【技术】基于PhotoScan 和ArcGIS 的土方量测量研究

摘 要:针对传统测量方法工程量大，无法快速得到较为准确的数据等缺点，文中研究利用无人机、PhotoScan 与ArcGIS 等软件完成土方量测量的方法，使用轻小型无人机拍摄不同时期高清影像，运用PhotoScan 对影像进行处理，生成数字表面模型，通过ArcGIS 进行偏差适当校正，快速计算得到土方变化量。

关键词:无人机; PhotoScan; ArcGIS; DSM; 土方量

随着低空飞行器的发展，以无人机(UAV) 航测为代表的低空摄影测量呈现爆炸式发展，推动航空摄影测量技术应用于更广泛的领域。土方量的量测计算在建筑工程项目施工方面起着重要作用，目前常用的土方量量测方法存在许多不足。尤其在当今社会高速发展的大背景下，如何高效量测土地地形数据及土方量成为当下亟待解决的问题。

目前的土方量测量通常采用传统测量方法，包括经纬仪法、水准仪法等; 计算方法包括断面法、方格网法等。但这些计算方法工作量大，不易在计算机上实现。同时大量测绘人员进入测区，对人员的生命财产安全也构成了巨大的威胁。

利用无人机拍摄遥感影像，通过专业处理软件生成正射影像图( Digital Orthophoto Map，DOM) ，数字表面模型( Digital Surface Model，DSM) 的方法，具有自动化程度高，计算周期短，应用范围广等优势，比较适用于对精度要求低，对效率及成本等要求高的领域。与此同时，随着地理信息系统的发展及高分辨率数码相机与数字化影像处理系统的出现，ArcGIS、PhotoScan 等软件在测量计算中得到应用，使得以无人机为代表的低空遥感逐渐展现出传统测量不可比拟的优势。

1 数据处理

1.1 原始数据预处理

由于无人机的用途及种类存在差异，所获取的数据文件格式和POS 平面数据基准也是不同的。本文采用WGS - 84 坐标系，为方便导入PhotoScan 软件，首先要将经纬度等数据保存为txt 格式的文件。

由于飞行平台的不稳定性、天气变化、传感器特性、拍摄时间以及拍摄环境及拍摄对象的不同等因素，造成影像之间色彩、亮度、反差等不均匀，从而造成后期镶嵌结果拼接线明显，色彩差异较大，可视化效果较差等问题。为了避免这些问题，需要将云雾遮挡的图像做匀光匀色处理，尤其注意影像拼接边缘的色调处理，同时减小噪声，增强图像纹理信息。以一所学校花园不规则土堆为例，如图1 所示。

图1 无人机航摄完成后获取的数据

1.2 导入影像

(1) 项目的建立。打开PhotoScan 软件，点击“添加堆块”，创立新项目。

(2) 导入与对齐照片。若测区影像数据较少，可一次性导入全部影像。若测区数据影像较多时，可以将测区分成多个小测区块进行处理，对分割的小测区块分别进行点云提取，并建立立体模型，最后做拼接、提取纹理等处理。以上工作完成之后，点击“添加照片”，选择航片，然后点击“对齐照片”，在窗口中选择适合的精度，软件依据航片坐标、高程等信息自动排列照片并对齐，如图2 所示。

图2 对齐照片后的模型

1.3 数据定向、点云提取

加载POS 数据，点击对齐相片。根据空中三角测量的基本原理以及多视图三维重建技术，Photo-Scan 自动计算像片的位置信息、飞行姿态等特征，对照片进行内定向、相对定向及绝对定向处理。此外，PhotoScan 软件会基于相机拍摄位置计算深度信息，并组成密集点云，最后点云提取生成多边形网格的三维模型，如图3所示。

图3 生成纹理后的效果图

1.4 立体建模

传统测绘三维立体建模方式，需要采集众多数据点，形成三维模型网格，该过程需要极其庞大的工作量。而PhotoScan 软件可自动提取点云数据，构建三维模型网格，实现高效率计算机自动渲染。Photo-Scan 软件能够根据不同的需求，进行不同对话框设置，根据航摄相片的质量，在网格上进行纹理映射，使三维建模更加真实，达到预期结果。立体建模结果生成之后，要对其进行检查，利用生成的特征点、特征线进行检查，重新编辑，确保网格点紧贴模型表面。PhotoScan 软件支持影像拼接、镶嵌、全局平衡、自动影像内校正等处理。设置生成正射影像的分辨率，进行全局拼接存储等处理，同时支持图像分幅处理。在影像拼接过程中，要求接边误差满足规范的要求，无明显拼接缝隙。

1.5 成果输出

经过以上步骤之后，选择合适的分辨率以及所需的投影类型，输出所需的数字正射影像DOM 及数字表面模型DSM，分别如图4、图5 所示。同时，可根据不同需求选择分幅或整幅导出。

图4 输出的正射影像成果

图5 三维数字表面模型DSM

2 精度校准及土方量结果计算

由于无人机体积小、重量轻、对载荷的重量和体积有严格的限制和要求，同时易受天气影响，导致飞行姿态不稳定，多次飞行的总体偏差不可控，不线性，从而使得航摄成果出现旋偏角过大、倾角过大、重叠度不规则、像对过多、像幅小、数据量大等问题。且无人机利用机载GPS 系统定位，GPS 系统虽然平面精度较高，但高程精度很差。在该方法中，偏差校准主要分为平面校准与高程校准。因为预期的结果是得到前后时期DSM 的差值，而不是DOM 和DSM 在地球上的绝对位置精度，所以无需引入高精度设备来纠正DOM 和DSM。该方法所做的校准是把一个向另一个靠拢，而不需要纠正到绝对的位置上。

将DSM 导入ArcGIS 之后，去除土堆上的植被，利用空间插值功能补全植被所在地区的影像，利用ArcGIS 的空间分析和空间覆盖功能，找到两幅DSM之间的连接线，在此基础上使用软件统计分析功能，分别计算开挖区或回填区的前后体积最终得到填挖的土方量。在对话的窗口中，选择最终提取的填埋或开挖范围内的DSM 数据和填埋或开挖范围的平面高程值，计算指定平面以上或以下的体积。最后，完成体积的计算。经过原始地形面与平面地形的差值计算分析，得出体积变化量为3256. 48m3，此变化量即为土方量。并利用在建设校园时，所用车辆运输的用于建设此地的土方量数据作为验证，得出实际土方量为3493. 23m3，可以发现使用Arc-GIS 计算的土方量与实际值两者差值在7%以内。

由此得出结论，ArcGIS 在计算小范围土方量需要的工作量比较小，目前来看计算结果比较贴近真实值，具有较高的精度，且能提供立体直观效果。

3 结语

轻小型无人机受时空限制性小，作业高效，操纵灵活，可以快速采集最新数据，减少工作量，提高准确度，缩短了求一定范围内土方量的时间，同时突破了人工探测只能走平面的局限性，适用于各种地形。其次，Arc-GIS、PhotoScan 软件计算土方量自动化程度高，实现了土方的可视化。无需由离散点到网格点的数据转换，极大减少了工作量。相对传统量测土石方计算方法是一次较大的技术革新，其特有优点使得基于PhotoScan、ArcGIS 的无人机航空摄影测量方法在快速测绘领域成果显著，特别是地形崎岖地区、交通闭塞地区的数字化成图方面发挥巨大的作用。

此外，该方法应用广泛，可以推广于很多方面，例如在计算垃圾填埋，山区塌方的土方量等等。同时随着各类获取遥感数据设备精度的提高以及遥感信息自动解译技术的完善，其精度还将得到提高，优势也将更加明显。

参考文献:略

来源：《矿山测量》 作者：李华玉、王正东 转自：：勘测联合网