基于倾斜摄影测量技术的抽蓄电站土方开挖分析

2022-01-17殷康高健龚振如

电子元器件与信息技术 2021年9期

殷康，高健，龚振如

（河南洛宁抽水蓄能有限公司，河南洛阳 471000）

0 引言

土石方量测量计算是抽水蓄能电站建设过程的必须环节，精确准确测量土石方量，可以合理性的规划土方调配，降低工程费用并且提高工程质量。传统的土石方量计算方法包括方格网、DTM、等高线、断面等方法。传统地形测绘基于全站仪、GPS-RTK等进行地形数据采集，难以获取复杂地形、树木遮挡区域的数据，极大影响了传统的土方计算的质量，甚至出现计算错误的方量值。倾斜摄影将无人机技术与地形测绘技术结合，在无人机上搭载多镜头视觉相机，采集地面对象的多角度影像数据，通过对图像数据进行空三测量以及三维网格模型生成等一系列处理得到三维倾斜摄影模型，基于网格与点云数据来计算土石方量，弥补传统接触式测量在复杂地形应用的不足。

1 技术路线

倾斜摄影通过无人机搭载各类传感器，由多个镜头同时获得不同角度的影像，获取待测对象的倾斜摄影模型[1-2]。根据倾斜摄影以及抽水蓄能电站施工过程中土方计算特点，如图1所示为主要分为数据准备、空三加密、三维建模以及土方计算四个环节。

图1 基于倾斜摄影的土方计算路线图

1.1 数据准备

根据抽蓄电站区域，确定无人机倾斜摄影测量范围，在现场布设飞行控制点。基于厂区范围、建模精度、飞行高度、关键建筑要素等信息进行无人机航线规划[3]，明确无人机飞行架次以及飞行范围，采用无人机搭载倾斜摄影系统开展抽水蓄能电站区域图像数据采集。

1.2 空三加密

对地面布设的像控点数据进行测量，将测量的坐标刺入到对应的影像上，输入测量像控点的工程坐标，将最后输出的模型成果转换至工程坐标系。空三计算是后期模型构建的关键，计算成果将直接影像后期模型的质量。

1.3 三维建模

对满足重叠度要求的影像进行同名点匹配、特征提取，使得测区范围内的影像得到快速拼接。通过光束法平差对拼接好的影像进行空三计算获得地面坐标点，利用坐标点构建TIN[4]，然后对TIN网贴白膜后进行自动纹理映射，构建三维模型与点云数据。

1.4 土方计算

对不规则三角网格模型开展线性内插和双线性内插[5]，生成原始地形的数字高程模型，以设计图纸各特征点的平面坐标和高程值为参考值，计算两个模型之间的填挖土方量。

2 关键技术

2.1 面向复杂山区地形的航线规划

抽蓄电站建设所在位置通常处在地形陡峭、高度落差极大的山区地形[6,7]，对无人机飞行航线提出极大挑战，需同时确保飞机飞行安全以及拍摄数据完整性。航线的设置主要包括飞行航高、路线规划，合适的航高和航线可以确保测绘精度与效率。在不影响地面控制点布置与测量、保证空三加密计算的前提下，无人机测绘范围覆盖应该超出边界线。依据后期数据计算对于倾斜摄影的图像数据相邻方向与航向的关系，对旁向重叠及航向重叠进行定义，公式如下：

其中Px、Py，为航向、旁向的重叠度；qx、qy，为航向、旁向影像重叠的长度；L为像幅长度。

通过全区域非预定义布设与平坦区域预定义布设相结合的方式完成面向复杂山区地形的航线规划。

（1）预定义航线布设：在地形相对平坦区域采用开展如图2所示的预定义航线布设，快速获取抽蓄电站上下水库等较为平坦区域的倾斜影像。航飞宜在天气晴朗、光照充足、视线清晰、空气通透性好、无雾天气时进行。根据本项目需求，为保证建模效果，外业航飞时设计航向重叠度保证88%，旁向重叠度设置在76%。

（2）非预定义航线布设：主要应用于高低起伏变化大及精度要求较高的区域，无人机相对飞行高度较低。依据现场实际情况，无人机操控人员根据现场地形，自由决定飞行路线。

2.2 大规模冗余点云数据优化

倾斜摄影技术可以快速获取大量的抽水蓄能电站的地形点云数据，点云数据通常会存在冗余信息，影响后期土方计算分析效率。保证原始点云数据精度的同时，降低点云数据的密度，保持点云数据地形特征信息，对于后期土方开挖计算有着重要意义。

针对抽水蓄能电站所处地形高度落差较大、地形复杂等特点，计算点云数据曲率特征，基于曲率信息进行冗余点云数据优化处理。基于点云数据的局域曲率进行数据采样，在曲率较小区域保留较少的数据点，曲率较大区域提高采样比例，确保地形特征不发生较大变动。根据测点在曲面法向上引起的误差大小作为是否删除该点的依据。对于任意数据点，对K邻域进行平面拟合，将该平面作为数据点的近似切平面。点与拟合平面的距离可以近似衡量该点的曲率信息，作为判断该点是否应该删除的依据[8]。

2.3 山区植被点云数据剔除与地形恢复

使用倾斜摄影技术获取地形数据时，山区植被会覆盖地面形成噪声数据，需要对原始点云数据进行去噪处理以获取真实、“干净”的地表数据用于土方计算的原始地面点。将Z-score数学模型用于地形点云噪声数据去除，实现植被点云数据剔除与地形恢复。Z-score去噪算法可将与地形点云数据混杂在一起的植被噪声数据成功识别出来，实现山区植被点云数据剔除与地形恢复。

3 应用效果

以洛宁抽水蓄能电站1号公路的土方量计算为例，采用倾斜摄影技术对原始地形地貌进行测量，生成高分辨率三维模型（三维地形模型）；对所生产的三维模型进行点云化，并从中提取如图3所示的底层真实地面模型；对设计图纸（即参考面）的特征点、面进行三维化（设计模型）；将测得的剔除植被噪点后的三维真实地面模型与设计模型进行叠加，采用栅格网法，计算出填挖方量，图4所示为土方计算过程数据。