倾斜摄影测量技术在纸浆厂木片资产管理中的应用

冯正茂 陈桃红 苏玉峰 伍浩如

（1.广西安全工程职业技术学院，广西南宁，530100；2.广西民族大学，广西南宁，530006；3.广州南方测绘科技股份有限公司南宁分公司，广西南宁，530022）

规模较大的纸浆厂为了维持正常的连续生产，应对季节性的材料变化，需要把收购回来的木片等原材料进行贮存，贮存过程中还可以改进原料质量，减少并均匀水分，自然发酵，降低树脂、脂肪、果胶、淀粉、蛋白质等有害成分的含量。所以大型的纸浆厂都会有一个面积很大（几百亩）的材料露天堆场。露天堆场的木片原材料是纸浆厂重要资产，为了对纸浆木片资产进行动态、有效地管理和审计，除了每天详细记录堆场新进材料量和输送生产的出料量之外，还需要对整个堆场的原材料总量（木片堆的体积总和）进行定期（如每个月一次）的盘点[1-2]。盘点工作采用传统的测绘技术手段进行，工作量大、误差大、效率低、历时长，无法做到按时按点完成统计工作，需要探索和采用新的技术手段。

倾斜摄影测量技术是一项新兴的技术，在很多领域都有着较好的应用效果。该技术融合了传统的航空摄影、近景摄影测量、工程测量、计算机视觉技术。该技术需将单台或者多台传感器装设在同一飞行平台上，从垂直、前视、后视、左视、右视等多个视角完成影像信息的采集，可以得到较为完整的地物影像信息[3-4]。再借助专业电脑软件，加入高精度像控点测量的数据，在尽量减少人力参与的前提下，可以较精确地完成模型的自动化构建，生成地物的三维模型，用于地物的360°浏览，物体点坐标、距离、面积和体积等数据的测量、计算和分析[5]。

1 项目背景及区域概况

某大型纸浆厂的材料露天堆场面积约433333 m2（650 亩），整个堆场由排水沟和绿化树木分隔成3 个片区，场地较为平整。整个堆场37 座木片堆，所有木片堆设计先堆存后筛选，先进先出。木片水分均匀，木片密度变化较小，木片尺寸均匀。每次对材料总量的盘点都确定时点，分别测算各个木片堆的体积，需要统计确定某个时点的材料总量。采用传统的测绘手段，用皮尺或者全站仪逐个测出各个木片堆的堆底长宽度、堆顶长宽度和堆垛高度，然后再计算木片堆的体积进行汇总统计。工作量大、精度低、效率低，无法满足资产管理盘点工作的要求。

本项目研究了用倾斜摄影测量技术解决露天堆场木片原材料总量盘点的难题。采用南方测绘天行HO1300 八旋翼无人机平台搭载索尼RX1RⅡ传感器，对木片露天堆场及周边范围进行完整的低空影像照片数据采集和像控点坐标测量。利用天云系统Altizure软件或者Context Capture Center 软件进行空三解算和自动化建模处理，建立整个露天堆场的三维模型。分别量算堆场模型里各个木片堆的体积，跟传统测绘技术手段做了精度比对，为露天堆场木片原材料总量统计盘点选择更优的技术解决方案。

2 倾斜摄影测量的技术解决方案

倾斜摄影测量构建实景三维模型的工作，主要有倾斜航空摄影、像控测量、空中三角测量、三维建模等作业环节[6]。本研究采用天行HO1300 八旋翼无人机平台搭载单台索尼RX1RⅡ传感器，平台包含两套独立工作的GPS、磁罗盘、IMU。飞行平台及传感器的主要参数如表1所示。

2.1 像控点布设和测量

为了保证三维建模的高精度，在整个露天堆场内均匀地布设了10 个像控点（露天堆场示意图和像控点点位分布图如图1所示），使用GNSS RTK方式分别测量了各像控点高精度的CGCS2000 三维坐标，保证像控点精度达到厘米级，以便空三解算时刺点和输入坐标作为空三解算的起算数据，从而保证空中三角测量精度。

表1 飞行平台及传感器的主要参数

图1 露天堆场示意图和像控点点位分布图

2.2 倾斜航空摄影

为了获得高质量的航摄影像，保证更高的建模精度，先进行航线规划，把整个测区（露天堆场）分成3 个片区，各片区有部分交叉重叠。选择晴好的天气，对3 个片区各航拍1 个架次，共飞3 个架次。飞行高度80 m，影像地面分辨率为0.01，航向重叠度设置为80%，旁向重叠度设置为65%。每个架次都要检查影像清晰度，保证航摄精度，3 个架次共采集影像照片1854张。

2.3 空中三角测量

空中三角测量是利用一个区域中多幅影像连接点的影像坐标和很少的已知影像坐标及其物方空间坐标的地面控制点，通过区域网平差计算，求解连接点的物方空间坐标与影像的外方位元素，称为区域网空中三角测量[7]。航拍外业结束后，进行数据准备，下载1854 个POS 数据跟对应的影像照片匹配，提取倾斜影像连接点，进行光束法区域网平差的初始空三计算。该操作要借助倾斜建模软件Altizure 软件或者Context Capture Center 软件完成，软件系统会自动计算或识别连接点。计算过程中，出现了少数与实际要求不相符（如倾角过大）的数据，影响了空三计算结果，针对这种情况，为了提高数据精度，直接将不符合要求的数据剔除，再次进行计算或者多次计算。空三计算完成后，再输入各个像控点的坐标，找到对应的影像照片进行刺点，然后选择连接点保持、位置与角元素重新计算，再次进行解算，以纠正和转换所有连接点的坐标。

在空三计算的过程中，也可能会出现由于相机畸变等原因造成航线弯曲、存在分层或交叉的现象，导致空三计算无法完成，这时可以尝试换一款软件重新计算，或者直接输入各个像控点的坐标，刺点之后，再重新进行空三解算，计算结果得到连接点的坐标就是纠正和转换过的坐标。空中三角测量流程见图2。

图2 空中三角测量流程图

本研究项目场地平整，飞行平台比较平稳，飞行高度较低，航拍前传感器做了校正，消除了相机畸变，影像重叠度较高，像控点均匀分布且点测量坐标精度较高，所以空中三角测量精度比较高，空中三角测量精度分析报告如表2 所示。由表2 可知，10 个检查点的三维均方差为0.012、水平均方差为0.012、垂直均方差为0.001。为下一步建立三维建模提供了很好的数据质量保证。

2.4 建立三维模型

空中三角测量计算完成，检查数据合格后，接下来就是构建实景三维模型。三维建模软件系统按照影像数据，按最佳算法进行匹配，对应同名点，然后通过特征点的提取，形成密集点云。再结合空三测量计算结果，确定影像之间的关系，完成三角TIN 的建立[8-9]。最后根据三角TIN 形成白模，计算影像纹理，通过纹理映射与白模相对应，实现三维模型的建立。

目前，在倾斜三维建模领域中，主要建模的系统软件主要有天云系统Altizure 软件、Context Capture 软件、街景工厂Street Factory、PhotoScan、PhotoMesh、瑞士Pix4d 等[10]。这些软件均可针对整个航摄区域构建三维模型，自动化程度和建模的效率均比较高。

本研究使用天云系统Altizure 软件进行自动化建模处理，生成三维模型和传统测绘数据进行精度比对。电脑集群采用主模块——线程模块的运行模式，进行网格并行计算，由30台工作站构成，装设有Engine 与Master。控制点坐标采用2000 国家大地坐标系，选择的建模区域为航摄露天堆场全区，提交软件构建模型，瓦片边长为60 m，共204块瓦片，占电脑近2/3 的运行内存，成果输出按照OSGB 格式进行。瓦片生成后，创建一个模型索引文件整合全部模型瓦片场景。建模工作流程见图3。

空三计算成果质量较高，加上拍摄时能见度很好，木片露天堆地物镜面反射现象很弱，影像分辨率较高，纹理映射效果很好，所以建立的模型质量较高，精度高，从而更好地保证了木片堆体积计算的精度。

3 露天堆场里各个木片堆体积的计算

露天堆场的三维模型建好后，在模型上测量选择几个形状比较规则的木片堆底部长宽、顶部长宽和木片堆高度，同时量取了地面的标志线长度距离等数据跟实地用皮尺和全站仪测量的数据对比，相差均在2 cm 以内（如表3 所示），很好地满足了计算木片堆体积的要求。地面标志长度线和木片堆尺寸示意图分别见图4和图5。

表2 空中三角测量精度分析报告

图3 建模工作流程图

表3 模型尺寸和实量尺寸的对比表

在传统的计算土方量或体积的技术方式中，用全站仪或GNSS RTK 设备进行数据采集，都是以点方式进行测绘工作，得到的地形数据有限，每100 m2大约只有4～5 个平高点，地形图的土方工程量统计采用方格网法，根据方格网的4 个顶点拟合高程进行计算，这是一种模糊拟合的算法，所以数据精度不高。倾斜摄影测量的三维模型生成了大量带有平面位置与高程数据信息的点，点密度高达60 个/100 m2以上，构成三角网，采用三棱锥法自动计算土方量，大大地提高了精确度，也提高了木片堆的体积计算精度[11-12]。这些过程借助专门软件完成，效率很高。木片堆体积计算示意图见图6。

图4 三维模型上量取地面标志长度线

图5 木片堆尺寸示意图

图6 木片堆体积计算示意图

完成计算全部3 个片区总共37 个木片堆的体积，再进行统计汇总，得到确定时点的各片区和整个堆场的木片原材料的总量，完成堆场原材料的审计统计工作。C号片区所有木片堆的体积统计表见表4。

表4 C号片区所有木片堆的体积统计表

4 结 论

本课题研究倾斜摄影测量技术在木片资产管理中的应用。倾斜摄影测绘技术能快速地从不同视角获取木片堆的影像信息，并通过空中三角计算得到高精度木片堆海量的数据点云，建立三维模型和计算木片堆体积，速度快、精度高，能够弥补传统测绘技术手段的缺陷，完全满足纸浆厂对木片原材料等重要资产进行动态、有效管理和审计的需要。倾斜摄影测绘技术取代传统测绘技术手段，在其他相类似的工农业生产和工程建设应用当中，具有推广普及的意义。