倾斜摄影测量在土方计算中的应用

杨成波

(湖北省地质局 地球物理勘探大队,湖北 武汉 430056)

城市建设和发展离不开工程建设。工程建设施工前必须对土石方量进行测量计算,它直接关系到工程投资及方案比选。实际工程项目中,因土方量计算精确性问题而产生的纠纷时有发生。只有土方量测量准确,才能进行合理的土方调配,降低工程费用,加快工程进度,提高工程质量。因此,选择合适的测绘方法精确地测定土方量十分重要。

土方计算是将需要计算的场地在平面上划分为若干个规则图形,然后在图形角点利用原始高程与设计高程的高差,计算出每个图形的平均高程,最后用图形的面积乘以平均高程得到每个图形的体积,将所有的图形体积求和就是所需测量的土方量[1]。在工程的土石方量测算中,目前比较常用的计算方法有以下几种:方格网法、断面法、DTM法、等高线法、区域土石方量平衡法和平均高程法。无论哪种方法,原始数据的获取是土方计算的基础,传统获取数据的方法是利用全站仪、GPS RTK进行野外数据采集,对于地形条件复杂且有遮挡的地方,传统测量方法无法准确获取数据,运用倾斜摄影测量技术可以快速获取现场图像,提取数据。

倾斜摄影测量是将传统航空摄影技术与数字地面采集技术结合起来的一种称为机载多角度倾斜摄影技术。通过飞行平台上搭载多台或多镜头传感器,从多个角度采集地面影像数据,经过数据预处理、空三测量、影像匹配生成三维模型[2],可以让用户从多个角度观察目标,更加真实地反映地物实际情况,并可直接利用成果进行长度、高度、面积、角度、坡度等属性的量测。在三维数字城市应用中,利用其大规模成图的特点,加上从倾斜影像批量提取和粘贴纹理的方式,能有效地降低城市三维建模成本。

倾斜摄影测量数据获取较快,每天可获取上万张影像,这样可以保证快速获取测区内的数据生成DEM、DOM,为土方计算提供依据,而且获取的影像分辨率高,在三维模型重建过程中有着重要作用。相比于传统的航空摄影测量,其应用更加灵活,对起飞降落要求较低。倾斜摄影技术的成本较低,无人机和高清数码相机就能满足要求。

1 倾斜摄影测量技术用于计算土方的方法

利用无人机倾斜摄影测量技术快速获取相片,生成三维模型,批量提取高程,利用土方计算软件进行方格网法计算土方量，流程如图1所示。

图1 生成流程图Fig.1 Generating flow chart

1.1 影像数据获取

在测区布设一定数量的控制点,使用无人机进行低空摄影,从多个角度获取地面影像。在拍摄影像的同时,记录下影像位置姿态参数、航高、航向重叠、旁向重叠、POS数据等参数。

生成三维模型的精度和分辨率与采集的影像精度和分辨率直接相关[3]。为达到预定的影像精度,航高的确定应满足如下计算公式:

影像精度[m/像素]×焦距[mm]×图像的最大尺寸[像素]=传感器宽度[mm]×拍摄距离[m][4]

根据预先设定的飞行路线和航高及曝光间隔进行无人机低空摄影,获取影像数据。

1.2 图像处理

影像获取后对倾斜影像进行预整理，将不同相机获取的相片进行分类,输入相机文件数据和POS数据,导入野外测量的控制点坐标,并在相应的影像上刺点,对影像名称和该影像对应POS数据的名称做修改,使其保持一致,之后将其分别导入到建模软件中。用于倾斜摄影模型制作的影像,不能进行任何修改,包括改变大小、镜像、裁剪、旋转、缩放、降噪、锐化、扭曲或调整亮度、对比度、色相、位深度、饱和度或色调[5]。

1.3 空三测量

结合记录的外方位元素,采取由粗到精的金字塔匹配策略,在每级影像上进行同名点自动匹配和自由网光束法平差,得到同名点匹配结果。同时建立连接点、连接线、控制点坐标、POS辅助数据的多视影像自检校区域网平差的误差方程,通过联合解算,保证平差结果的精度[6]。空三测量任务后影像信息完整,具有地理参考信息,且3D视图中具有影像及模型的简略视图。

1.4 生成三维模型

多视影像密集匹配,在匹配过程中充分考虑冗余信息,快速准确地获取多视影像上的同名点坐标,进而获取地面的三维信息,生成三维模型[7]。

1.5 模型处理

将生成的模型文件导入模型处理软件,将植被、房屋进行踏平,将空洞进行填充,生成地面高程模型。

1.6 高程提取

在模型处理软件中选择将高程按一定间距导出dat格式,在cass保存。

1.7 土方计算

应用土方计算软件将导出的高程作为原始高程，采用20 m×20 m方格网进行土方计算。

2 应用实例

武汉经济技术开发区(汉南区)吉利飞行汽车地块场平工程位于汉南区纱帽街(图2),场平总面积266 001.33 m2,地面标高一般在20～23.8 m之间。利用无人机倾斜摄影测量获取影像,用Smart3D软件处理获得三维模型,利用DP_modeler模型处理软件批量提取高程,生成高程数据文件,导入cass软件计算得到土石方量。

图2 工程地理位置图Fig.2 Geographic location map of engineering

2.1 野外数据获取

在地面测区用GPS RTK布设21个像控点,采用DJI GS PRO地面站软件进行航线规划及航拍控制,利用iFly D6六旋翼无人机五相机(iCam Q5)拍摄系统进行测区影像采集。共布置航线30条,采样间隔2 s,飞行面积1 km2,飞行高度120 m，飞行3架次,获取相片5 970张。

像控点采用GNSS实时动态定位(RTK)的方法进行测量。

航拍影像条件:①航拍的航线范围超出测区边界线100 m以上。②像片重叠度,航向重叠度为80%,旁向重叠为60%,像片倾角在5°以内,旋偏角<15°。③所拍摄影像资料的影像精度为2 cm;影像资料清晰,色彩均匀,饱和度良好,无去影和划痕,层次丰富,色差适中,获取影像质量完整、良好。

2.2 影像数据处理

影像数据采用Smart3D Capture进行处理,生产流程如图3所示。

图3 模型生成流程图Fig.3 Flow chart of model generation

在进行空中三角测量之前,先对原始影像进行预处理,将试拍的照片去除,对色差差异较大的照片做匀光处理,然后将其分别导入到Smart3D Capture软件中,输入相机文件数据、照片POS文件数据[8]。使用POS辅助空三平差,之后导入野外测量的控制点坐标,并在相应的影像上刺点,使用控制点与POS的联合平差,得出空中三角测量平面中误差为0.2 mm,高程中误差为0.05 mm。

进行影像密集匹配,找出同名像点,根据同名像点反算物方空间点,生成密集点云[9]。根据密集点云构建TIN模型,再把相应区域的纹理映射到模型上,得到三维模型,模型结果如图4所示。

图4 三维模型图Fig.4 Three-dimensional model map

2.3 植被踏平及高程提取

利用DP_modeler模型处理软件对漂浮物和植被、房屋遮挡部分进行处理。在网格编辑视图中,选择“平面选择”,开始选择踏平范围;将要踏平区域全部勾在范围内,选择“踏平”,将植被、房屋等突出地面的地表突出物踏平至地面;选择“立体选择”,运用多面体将要删除的漂浮物全部包围在内,调整好多面体的高度和底面高度,底面高度一定要与地面一致,选择“删除”,将地面漂浮物删除;经过踏平和立体删除后,地面高程就可以自动生成了。

在DP_modeler矢量测图图层管理器中选择一般高程点,用矢量图层管理器中线工具,将等高线的范围画出来,选择矢量范围线,选自动高程,按20 m选择一个高程点,软件将自动打出高程点。导出dat格式,在南方cass中保存。

2.4 土方量计算结果分析

首先在实地野外采集一定数量的高程点,根据采集数据,用南方Cass软件土方计算功能按23.0 m的标高计算出对应地形的土方量;之后用在三维模型上导出高程点计算土方量。

模型精度检验:在场地四周已建水泥道路上实测了69个点[10],同时在模型上选取同名点进行验证,结果见表1。

对比使用野外实地测点高程和用模型提取高程结果,两者的中误差为2.9 cm,最大误差为5 cm,在限差5 cm以内,模型精度满足测量精度要求。对比使用野外实地测点计算土方量和用模型提取高程计算土方量的结果如表2所示。

表1 野外实测高程点与模型生成高程点精度对比表Table 1 Comparison table of elevation point accuracy between field measured elevation points and models

表2 土方计算成果对比表Table 2 Comparison table of earthwork calculation results

由表中数据得知,两者相差13 250 m3,误差在6%左右,计算结果比较接近。模型测量结果填方量少于实际测量结果,其原因可能是现场土质较松,模型测量是测量地表高程,实测时由于测量设备自重导致实测高程低于地表高程,最终影响土方计算结果。需要说明的是,土方计算本来是一种估值,其结果是用于投资概算或估算,在实际应用中需结合现场进行验证,一般认为与计算结果在10%以内都是可行的。本次土方计算的结果说明,运用倾斜摄影测量方法建立三维模型,经过处理后提取高程进行土方计算的结果是可靠的。

无人机倾斜摄影进行土方测量具有如下优越性:

(1) 减少野外测量工作量。无人机进行土方测量,主要是野外少量相控点的布设和采集,加上无人机采集相片数据,相比于传统的野外测点,野外工作量较少,将主要工作转换到内业处理,较为轻松。

(2) 突出的时效性和性价比。对于地形复杂和面积较大的区域,用传统测量的方法周期长、难度大,而用倾斜摄影大范围成像的特点,可以快速获取大区域的数据,更快地对数据进行处理,更快地得出结果，且价格具有相当的优势。

(3) 成果丰富和后续处理能力更强。系统携带的数码相机等设备可快速获取超高分辨率数字影像和高精度定位数据,生成DEM、DOM、DLG。三维模型为土方计算中确定地表覆盖物、杆线迁改、房屋拆迁、土方调配等提供了可视化数据,便于进行优化设计和后续处理。

3 结论

倾斜摄影测量经过几年的发展,在测绘领域发挥着重要作用。倾斜摄影测量是非接触式的,在进行数据采集时具有高速度、高效率、高精度、大范围等特点,采集得到的图像分辨率高,可以经过处理生成初始三维模型。本文结合倾斜摄影测量的原理、特点以及其他有关快速获取地形数据的技术与方法,就倾斜摄影测量在土石方量计算中的应用进行研究,得出如下几点结论:

(1) 通过倾斜摄影测量,重建了目标区域的三维模型,用该模型进行土石方量计算,结果与野外实地测量计算的结果相差不大,表明倾斜摄影测量技术可以应用于土方工程的测量。

(2) 对于植被覆盖和建筑群区的倾斜摄影测量土石方量计算,提供了用模型处理软件进行处理的解决方法。

(3) 土方计算的精度主要取决于高程,生成三维模型的精度和分辨率与采集的影像精度和分辨率直接相关。应综合考虑地面分辨率、重叠度以及工作量和安全等因素,在满足各项技术精度指标的前提下,布置较为适宜的航高。

应当指出,本文研究倾斜摄影测量技术在土方计算中的运用,是在地形比较平缓的情况下进行的,在复杂地形情况下的应用效果还需进一步验证。