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              無人機影像匹配點云技術在道路測設中的研究與應用

              發布日期:2018-02-08我要投稿我要評論

              引言  

              橫斷面測量指的是測量中樁處垂直于中線方向的地表起伏形態的作業。然后繪制成橫斷面圖,供路基、邊坡、特殊構造物的設計、土石方的計算和施工放樣之用。在高速公路、鐵路等線路工程測量中必須進行橫斷面測量,由于大型線路工程路基寬、設計精度要求高、縱橫斷面密度大,特別是在丘陵或山區地表高差變化大、行走不便的地方,使用傳統方法測量采集點位密度有限,橫斷面工作效率較低,一旦改線還需要重新進場測量,設計周期長,不能適應當前社會高速發展的節奏?! ?/p>

              近年來,隨著我國經濟的高速發展,無人機在各行各業均呈現出一片欣欣向榮的景象,特別是在地理信息行業,無人機航攝正對傳統測繪手段帶來一次跨越性的飛躍。作為專業的測量型無人機,PPK、免像控技術、傾斜攝影技術正極大地提升著影像定位精度與高程精度,同時主流的無人機處理軟件如AgiSoft PhotoScan、PIX4D Mapper、Smart 3D Capture等支持影像匹配點云功能。點云數據作為一種新型的附加測繪產品,其巨大應用價值在工程測量領域正脫穎而出。本文以某高速公路測設項目為例,采用天狼星免像控無人機航攝設備,使用超高影像地面分辨率,利用影像匹配點云技術與Lidar點云處理工藝獲取密集地面高程數據,進而取代公路測設過程最耗時耗力的斷面測量工作,不僅大幅提高作業效率、降低生產成本,而且對于道路改線、任意斷面設計、BIM系統應用帶來極大便利?! ?/p>

              1無人機影像匹配點云技術優勢  

              1.1無人機影像匹配點云為時代產物,順勢而生  

              影像匹配問題一直是攝影測量與遙感、計算機視覺等領域研究的熱點,影像匹配技術是實現自動尋找同名像點,實現空中三角測量計算,生成正射影像的關鍵。采用傳統攝影測量方法獲取高精度DEM數據,雖精度較高,但費時費力,工作量巨大,采用雷達點云方式生成DEM自動化程度較高,但需要投入價格高昂的專業Lidar設備,數據獲取成本非常昂貴,這也是導致點云數據應用不能普及的主要原因。而無人機影像匹配點云技術結合了傳統航攝與Lidar兩者的優點,采用一種輕量級的裝備擁有了點云獲取功能?! ?/p>

              1.2 AgiSoft PhotoScan多視點影像匹配技術實現無人機海量點云數據快速輸出  

              AgiSoft PhotoScan是一款將影像自動生成高質量三維模型的軟件,也是目前主流的無人機影像處理軟件,無需設置初始值,無需相機檢校,它根據最新的多視圖三維重建技術對任意照片進行處理,通過給予的控制點 生成真實坐標的三維模型。整個工作流程無論是影像定向還是三維模型重建,其過程都是完全自動化的。高精度天狼星無人機航空測圖系統MAVinci Desktop結合AgiSoft PhotoScan軟件,可以輕松實現無人值守方式一鍵獲取DOM、DEM與原始點云數據?! ?/p>

              1.3 MAVinci Desktop航空測圖系統制定飛行計劃實現智能化管理  

              MAVinci Desktop是一款專業的無人機飛控軟件,可以提前根據測區范圍制定飛行計劃,或者根據測區需要由作業者臨時指定目標區域和指定期望的GSD進行創建飛行計劃(見圖1)。該軟件可以直觀高效地理從簡單到復雜的多種飛行任務,如設置與線路工程走向一致的帶狀飛行計劃、覆蓋視線范圍內最大范圍的螺旋狀飛行計劃等,其中自適應地形起伏飛行模式可以獲取超低空高分辨率地面影像,不僅保證了恒定的影像重疊度,而且為獲取高精度影像匹配點云奠定了基礎。

              無人機影像匹配點云技術在道路測設中的研究與應用

              圖1 帶狀與自適應地表起伏飛行模式  

              1.4天狼星SIRUS Pro無人機助推影像點云匹配技術在生產領域成功應用  

              無人機航測作為一種新型的低空遙感影像獲取手段,是傳統高空航空攝影與中低空航空感影像獲取的有效補充,具有響應速度快、靈敏度高、使用成本低、操作簡便的特點。天狼星SIRUS Pro無人機高精度航空測圖系統,借助RTK技術,在采集相片的同時進行RTK測量,每張照片都具有RTK固定解精度的位置信息。通過整合精密測時和高精度定位技術,使得天狼星無人機在空中即可完成傳統的地面像控。即使在完全免像控模式下也可以實現5cm的定位精度,這從根源上保證了航片空間相對位置關系,也是空三加密后實現高精度影像匹配點云的基礎?! ?/p>

              2.工程實例  

              2.1工程概況  

              本工程為萊蕪市境內某高速公路定測階段進行的橫斷面測量項目,線路設計里程85km,平均海拔210m,最低海拔170m,最高處280m。測區大部分位于微丘和重丘區,地貌比較破碎;測區地表以稀疏果園和低矮農作物為主,大部分區域地表裸露,對無人機航飛點云噪點剔除比較有利。技術要求:按照對應中樁樁號采集橫斷坐標,在地形坡度變換處必須采集坎上坎下高程坐標?! ?/p>

              2.2實施方法  

              外業航測設備采用天狼星免像控無人機,將測區范圍線導入MAVinci Desktop飛行計劃軟件中設定GSD(地面采樣間隔)為3cm,使用帶狀飛行計劃、自適應地形起伏模式,相對行高120m;航向重疊度80%,旁向重疊度65%;平均每架次飛行長度3km,帶寬200m,續航時間30min?! ?/p>

              2.3檢測方法

              無人機影像匹配點云技術在道路測設中的研究與應用

              圖3 傳統斷面測量地面高程點  

              天狼星無人機影像匹配點云技術已經在一千多公里高速公路地形圖測量中經歷多次檢查與驗證,數據可信度較高;本次橫斷面測量采用傳統測量方式進行驗證,人工采集線路長度5km,斷面點數量約14800點。文中為便于展示僅選取三個斷面,更多斷面與此類似(見圖3、圖4)。

              無人機影像匹配點云技術在道路測設中的研究與應用

              圖4 利用無人機匹配點云獲取地面高程點  

              根據兩種斷面線疊加分析(見圖5)可以看出兩種斷面線基本吻合,但是存在稍許偏差,主要原因點云點位與人工實測點位不完全一致,另外人工采集斷面點也存在取舍,兩種方式生成的斷面線不完全吻合也屬于正?,F象。

              無人機影像匹配點云技術在道路測設中的研究與應用

              圖5 兩種斷面線疊加分析  

              3土方量計算與精度分析 3.1土方量計算  

              利用以上兩種不同數據獲取方式生成DTM三角網文件,使用CASS軟件DTM法土方計算功能進行比較(見圖6、圖7),K44+400至K44+460三條斷面間計算結果為挖方量366.6m3,填方量265.7m3,填挖方平衡量99.9m3,地表面積3600m2,對地表高度整體影響約3cm;擴大檢測范圍,對K44+220至K44+500三十條實測斷面和無人機匹配點云進行比較,計算結果為總挖方量2723.8m3, 總填方量2490.4m3,挖方平衡量相差約233.4m3,地表面積21355m2,對地表高度整體影響約11cm。

              無人機影像匹配點云技術在道路測設中的研究與應用

              圖6 利用實測橫斷線建立DTM格網

              無人機影像匹配點云技術在道路測設中的研究與應用

              圖7 利用點云建立DTM格網  

              3.2斷面測量方案對比  

              由于以上兩種方式高程點獲取手段截然不同,傳統斷面測量在指定斷面線上精度較高,但是兩斷面線之間缺少數據構建DTM模型精度不高,測量精度與地性線位置斷面加樁以及作業人員的工作經驗關系較大;無人機匹配點云方式更傾向于方格網法,其點云密度基本達到2m*2m(在裸露地表點云密度可以達到0.5m*0.5m),在點云精度可靠的情況下可以獲取非常精確的土方量結果(見表1:橫斷面測量方案對比)?! ?/p>

              表1:橫斷面測量方案對比

              無人機影像匹配點云技術在道路測設中的研究與應用

              4. 結束語  

              機載Lidar高昂的設備價格和復雜的數據處理流程制約了用戶群體和應用方向。隨著科技手段的進步,點云獲取不再是機載Lidar的專屬手段,平民化價格的無人機同樣可以實現。盡管測繪原理不同,獲取的精度尚不能與機載Lidar相媲美,然而人機影像匹配點云技術作為一項全新技術手段有著非常廣闊的應用前景。但是,其應用還有待通過更多的案例進行驗證和完善,特別是需要進一步優化點云分類算法并降低數據處理難度[11]。利用無人機影像匹配點云取代傳統斷面測量可為類似工程項目提供參考借鑒。

               

               

               

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