探討機(jī)載Lidar與傾斜攝影在大范圍數(shù)字化土方測(cè)算中的應(yīng)用

江西省國(guó)土空間調(diào)查規(guī)劃研究院數(shù)據(jù)(資料)集成分析中心 楊嬌

土方測(cè)算主要應(yīng)用于在工程建設(shè)領(lǐng)域,其準(zhǔn)確性直接影響施工成本。本文通過(guò)比較現(xiàn)有的作業(yè)方法,分析常用的土方測(cè)算模型,結(jié)合傾斜攝影和機(jī)載Lidar點(diǎn)云的優(yōu)點(diǎn),提出在大范圍土方測(cè)算中采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影和機(jī)載lidar技術(shù)。建立準(zhǔn)確的土方測(cè)算模型,重點(diǎn)在于獲取更多關(guān)鍵的地面點(diǎn),根據(jù)地面點(diǎn)建立接近于真實(shí)地面的數(shù)字地面模型。文章對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精度進(jìn)行了實(shí)地驗(yàn)證,結(jié)果表明該方法具有一定的可行性。

1 研究進(jìn)展

袁建剛[1]研究了使用RTK結(jié)合Cors技術(shù)采集地形特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)進(jìn)行土方計(jì)算,RTK不受天氣和視線的限制,測(cè)量結(jié)果與實(shí)際土方量無(wú)限接近,RTK的缺點(diǎn)是須保持對(duì)衛(wèi)星持續(xù)的跟蹤觀測(cè),衛(wèi)星信號(hào)直接影響觀測(cè)精度;廖小延[2]研究了在土方測(cè)算中應(yīng)用方格網(wǎng)法;元媛[3]等研究了應(yīng)用斷面法計(jì)算宜昌至枝城河段河道沖淤積量;黎勝[4]等研究了應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行土方測(cè)量并驗(yàn)證了精度;李博[5]研究了較大范圍的復(fù)雜地區(qū)在土方計(jì)算中應(yīng)用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)提升了計(jì)算精度;凌晨陽(yáng)[6]研究了在復(fù)雜區(qū)域土方測(cè)量應(yīng)用機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)提高了作業(yè)效率,獲得了較準(zhǔn)確的結(jié)果。

2 常用土方測(cè)算法

在土方測(cè)量中,需要使用相應(yīng)的方法建立相應(yīng)的土方測(cè)算模型。常用的土方測(cè)算法主要有方格網(wǎng)法、斷面法、等高線法、DTM法。

方格網(wǎng)法是將作業(yè)區(qū)域劃分為若干個(gè)正方形格網(wǎng),采用全站儀、RTK等設(shè)備采集地形點(diǎn),每個(gè)格網(wǎng)獨(dú)立計(jì)算填方和挖方,匯總后得到作業(yè)區(qū)域的填挖總土方量。一般來(lái)說(shuō),格網(wǎng)邊長(zhǎng)越小,精度越高。地貌平緩、地形簡(jiǎn)單的區(qū)域使用方格網(wǎng)法,精度較高,能準(zhǔn)確測(cè)算土方量, 但實(shí)測(cè)點(diǎn)須均勻分布,應(yīng)用范圍小,作業(yè)效率低。

斷面法是將作業(yè)區(qū)域分割成若干平行的橫斷面,根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算每個(gè)斷面的面積與斷面間垂距的乘積,該值即為土方量。斷面法對(duì)于道路、隧道、堤壩等線狀工程的土方計(jì)算精度較高,其他類型的地形工程的精度較低。斷面法計(jì)算過(guò)程耗時(shí)且繁瑣,實(shí)測(cè)點(diǎn)位的合理分布直接影響模型精度。

等高線法計(jì)算土方量是用等高線間圍起的面積與相應(yīng)等高距之積求取,等高距即為兩條等高線之間的高差。等高線法計(jì)算土方量精度較低,一般用于大范圍土方量的概略估計(jì),實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)中應(yīng)用較少。

DTM是地面模型的數(shù)字表達(dá)。DTM法是利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立不規(guī)則三角網(wǎng)的基礎(chǔ)上計(jì)算每一個(gè)三棱錐的土方填挖方量,構(gòu)建DTM模型的三角網(wǎng)中的點(diǎn)和線分布密度和結(jié)構(gòu)可以與地表特征一致,當(dāng)三角網(wǎng)趨于無(wú)窮多時(shí),可以無(wú)限接近地表的真實(shí)特征。DTM模型精度高,適用于任何地形的計(jì)算,但模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜,對(duì)硬件要求較高。

3 機(jī)載Lidar與傾斜攝影

建立土方測(cè)算模型,其數(shù)據(jù)依賴于外業(yè)采集的實(shí)測(cè)點(diǎn),實(shí)測(cè)點(diǎn)本質(zhì)上就是土方測(cè)算模型上的地面點(diǎn)。目前多以全站儀、RTK等設(shè)備為主采集地面點(diǎn),應(yīng)用地面三維掃描儀、機(jī)載Lidar、傾斜攝影也是近年發(fā)展迅速的新型測(cè)繪技術(shù)。全站儀、RTK等設(shè)備采集地形數(shù)據(jù)的精度高,且是其他測(cè)量手段參考的基準(zhǔn)。地面三維掃描儀對(duì)于平緩的地形采集速度快點(diǎn)云精度高,而受限于地面掃描的方式,且不適合在復(fù)雜地形區(qū)域作業(yè);機(jī)載Lidar以空中的俯視角度掃描,地形盲點(diǎn)區(qū)域少,點(diǎn)云的密度與飛行高度有一定關(guān)系;傾斜攝影使用空中飛行平臺(tái)加載多視角光學(xué)鏡頭獲取影像數(shù)據(jù),經(jīng)處理后可生成高密度點(diǎn)云,對(duì)于茂密的樹(shù)林則無(wú)法獲取準(zhǔn)確的地面影像數(shù)據(jù)。

針對(duì)上述特點(diǎn),本文提出使用傾斜攝影和機(jī)載雷達(dá)綜合應(yīng)用在大范圍土方測(cè)算中。機(jī)載Lidar是一種新興的將激光測(cè)距、慣性導(dǎo)航、差分定位技術(shù)融合的空間測(cè)量技術(shù),它以空中飛行平臺(tái)為為載體,激光為媒介,直接獲取空間實(shí)體的三維地形信息。機(jī)載Lidar不受日照和天氣條件的限制,具有獲取點(diǎn)位精度高、速度快、激光穿透能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),能獲取更多植被覆蓋區(qū)的地面點(diǎn)。Lidar數(shù)據(jù)反映了真實(shí)的三維地面,適合于植被覆蓋的大范圍掃描,垂直方向的精度可達(dá)到10cm,但存在盲目性,數(shù)據(jù)形式上呈離散分布,容易丟失一些關(guān)鍵的地形特征信息、光譜信息較弱、飛行帶寬較窄,成本高、數(shù)據(jù)采集慢等缺點(diǎn)。

傾斜攝影多角度多視野獲取范圍內(nèi)的影像數(shù)據(jù)。傾斜攝影采集的數(shù)據(jù)具有豐富的紋理信息,影像精度高,生成的點(diǎn)云分辨率高,適合于裸露地面區(qū)域的高質(zhì)量DTM的采集。傾斜攝影有著可見(jiàn)波段對(duì)地表覆蓋物的穿透能力極弱,不能直接獲取地面點(diǎn)三維坐標(biāo)等缺點(diǎn)。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

實(shí)驗(yàn)區(qū)域位于江西省贛江新區(qū),永修縣城以南,屬丘陵地帶,地形復(fù)雜,有林地、灌木、池塘、溝渠、水田及旱地,整體地勢(shì)西高東低,攝區(qū)面積大約4km2,范圍內(nèi)樹(shù)木茂密,植被茂密,種類較多,以杉樹(shù)、苗圃、油茶等為主。航攝時(shí)間在2021年1月初,航拍期間草地枯萎,水面較抵甚至干涸,利于獲取更多準(zhǔn)確的地面點(diǎn)。

機(jī)載lidar采用DJI M300無(wú)人機(jī)搭載北科天繪的蜂鳥GENIUS 32激光雷達(dá)系統(tǒng),相對(duì)航高80米,重疊度20,帶寬180m,激光采樣頻率640kHz,雙回波,測(cè)距精度2cm,系統(tǒng)測(cè)高精度0.1m。設(shè)備啟動(dòng)前,需提前架設(shè)靜態(tài)基準(zhǔn)站,機(jī)載Lidar作為流動(dòng)基準(zhǔn)站進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。采集時(shí)使用北科天繪的基于DJI Pilot App的數(shù)據(jù)記錄程序,實(shí)現(xiàn)自主控制激光雷達(dá)數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

傾斜攝影采用縱橫大鵬CW-10無(wú)人機(jī),搭載成都睿鉑定制的JR503五拼相機(jī)。航線采用縱橫飛圖進(jìn)行布設(shè),相對(duì)航高230m,航向重疊度70,旁向重疊度70,地面采樣分辨率2.6cm,下視角度鏡頭焦距35mm,其他角度鏡頭焦距40mm,像元尺寸3.9um。航飛三個(gè)架次,五鏡頭獲取照片總共約1.5萬(wàn)張。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量72個(gè)像控點(diǎn),像控點(diǎn)一般布設(shè)在道路拐角等有典型特征地點(diǎn),沒(méi)有標(biāo)志的地方布設(shè)現(xiàn)場(chǎng)涂抹油漆現(xiàn)場(chǎng)做好像控點(diǎn)標(biāo)記,部分沒(méi)有植被茂密的林區(qū)需提前布設(shè)像標(biāo)框。

5 作業(yè)流程

進(jìn)行準(zhǔn)確的土方測(cè)量就必須建立可靠的數(shù)字地面模型,機(jī)載Lidar獲取的點(diǎn)云,點(diǎn)云數(shù)據(jù)的離散隨機(jī)特性可能會(huì)丟失部分關(guān)鍵信息,導(dǎo)致計(jì)算不夠準(zhǔn)確,結(jié)合傾斜攝影生成的點(diǎn)云可以彌補(bǔ)部分關(guān)鍵信息。

機(jī)載Lidar處理流程:解算基站數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換LAS格式,將原始LAS文件(如圖1)導(dǎo)入Terrasolid進(jìn)行點(diǎn)云過(guò)濾,去除噪點(diǎn),濾出地面點(diǎn),保留地面點(diǎn)點(diǎn)云。

圖1 機(jī)載Lidar獲取的原始點(diǎn)云Fig.1 Original point cloud acquired by airborne Lidar

傾斜攝影處理流程:解算基站數(shù)據(jù),將照片POS轉(zhuǎn)換為國(guó)家2000坐標(biāo)系,使用Context Capture4.4.6進(jìn)行三維建模,生成數(shù)字表面模型即DSM(如圖2),實(shí)地測(cè)點(diǎn)檢測(cè)模型精度,帶符合精度要求后在Context Capture 4.4.6導(dǎo)出LAS格式的3D點(diǎn)云(如圖3),使用Terrasolid去躁、濾波,提取地面點(diǎn)LAS。

圖2 傾斜攝影生成的數(shù)字表面模型Fig.2 Digital surface model generated by tilt photography

圖3 傾斜攝影生成的3D點(diǎn)云Fig.3 3D point cloud generated by tilt photography

將傾斜攝影生成的3D點(diǎn)云和機(jī)載Lidar中的LAS點(diǎn)云數(shù)據(jù)合并,形成新的地面點(diǎn)LAS文件,池塘、溝渠等水面易出現(xiàn)空洞,需要用Inpho進(jìn)行內(nèi)插處理。

6 計(jì)算方法

在實(shí)際中有兩種常用土方量計(jì)算方法。(1)使用兩期法計(jì)算土方量匯總值。將LAS導(dǎo)入Arcgis生成DTM,即填挖方原始數(shù)據(jù)DTM,同時(shí)根據(jù)現(xiàn)狀數(shù)據(jù)或設(shè)計(jì)標(biāo)高生成現(xiàn)狀DTM或者設(shè)計(jì)DTM,使用填挖方計(jì)算功能,生成的填方挖方數(shù)據(jù)為匯總值。(2)使用坐標(biāo)法按網(wǎng)格計(jì)算土方量。將地面點(diǎn)LAS文件轉(zhuǎn)換為高程點(diǎn)文件,使用EPS建立計(jì)算模型。EPS2008提供了三角網(wǎng)、格網(wǎng)、高程點(diǎn)、水平面等四種方式計(jì)算模型的建立方法,并可根據(jù)需要設(shè)置方格網(wǎng)的邊長(zhǎng)。該方法得出的土方計(jì)算結(jié)果按格網(wǎng)顯示,直觀感強(qiáng),但對(duì)計(jì)算機(jī)配置要求較高。

7 精度分析

參考《城市測(cè)量規(guī)范CJJ T8-2011》要求,高程中誤差不應(yīng)大于0.15m,平面中誤差不應(yīng)大于0.25m。全圖根據(jù)地形特征共抽查136個(gè)高程點(diǎn),粗差4個(gè),高程中誤差11.17cm,平面點(diǎn)抽查36個(gè),粗差數(shù)量為0,平面點(diǎn)位中誤差為12.71cm,滿足現(xiàn)行1∶500地形圖規(guī)范要求。

點(diǎn)云使用配套的機(jī)載Lidar航飛質(zhì)量檢查軟件進(jìn)行質(zhì)量檢查結(jié)果符合要求。

8 結(jié)語(yǔ)

植被茂密區(qū),機(jī)載Lidar獲取的地面點(diǎn)較少,若地形波動(dòng)較大,容易導(dǎo)致模型中的數(shù)字地形與實(shí)際地形偏差。因此,此類區(qū)域需要使用Inpho對(duì)地形進(jìn)行擬合內(nèi)插高程點(diǎn),擬合之后須對(duì)地形進(jìn)行檢測(cè)確保符合地形的真實(shí)形態(tài),對(duì)陡坎等特征地貌加測(cè)實(shí)測(cè)點(diǎn)。水面容易產(chǎn)生空洞,若填挖方之后的地形或設(shè)計(jì)地形位于水面之下,此時(shí)還需要考慮結(jié)合水深測(cè)量進(jìn)行計(jì)算。

引用

[1] 袁建剛,嚴(yán)加棟.JSCORS RTK GPS技術(shù)在土方測(cè)量中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代測(cè)繪,2009,32(6):47-48.

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[3] 元媛,張小峰,段光磊.斷面法計(jì)算宜昌至枝城河段河道沖淤量的合理間距[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2014,47(2):149-155.

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[5] 李博,徐敬海.無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量土方計(jì)算及精度評(píng)定[J].測(cè)繪通報(bào),2020(2):102-106+112.

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