多種測繪技術(shù)對同一土方量算方法研究及精度分析

太浩宇，夏永華

(1.昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093；2.云南高校高原山區(qū)空間信息測繪技術(shù)應(yīng)用工程研究中心，云南 昆明 650093)

1 引 言

計算機技術(shù)的發(fā)展為測繪帶來了更多的數(shù)據(jù)收集、提取和處理手段也給我們帶來了更多關(guān)于土方計算方法的思考[1]。隨著測繪技術(shù)的不斷更新，擁有了多種獲取測繪數(shù)據(jù)的方式方法，在工程建設(shè)過程中土方量算的方式變得多種多樣。傳統(tǒng)的土方測量方法工作量大，不易在計算機上實現(xiàn)，不能有效利用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)[2]。在工程建設(shè)過程中土方量算精度是否準(zhǔn)確直接關(guān)系到工程建設(shè)中各方面經(jīng)濟利益，故要確保土方量算的準(zhǔn)確性。土方量算中常用的量算方法有DTM(Digital Terrain Model；數(shù)字地面模型)法、斷面法、方格網(wǎng)法和等高線法，不同的量算方法其量算結(jié)果也有差異。DTM法是利用所測土方特征點與高程點構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)進行土方量算；數(shù)據(jù)所建立的不規(guī)則三角網(wǎng)模型能更好反映實際地形。斷面法主要是將實際地形以某分割路線分割若干橫斷面，通過計算橫斷面面積根據(jù)菱形體積計算方法量算土方量；斷面法更適用于沿縱向延伸及不規(guī)則地形土方量算。方格網(wǎng)法是利用一定邊長正方形格網(wǎng)對土方量算區(qū)域分割，內(nèi)插計算各格網(wǎng)點高程及差值，通過高差擬合計算每個格網(wǎng)土方填挖方量，總和得到總土方填挖量；其計算相對簡單，適用性廣泛。等高線法是通過地形特征點形成一組地面高程等值線顯示地形，利用相鄰兩條閉合等高線內(nèi)插高程所圍成的面積與高差計算土方量。DSM(Digital Surface Model)即數(shù)字表面模型，它不同于DTM數(shù)字地形模型，其包含了地表建筑樹木等除地面信息以外的其他特征點信息；對于無人機傾斜攝影測量所建立的三維模型與無人機載激光雷達點云模型實則為數(shù)字表面模型，通過對數(shù)字表面模型直接范圍量算可獲取土方量。對土方進行量算時，每種量算方法都有各自的優(yōu)點和局限性，考慮各方面因素選擇合適的量算方法，達到最優(yōu)的目的[3]。土方量算以外業(yè)實測特征離散點坐標(biāo)為基礎(chǔ)，通過建立相關(guān)土方計算模型來獲取土方量，因此，土方量的計算精度取決于所測量特征點位的精度和密度[4]。本文將對研究區(qū)域采用DTM法、方格網(wǎng)法與DSM直接量算法對土方量算及準(zhǔn)確性進行分析。

對于土方數(shù)據(jù)采集，傳統(tǒng)采集方式主要是利用RTK(real time kinematic)技術(shù)或全站儀人工采集，測繪設(shè)備技術(shù)不斷更新后，基于無人機傾斜攝影測量技術(shù)與無人機載激光雷達掃描技術(shù)的數(shù)據(jù)采集迅速興起。無人機傾斜攝影測量技術(shù)以范圍廣、精度高等方式感知空間地理信息，建立的三維可視化數(shù)據(jù)更加真實地反映空間地理信息的地理位置、外觀、高度等屬性特征，從多方位、多角度地對地形地物進行數(shù)據(jù)采集獲取更多三維信息。擁有“全要素、真紋理”的全息表達能力、高精度、豐富的可測性、低成本、高效率等優(yōu)勢[5]。無人機載激光雷達掃描技術(shù)通過對不規(guī)則、復(fù)雜地表進行連續(xù)、快速、大面積、非接觸掃描，將單站掃描擴展為整體掃描，無人機機載激光雷達掃描技術(shù)能將地表上的點、線、面體、地表三維模型等幾何數(shù)據(jù)快速重構(gòu)出來，可對調(diào)查對象的整體變化、細節(jié)特征進行詳細了解[6]。

2 數(shù)據(jù)采集

本文以昆明市某高校的場地平整土方量算工程為例進行土方數(shù)據(jù)外業(yè)采集，研究區(qū)域平場面積約 7 856 m2平場設(shè)計標(biāo)高為 1 883 m，大部分區(qū)域為裸露土地帶有零星植被，研究區(qū)域現(xiàn)狀如圖1所示，研究區(qū)域分別通過RTK人工測量、無人機傾斜攝影測量與無人機機載激光雷達測量進行數(shù)據(jù)采集。

圖1 研究區(qū)域概況及范圍線

2.1 人工RTK數(shù)據(jù)獲取

傳統(tǒng)土方外業(yè)數(shù)據(jù)獲取主要以RTK技術(shù)人工測繪的方法進行地形點測量，需測量人員抵達每一個地形特征點，逐點采集獲取數(shù)據(jù)，其工作效率不高，地形特征點密度較低。本研究區(qū)域采用中海達RTK在已知3個地面控制點上進行參數(shù)校正，對研究區(qū)域以 5 m一個地形特征點進行數(shù)據(jù)采集。

2.2 無人機傾斜攝影數(shù)據(jù)獲取

無人機傾斜攝影測量技術(shù)是非接觸式的，外業(yè)數(shù)據(jù)采集具有速度快、效率高、精度高、范圍大的特點，采集得到的圖像分辨率高，經(jīng)過處理可以生成三維表面模型。研究區(qū)域采用DJI PHANTOM 4 PRO消費級無人機對研究區(qū)域進行數(shù)據(jù)采集，外業(yè)數(shù)據(jù)采集流程如圖2所示。研究區(qū)域共布設(shè)了8個像控點，利用RTK以對中桿的形式對像控點進行坐標(biāo)采集，采用昆明87坐標(biāo)系。根據(jù)研究區(qū)域現(xiàn)場情況為滿足土方量算精度需求，航線規(guī)劃步驟中無人機飛行高度設(shè)置為 60 m，采用單鏡頭飛五鏡頭飛行模式，航向重疊率為90%，旁向重疊率為80%，相機云臺俯仰角度正射為90°傾斜為45°，經(jīng)過對原始影像數(shù)據(jù)檢查篩選出 1 055張影像進行研究區(qū)三維模型建立。

圖2 無人機外業(yè)數(shù)據(jù)采集流程圖

2.3 無人機機載激光雷達數(shù)據(jù)獲取

激光雷達是新型激光傳感器。在對地觀測領(lǐng)域，其最初目的是為獲取高精度數(shù)字表面模型。經(jīng)點云去噪、濾波，獲得剔除植被、人工建筑等以后的數(shù)字地面模型。與傳統(tǒng)的測繪方法相比，激光雷達顯示出許多有前途的優(yōu)點，例如收集高密度和大規(guī)模點云的效率高，有利于地形的詳細表示[7]。研究區(qū)采用華測無人機載激光雷達進行數(shù)據(jù)采集，并在現(xiàn)場進行采集數(shù)據(jù)下載、POS數(shù)據(jù)解算、點云數(shù)據(jù)解算和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的預(yù)處理，外業(yè)數(shù)據(jù)采集流程如圖3所示。

圖3 無人機載激光雷達外業(yè)數(shù)據(jù)采集流程圖

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方法

RTK技術(shù)人工測繪的土方外業(yè)數(shù)據(jù)采用南方CASS 10.1軟件進行土方量算。為了對比不同數(shù)據(jù)的土方量精度的準(zhǔn)確性，采用DTM法與方格網(wǎng)法，邊界采樣間距以 2.5 m、5 m、10 m和 20 m進行土方量算，量算結(jié)果如圖4所示。

圖4 RTK技術(shù)人工測繪土方內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理圖

3.2 無人機傾斜攝影測量數(shù)據(jù)處理方法

(1)三維傾斜模型建立

處理無人機航片數(shù)據(jù)時采用Context Capture軟件進行三維傾斜模型建立。Context Capture實景建模軟件是一套不需太多人工干預(yù)的通過影像自動生成高分辨率的三維模型軟件，模型建立可為后續(xù)模型修模提供支持。研究區(qū)域航片數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件中加載云臺相機參數(shù)并導(dǎo)入像控點數(shù)據(jù)進行影像刺點。刺點完成進行空中三角測量如圖5所示，其目的是通過測量相應(yīng)的像控點等像點坐標(biāo)以解析或數(shù)字的形式建立三維立體模型并進行數(shù)值解算。解算完成后進行三維模型構(gòu)建，根據(jù)電腦運行內(nèi)存研究區(qū)分為16個瓦片，設(shè)置其余參數(shù)后生成OSGB與OBJ格式的三維模型如圖5所示。

圖5 空中三角測量結(jié)果(左)與三維模型(右)圖

(2)模型土方量算

研究區(qū)域三維模型首先采用南方Cass 3D軟件進行土方量算。對模型進行地物特征點采集，同人工測繪的方法一致，對研究區(qū)域進行DTM法與方格網(wǎng)法的4種邊界采樣間距土方量算。建立的研究區(qū)域三維模型還可采用DSM直接量算法在Context Capture Viewer軟件土方量算如圖6所示。

圖6 DSM直接量算法傾斜模型土方量算

基于傾斜攝影測量技術(shù)構(gòu)建的三維模型中含有懸浮物碎片、植被等地物對DSM直接量算法所得土方量的準(zhǔn)確性產(chǎn)生較大干擾，因此利用DP-Modeler軟件對研究區(qū)域三維模型進行干擾因素如植被的剔除。DP-Modeler模型修飾在OBJ格式三維模型上進行，通過踏平、刪除、補洞及貼圖等操作，改善維懸浮物、道路凹凸、紋理拉花及水面缺失等問題。在DP-Modeler工程中，首先分別導(dǎo)入OSGB和OBJ格式瓦片數(shù)據(jù)，然后在OBJ數(shù)據(jù)上進行模型修飾，完成修飾的OBJ瓦片后再轉(zhuǎn)換成OSGB格式[8]。修改后的三維模型再進行土方量算，模型修改前后如圖7所示。

圖7 模型植被剔除前(上圖)后(下圖)對比圖

3.3 無人機載激光雷達數(shù)據(jù)處理方法

對激光雷達數(shù)據(jù)后處理采用CoProcess華測點云后處理軟件，對研究區(qū)域數(shù)據(jù)進行分割刪除、噪點處理、壓縮采樣等。地面點分類是將點云濾除地面以上的地物，如植被建筑物等僅保留地面的點云，是土方量算不可或缺的步驟，處理后點云模型如圖8所示。處理后的點云模型可直接進行軟件土方量算。

圖8 處理后激光雷達點云數(shù)據(jù)圖

處理后的研究區(qū)域點云模型還可以輸出LAS點云格式，將點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Context Capture Viewer軟件進行OSGB格式的三維模型的建立，建立的研究區(qū)域三維模型可采用DSM直接量算法土方量算，量算結(jié)果如圖9所示。輸出后三維模型再在Cass3D軟件上，同人工測繪的方法一致，對研究區(qū)域進行DTM法與方格網(wǎng)法的4種邊界采樣間距土方量算。

圖9 DSM直接量算法模型土方量算圖

4 精度分析

4.1 模型精度檢驗

在研究區(qū)域選取的52個地物地貌特征點對人工測繪、無人機傾斜模型和機載點云生成的三維模型高程數(shù)據(jù)進行對比分析。根據(jù)《工程測量規(guī)范》(GB50026-2007)每幅圖檢測點數(shù)不少于20個且均勻分布，其高程中誤差公式為：

(1)

式中，Mh為模型的高程中誤差(m)；n為檢查點個數(shù)；△hi為檢測高程與模型高程較差(m)。其高程殘差精度統(tǒng)計圖如圖10所示。

圖10 高程殘差精度統(tǒng)計圖

人工測繪檢查數(shù)據(jù)與無人機傾斜模型數(shù)據(jù)高程中誤差計算得 0.050 016，人工測繪檢查數(shù)據(jù)與機載點云生成的三維模型數(shù)據(jù)高程中誤差計算得 0.065 691；根據(jù)GB50026-2007《工程測量規(guī)范》數(shù)字高程模型格網(wǎng)點的高程中誤差限差為1/3hd(hd為基本等高距；一般地區(qū))即研究區(qū)域高程中誤差限差為0.3，模型精度滿足規(guī)范要求。

4.2 土方量算精度分析

為分析不同數(shù)據(jù)采集的數(shù)據(jù)土方量精度的準(zhǔn)確性，通過Cass.10.1Cass3D軟件對多種模型進行DTM法與方格網(wǎng)法的4種邊界采樣間距土方量算，其DTM法量算結(jié)果如表1所示，方格網(wǎng)法如表2所示。

DTM法不同邊界采樣間距土石方量算表 表1

方格網(wǎng)法不同邊界采樣間距土石方量算表 表2

由量算表格可知DTM法傾斜攝影測量模型最大挖方誤差率為1.4%，最大填方誤差率為3.5%，機載激光雷達模型最大挖方誤差率為0.7%，最大填方誤差率為2.2%；方格網(wǎng)法傾斜攝影測量模型最大挖方誤差率為1.5%，最大填方誤差率為3.3%，機載激光雷達模型最大挖方誤差率為1.9%，最大填方誤差率為3.9%滿足土方量算要求；通過兩種土方量算方法看出邊界采樣間距越小，模型量算越可靠。

而通過DSM模型直接量算法對無人機傾斜模型量算結(jié)果挖方量為 23 571.925 m3填方量為 1 923.186 m3，無人機載激光雷達模型量算結(jié)果挖方量為 23 537.354 m3，填方量為 1 938.500 m3；對模型進行修飾、植被剔除后，土方直接量算精度可靠。

5 結(jié) 論

土方量算在工程建設(shè)過程中是必不可少的環(huán)節(jié)，土方量算精度是否準(zhǔn)確直接關(guān)系到工程建設(shè)中各方面經(jīng)濟利益。本文研究了基于多種測繪技術(shù)對同一土方量算方法，探討了不同數(shù)據(jù)模型在不同邊界采樣間距與模型直接量算的土方量算精度的準(zhǔn)確性，其中以DTM法所計算的 2.5 m邊界采樣間距的各類模型土方量算精度最高。通過研究區(qū)域土方量算結(jié)果看出，基于無人機傾斜攝影測量技術(shù)與無人機載激光雷達技術(shù)的數(shù)據(jù)采集比傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方式其作業(yè)迅速，勞動強度低，成本可控。在工程建設(shè)過程中以傳統(tǒng)技術(shù)手段與新興技術(shù)相結(jié)合為土方量算提供了高效的數(shù)據(jù)支撐。