无人机摄影测量在石料堆存计量中的应用

李增辉，聂洪斌

（1.中国港湾工程有限公司，北京 100027；2.中交四航局第二工程有限公司，广东 广州510230）

关键字：无人机；摄影测量；石料计量

引 言

科伦坡港口城项目位于斯里兰卡首都科伦坡，地处高尔路西侧，科伦坡国际集装箱码头南侧。工程主体由陆域吹填防波堤、拦砂坝、潜堤、护岸、游艇码头、陆域吹填以及陆上各种建筑结构组成，其中外防波堤总长3 245 m，拦沙坝长677 m，护岸长约8.6 km。水工主要结构由石料抛填而成，石料总需求量达320万m³，石料采购规模大、费用高、工期短、堆存场地有限等因素致使精准快速计量成为工程成本控制的关键环节。

图1 项目航拍

工程石料需求量大、工期短、堆储场地小，需及时更新石料堆储数据；设计石料规格种类多，石料堆放的平整度和密实度影响测量进度和计量精度；石料从项目30 km以外采石场运输至工程现场，路程远，成本高，计量成果的精度更是直接影响工程石料采购成本控制；大块石堆放平整度差，传统手持RTK-GPS测量易受作业环境影响，更新计量数据进度缓慢，堆放不平整的块石容易倾倒，导致测量人员受伤事故时有发生。因此，研究采用先进的测量技术对类似工程具有现实意义。

1 无人机摄影测量优势

无人机摄影测量是遥感领域用于测绘生产的高新技术，在使用过程中测量精度高，人力及资金投入量少，采集数据量大，时间效率高，方便大区域作业，使用操作灵活，对作业环境要求低。针对在工程石料计量中的应用，设备体积比较小，结构简单，作业人员使用遥控器即可进行操作控制，设计飞行区域和航线，可以实现自主飞行拍摄，整体工作流程自动化水平高、安全方便，操作人员经过简单培训就能上手；无人机在1 km以下相对高度飞行无需报批空管，起降场地无特殊要求；空中遥控拍摄，无需接触石料堆，避免人员攀爬石料堆发生安全事故。利用传统全站仪和 RTK测量计量一次需要持续测量5～6天，数据更新时间慢，石料堆存计量信息更新滞后，而无人机摄影测量快速、精准、高效地获取石料堆存信息数据，1～2人就能开展工作，降低人力成本，减少测量时间，高效准确地采集石料堆存数据。

2 无人机摄影测量系统组成

无人机摄影测量是以无人机为飞行平台，以高分辨率数码相机为传感器，利用GPS导航定位系统以及数据处理系统获取大面积、真彩色、大比例尺、现势性强的数字影像数据[1]。无人机摄影测量主要用于基础地理数据的快速获取和处理，为制作正射影像、地面模型或基于影像的区域测绘提供简捷、可靠、直观的应用数据。无人机摄影测量系统由无人机摄影平台、飞行控制系统和地面监控系统组成。

2.1 无人机摄影测量平台

无人机摄影平台是利用无人机装载摄影相机，利用GPS（全球定位系统）进行导航的航空摄影平台，其优势在于快速、精准、高效地获取地理信息数据。

2.2 飞行控制系统

无人机飞行控制的核心就是飞行控制系统，通过无线通讯传输控制无人机的飞行路线、高度、姿态、数据采集等工作，实时控制飞行平台的工作状态，实现信息采集任务。

2.3 地面遥控系统

全向天线、监控软件、电源系统和便携式控制器构成了地面遥控系统，各组成部分紧密结合相互关联，作业人员可以操作地面遥控软件，进行相关飞行数据设定，包括导航模式的选择、相机曝光、基本飞行参数的设置、航线规划和航点输入等，还有航拍数据的输出和上传，以及突发条件下报警设置等。实际操作中将机载飞控系统和数据链进行链接，飞行过程中的实际信息和数据就可以随时传递，更加方便操作。

3 摄影测量原理

根据透镜成像原理，摄影瞬间像点、投影中心、物点位于同一条直线上并构成一定的几何关系，描述这三点共线的数学表达式称为共线条件方程。共线条件方程是指中心投影的构像方程，是摄影测量中最基本、最重要的关系公式，在摄影成像过程中，摄影中心 S（Xs，Ys，Zs）、像点 a（x，y）及其对应的地面点A（X，Y，Z）三点位于同一直线上（如图2）。

图2 共线方程示意

式中：x，y为像点的像平面坐标；x0，y0，f为像片的内方位元素；X，Y，Z为对应地面点的地面坐标；Xs，Ys，Zs为投影中心的地面坐标；ai，bi，ci(i=1,2,3)为像片旋转矩阵的方向余弦[2]。

共线条件方程是将像点坐标转换为地面点大地坐标的工具，通过方程式计算可以解算出像片上各个像点对应的地面点的大地坐标，可以利用数字等高模型与共线方程制作正射影像。

3 无人机摄影测量流程

本文以无人机为载体（性能参数如表1、表2），运用摄影测量处理软件，探索无人机摄影测量在石料计量中的应用。

表1 飞行器性能参数

表2 飞行器携带相机性能参数

3.1 测量数据采集

1）航线规划

图3 航线布置

图4 像片重叠示意

无人机飞行控制航线规划路径有规则路线飞行、多边形路线飞行、旋转绕飞、自由飞行等路线，由于港口城项目石料堆场集中有规则的分布在平坦的砂地，最大高差在10 m以内，故计划航线采用规则路线（如图 3）飞行，根据大疆无人机性能和航测精度选择飞行高度90 m。为了满足航拍内业处理及航测精度，航拍像片拍摄还需满足像片航向不少于75 %重叠和旁向不少于15 %重叠，像片重叠示意如图4。

2）布设和采集像片控制点

像片控制点是像片坐标系与地面坐标系连接的纽带，是为转换像片点与地面点位置信息而在实地布设并测定三维坐标的控制点。因此在无人机航拍前，需预先布设像片控制点标志，控制点标志尺寸需达到地面分辨率的 5～10倍，并均匀分布在测量区域。由于像片点与地面点坐标转换和地面模型的重建至少需要3个像片控制点，本次石料航拍在测量区域均匀布设4个像片控制点并用GPS采集控制点的大地坐标，像控点布设位置及标志如图5。

图5 像控点布置图及标志

3）航片数据采集

按照飞行计划将无人机放置于待航拍区域内，检查无人机电池电量和各个部件状况完好，连接飞控软件开始起飞航拍并采集影像。测量飞控软件会按照设置好飞行路线及像片重叠率自动记录并存储航拍图片。

3.2 测量数据处理

运用航拍影像处理软件，经过简单的设置即可实现全自动化航拍像片处理，处理流程[3]如图6。

图6 影像处理流程

航拍图像处理之前，在软件中设置与无人机相机对应的型号参数，导入航拍像片，配置像片属性，选择像片坐标系统和航拍处理区域，导入像片控制点并在对应的航拍像片上标记像片控制点，像片控制点的标记精度直接影响数据处理精度，图片放大倍数越高，标记准确度越高，像片经过初始化处理后得到的像控点的计算坐标信息。像控点初始坐标与计算坐标误差如表3，从表3中误差值可以得到，通过软件处理解算像控点坐标与初始坐标误差在±10 cm左右。

表3 像控点初始坐标与计算坐标误差

4 无人机摄影测量与常规测量数据对比

为了验证通过无人机摄影测量技术采集、处理数据的可靠性，将Pix4D处理得到的点云数据与常规测量手段（RTK和全站仪）得到的数据进行对比，随机选择几组不同规格是石料进行方量计算，为了能反应二者之间的差值，采用相同的土石方计算软件和统一的计算方法进行比对。计算结果见表4。

表4 石料方量计算对比

通过计算对比，石料堆存方量越大，相对误差越小，石料规格小，相对误差越小，分析原因：石料堆存体积大，边线及轮廓清晰，易于航拍识别；石料堆存体积小，堆存相对集中不利于航拍识别，数据处理时容易造成轮廓选取不准确，存在一定误差。另石料规格较大的2～5 t块石，由于无人机航拍能获得更接近实际的石料表面数据，相对于常规测量方法能得到海量的测量数据，故通过无人机摄影测量方法得到的石料方量更准确些。无人机摄影测量数据与常规测量方法得到的数据测得石料方量数据基本一致，最小相对误差在5 %以内，平均相对误差在±7.5 %左右，符合规范计量误差要求，能够满足石料堆存方量计量要求。通过无人机摄影测量和传统测量成果数据比对分析，两者结果差值较小，特别是在堆放密实度好、平整度好的1～500 kg规格石料区，两者测量成果差异较小；规格较大，平整度和密实度较差的2～5 t大块石，由于采集数据量差别大两者测量成果有一定的差异，但整体可控，在方量测算允许相对误差10 %范围内。在工作效率上，传统测量方法前后用了7天时间，而无人机摄影测量在本次测量中仅用了2小时就完成了数据采集和后处理计量工作，可见无人机摄影测量在石料计量中的作业效率是惊人的。

图7 石料方量相对误差曲线

4 结 语

无人机摄影测量在工程施工中的应用是一次突破和创新，主要体现在通过高新技术在施工中的应用减少了人力成本投入、节省工作时间，在精度满足要求的情况下高效作业提高进度，受天气和作业环境影响较小，为工程进度提升、成本节约、质量可控提供有力的保证，此创新点对于类似工程施工具有一定的借鉴性。

目前无人机摄影测量技术已不断扩大在施工领域中的应用，但无人机摄影测量作为新兴技术在工程测量精度方面还能只能满足亚米级测量需求，整体精度还有待进一步提高。而对于地形复杂，航拍对象受房屋建筑、植被树林等障碍物遮挡还不能穿透测量，仍需要传统的测量方式配合，因此，无人机摄影测量在施工中的应用仍然是一个不断探讨的课题。