探讨机载Lidar与倾斜摄影在大范围数字化土方测算中的应用

江西省国土空间调查规划研究院数据(资料)集成分析中心 杨娇

土方测算主要应用于在工程建设领域,其准确性直接影响施工成本。本文通过比较现有的作业方法,分析常用的土方测算模型,结合倾斜摄影和机载Lidar点云的优点,提出在大范围土方测算中采用无人机倾斜摄影和机载lidar技术。建立准确的土方测算模型,重点在于获取更多关键的地面点,根据地面点建立接近于真实地面的数字地面模型。文章对实验结果的精度进行了实地验证,结果表明该方法具有一定的可行性。

1 研究进展

袁建刚[1]研究了使用RTK结合Cors技术采集地形特征点的三维坐标进行土方计算,RTK不受天气和视线的限制,测量结果与实际土方量无限接近,RTK的缺点是须保持对卫星持续的跟踪观测,卫星信号直接影响观测精度;廖小延[2]研究了在土方测算中应用方格网法;元媛[3]等研究了应用断面法计算宜昌至枝城河段河道冲淤积量;黎胜[4]等研究了应用三维激光扫描技术进行土方测量并验证了精度;李博[5]研究了较大范围的复杂地区在土方计算中应用无人机倾斜摄影技术提升了计算精度;凌晨阳[6]研究了在复杂区域土方测量应用机载激光雷达技术提高了作业效率,获得了较准确的结果。

2 常用土方测算法

在土方测量中,需要使用相应的方法建立相应的土方测算模型。常用的土方测算法主要有方格网法、断面法、等高线法、DTM法。

方格网法是将作业区域划分为若干个正方形格网,采用全站仪、RTK等设备采集地形点,每个格网独立计算填方和挖方,汇总后得到作业区域的填挖总土方量。一般来说,格网边长越小,精度越高。地貌平缓、地形简单的区域使用方格网法,精度较高,能准确测算土方量, 但实测点须均匀分布,应用范围小,作业效率低。

断面法是将作业区域分割成若干平行的横断面,根据实测数据计算每个断面的面积与断面间垂距的乘积,该值即为土方量。断面法对于道路、隧道、堤坝等线状工程的土方计算精度较高,其他类型的地形工程的精度较低。断面法计算过程耗时且繁琐,实测点位的合理分布直接影响模型精度。

等高线法计算土方量是用等高线间围起的面积与相应等高距之积求取,等高距即为两条等高线之间的高差。等高线法计算土方量精度较低,一般用于大范围土方量的概略估计,实际生产作业中应用较少。

DTM是地面模型的数字表达。DTM法是利用实测数据建立不规则三角网的基础上计算每一个三棱锥的土方填挖方量,构建DTM模型的三角网中的点和线分布密度和结构可以与地表特征一致,当三角网趋于无穷多时,可以无限接近地表的真实特征。DTM模型精度高,适用于任何地形的计算,但模型结构复杂,对硬件要求较高。

3 机载Lidar与倾斜摄影

建立土方测算模型,其数据依赖于外业采集的实测点,实测点本质上就是土方测算模型上的地面点。目前多以全站仪、RTK等设备为主采集地面点,应用地面三维扫描仪、机载Lidar、倾斜摄影也是近年发展迅速的新型测绘技术。全站仪、RTK等设备采集地形数据的精度高,且是其他测量手段参考的基准。地面三维扫描仪对于平缓的地形采集速度快点云精度高,而受限于地面扫描的方式,且不适合在复杂地形区域作业;机载Lidar以空中的俯视角度扫描,地形盲点区域少,点云的密度与飞行高度有一定关系;倾斜摄影使用空中飞行平台加载多视角光学镜头获取影像数据,经处理后可生成高密度点云,对于茂密的树林则无法获取准确的地面影像数据。

针对上述特点,本文提出使用倾斜摄影和机载雷达综合应用在大范围土方测算中。机载Lidar是一种新兴的将激光测距、惯性导航、差分定位技术融合的空间测量技术,它以空中飞行平台为为载体,激光为媒介,直接获取空间实体的三维地形信息。机载Lidar不受日照和天气条件的限制,具有获取点位精度高、速度快、激光穿透能力强等优点,能获取更多植被覆盖区的地面点。Lidar数据反映了真实的三维地面,适合于植被覆盖的大范围扫描,垂直方向的精度可达到10cm,但存在盲目性,数据形式上呈离散分布,容易丢失一些关键的地形特征信息、光谱信息较弱、飞行带宽较窄,成本高、数据采集慢等缺点。

倾斜摄影多角度多视野获取范围内的影像数据。倾斜摄影采集的数据具有丰富的纹理信息,影像精度高,生成的点云分辨率高,适合于裸露地面区域的高质量DTM的采集。倾斜摄影有着可见波段对地表覆盖物的穿透能力极弱,不能直接获取地面点三维坐标等缺点。

4 实验数据采集

实验区域位于江西省赣江新区,永修县城以南,属丘陵地带,地形复杂,有林地、灌木、池塘、沟渠、水田及旱地,整体地势西高东低,摄区面积大约4km2,范围内树木茂密,植被茂密,种类较多,以杉树、苗圃、油茶等为主。航摄时间在2021年1月初,航拍期间草地枯萎,水面较抵甚至干涸,利于获取更多准确的地面点。

机载lidar采用DJI M300无人机搭载北科天绘的蜂鸟GENIUS 32激光雷达系统,相对航高80米,重叠度20,带宽180m,激光采样频率640kHz,双回波,测距精度2cm,系统测高精度0.1m。设备启动前,需提前架设静态基准站,机载Lidar作为流动基准站进行数据采集。采集时使用北科天绘的基于DJI Pilot App的数据记录程序,实现自主控制激光雷达数据采集与数据存储。

倾斜摄影采用纵横大鹏CW-10无人机,搭载成都睿铂定制的JR503五拼相机。航线采用纵横飞图进行布设,相对航高230m,航向重叠度70,旁向重叠度70,地面采样分辨率2.6cm,下视角度镜头焦距35mm,其他角度镜头焦距40mm,像元尺寸3.9um。航飞三个架次,五镜头获取照片总共约1.5万张。现场测量72个像控点,像控点一般布设在道路拐角等有典型特征地点,没有标志的地方布设现场涂抹油漆现场做好像控点标记,部分没有植被茂密的林区需提前布设像标框。

5 作业流程

进行准确的土方测量就必须建立可靠的数字地面模型,机载Lidar获取的点云,点云数据的离散随机特性可能会丢失部分关键信息,导致计算不够准确,结合倾斜摄影生成的点云可以弥补部分关键信息。

机载Lidar处理流程:解算基站数据,数据格式转换LAS格式,将原始LAS文件(如图1)导入Terrasolid进行点云过滤,去除噪点,滤出地面点,保留地面点点云。

图1 机载Lidar获取的原始点云Fig.1 Original point cloud acquired by airborne Lidar

倾斜摄影处理流程:解算基站数据,将照片POS转换为国家2000坐标系,使用Context Capture4.4.6进行三维建模,生成数字表面模型即DSM(如图2),实地测点检测模型精度,带符合精度要求后在Context Capture 4.4.6导出LAS格式的3D点云(如图3),使用Terrasolid去躁、滤波,提取地面点LAS。

图2 倾斜摄影生成的数字表面模型Fig.2 Digital surface model generated by tilt photography

图3 倾斜摄影生成的3D点云Fig.3 3D point cloud generated by tilt photography

将倾斜摄影生成的3D点云和机载Lidar中的LAS点云数据合并,形成新的地面点LAS文件,池塘、沟渠等水面易出现空洞,需要用Inpho进行内插处理。

6 计算方法

在实际中有两种常用土方量计算方法。(1)使用两期法计算土方量汇总值。将LAS导入Arcgis生成DTM,即填挖方原始数据DTM,同时根据现状数据或设计标高生成现状DTM或者设计DTM,使用填挖方计算功能,生成的填方挖方数据为汇总值。(2)使用坐标法按网格计算土方量。将地面点LAS文件转换为高程点文件,使用EPS建立计算模型。EPS2008提供了三角网、格网、高程点、水平面等四种方式计算模型的建立方法,并可根据需要设置方格网的边长。该方法得出的土方计算结果按格网显示,直观感强,但对计算机配置要求较高。

7 精度分析

参考《城市测量规范CJJ T8-2011》要求,高程中误差不应大于0.15m,平面中误差不应大于0.25m。全图根据地形特征共抽查136个高程点,粗差4个,高程中误差11.17cm,平面点抽查36个,粗差数量为0,平面点位中误差为12.71cm,满足现行1∶500地形图规范要求。

点云使用配套的机载Lidar航飞质量检查软件进行质量检查结果符合要求。

8 结语

植被茂密区,机载Lidar获取的地面点较少,若地形波动较大,容易导致模型中的数字地形与实际地形偏差。因此,此类区域需要使用Inpho对地形进行拟合内插高程点,拟合之后须对地形进行检测确保符合地形的真实形态,对陡坎等特征地貌加测实测点。水面容易产生空洞,若填挖方之后的地形或设计地形位于水面之下,此时还需要考虑结合水深测量进行计算。

引用

[1] 袁建刚,严加栋.JSCORS RTK GPS技术在土方测量中的应用[J].现代测绘,2009,32(6):47-48.

[2] 廖小延,熊俊杰.方格网法计算土方量的应用分析[J].城市勘测,2015(1):155-158.

[3] 元媛,张小峰,段光磊.断面法计算宜昌至枝城河段河道冲淤量的合理间距[J].武汉大学学报(工学版),2014,47(2):149-155.

[4] 黎胜.基于三维激光扫描技术的土方测量研究[C].中国测绘学会科技信息网分会.全国测绘科技信息网中南分网第二十八次学术信息交流会论文集.中国测绘学会科技信息网分会:中国测绘学会科技信息网分会,2014:227-231.

[5] 李博,徐敬海.无人机倾斜摄影测量土方计算及精度评定[J].测绘通报,2020(2):102-106+112.

[6] 凌晨阳,余盛艳,陈科玚.机载激光雷达技术在复杂地形土石方测量中的应用[J].城市勘测,2020(5):125-128.