范要求后，才能保證是準(zhǔn)確、合格的測繪成果，以提供給其他部門應(yīng)用。故需要對本次測繪的成果進(jìn)行檢查，檢查內(nèi)容主要包括：檢校點(diǎn)中誤差統(tǒng)計分析、成果質(zhì)量分析、坐標(biāo)較差分析等幾個環(huán)節(jié)。

3.1 檢校點(diǎn)中誤差分析

本次共選取了6個檢校點(diǎn)作為項(xiàng)目精度檢查點(diǎn)，點(diǎn)名分別列為J1～J6，這6個檢校點(diǎn)均勻分布整個測區(qū)且布設(shè)于特征地物上，便于內(nèi)業(yè)判讀與測量。

從外業(yè)GNSS-RTK測量手簿中導(dǎo)出檢校點(diǎn)坐標(biāo)和誤差，分析本次項(xiàng)目檢校點(diǎn)的平面和高程中誤差，以檢查檢校點(diǎn)的測量精度情況，檢校點(diǎn)的中誤差統(tǒng)計結(jié)果如表4所示。

由表4可知，檢校點(diǎn)的平面精度、高程精度和總中誤差均符合國家規(guī)范《1:500 1:1 000 1:2 000地形圖航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》(GB/T 7930-2008)中相關(guān)要求，故本次項(xiàng)目檢校點(diǎn)達(dá)到了項(xiàng)目精度要求，可以作為本次項(xiàng)目精度的判斷標(biāo)準(zhǔn)。

表4 檢校點(diǎn)中誤差統(tǒng)計表/m

3.2 成果質(zhì)量分析

測區(qū)成果輸出后，需要對本次成果進(jìn)行精度檢查，檢查標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)符合本次項(xiàng)目精度要求，對測區(qū)的平面精度和高程精度應(yīng)該按照《1:500 1:1 000 1:2 000地形圖航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》(GB/T 7930-2008)中關(guān)于1：500地形測繪相關(guān)規(guī)定進(jìn)行精度檢查[13]。

通過軟件生成的空中三角計算報告得到像控點(diǎn)的平差精度，精度滿足限差要求后，對明顯地物點(diǎn)進(jìn)行檢核，檢核平面點(diǎn)330多個，最大平面誤差為0.030 m，檢核高程點(diǎn)270多個，最大高程差為0.027 m，均滿足1:500地形圖精度要求[14]。

3.3 檢校點(diǎn)坐標(biāo)較差

航測精度驗(yàn)證方式是根據(jù)檢校點(diǎn)的坐標(biāo)位置，從航測中選取相同的點(diǎn)位坐標(biāo)，將兩種坐標(biāo)成果在同坐標(biāo)系下進(jìn)行坐標(biāo)較差比較，比較結(jié)果如表5所示。

由表5可知，本次航測坐標(biāo)點(diǎn)和實(shí)地檢查坐標(biāo)點(diǎn)較差差值均在3 cm以下，滿足《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》(CH/Z 3005-2010)中對于航測精度的要求[15]。

表5 檢校點(diǎn)與航測點(diǎn)精度對比表

4 結(jié) 語

本文基于無人機(jī)攝影測量技術(shù)計算違法用地土方量，分析了傳統(tǒng)手段和無人機(jī)新測繪方式在數(shù)據(jù)采集和處理等方面的優(yōu)缺點(diǎn)。研究了航測內(nèi)外業(yè)整個流程，從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理分析再到土方量計算成套的技術(shù)體系。驗(yàn)證分析了無人機(jī)技術(shù)在土石方量計算中的可行性，減小了人工勞動強(qiáng)度，大大提高了生產(chǎn)效率，最后，通過精度驗(yàn)證分析，證明了無人機(jī)技術(shù)成果的精度符合相關(guān)規(guī)范要求，滿足項(xiàng)目生產(chǎn)精度，可以作為一種可靠的測繪成果為執(zhí)法部門提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，該方法經(jīng)過多此理論推敲和實(shí)踐驗(yàn)證，值得應(yīng)用推廣。