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比較全站儀與無(wú)人機(jī)的工作流程與點(diǎn)云數(shù)據(jù)輸出

2019-04-16 08:20 性質(zhì)：轉(zhuǎn)載 作者：Armin WEBER / Thomas LERCH 來(lái)源：瑞士Lerch Weber AG公司
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  3.1無(wú)人機(jī)點(diǎn)云

  利用在不同高度進(jìn)行的兩次無(wú)人機(jī)飛行以及在測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置的 GCP，本項(xiàng)目提供了一個(gè)獨(dú)特的機(jī)會(huì)來(lái)生成和比較幾種不同的無(wú)人機(jī)點(diǎn)云。這可解決下述三個(gè)問(wèn)題：

  1)僅靠 RTK 飛行能否達(dá)到 GCP 的精度水平？

  通過(guò)對(duì)比啟用 RTK 的飛行與使用本項(xiàng)目 GCP 飛行的點(diǎn)云，有可能分析出僅在 RTK 模式下飛行（例如，未使用 GCP）時(shí)是否可以實(shí)現(xiàn) GCP 水平的地理空間精度。

  2)飛行高度/GSD 對(duì)點(diǎn)云質(zhì)量有何影響？

  通過(guò)比較在不同高度進(jìn)行的兩次無(wú)人機(jī)飛行的點(diǎn)云，可評(píng)估分辨率對(duì)點(diǎn)云質(zhì)量的影響。

  3)照片數(shù)量對(duì)點(diǎn)云密度有何影響？

  通過(guò)合并本項(xiàng)目 100 米和 150 米高飛行的點(diǎn)云，可分析數(shù)據(jù)處理中所使用的照片數(shù)量對(duì)點(diǎn)云密度是否有直接影響。

  3.1點(diǎn)云分析

  考慮到地面掃描和無(wú)人機(jī)方法的精度，本部分最好分為相對(duì)精度和絕對(duì)精度。無(wú)人機(jī)的絕對(duì)精度可以通過(guò)使用地面控制點(diǎn) (GCP) 或通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)飛行進(jìn)行 RTK/PPK 校正來(lái)獲得。同時(shí)，無(wú)人機(jī)圖像所得結(jié)果的相對(duì)精度取決于其圖像的分辨率，該分辨率與飛機(jī)的飛行高度直接相關(guān)——高度越低，點(diǎn)云越密。

  地面激光掃描儀 (TLS) 的絕對(duì)精度取決于所使用的儀器定位方法；在本項(xiàng)目中，所用方法為“自由站點(diǎn)”法，即直接利用測(cè)得的（三個(gè)）GCP 的精度來(lái)確定每個(gè) TLS 站點(diǎn)的位置。利用 TLS 測(cè)得的點(diǎn)的相對(duì)精度與測(cè)角精度和電子測(cè)距法 (EDM) 的精度直接相關(guān)。

  由于無(wú)人機(jī)的相對(duì)精度和絕對(duì)精度已知有幾厘米誤差，而 TLS 的精度可達(dá)到幾毫米，因此我們可以認(rèn)為由 TLS 得到的點(diǎn)云先驗(yàn)精度較高。出于這一原因，并且由于 TLS 數(shù)據(jù)采集可實(shí)現(xiàn)比無(wú)人機(jī)更高的點(diǎn)密度（在 TLS 的中等密度設(shè)置下），我們決定以 SX10 得到的點(diǎn)云為參考，來(lái)對(duì)比不同的無(wú)人機(jī)點(diǎn)云。

  在 CloudCompare 和 Autodesk AutoCAD Civil 3D 2015 中對(duì)以地理坐標(biāo)為參考的 SX10 點(diǎn)云和四個(gè)無(wú)人機(jī)點(diǎn)云進(jìn)行了分析（圖 6）。

圖 6：用于對(duì)比的區(qū)域地圖

  在 CloudCompare 中，使用一個(gè)名為 M3C2 的函數(shù)進(jìn)行分析。該插件可直接計(jì)算兩個(gè)點(diǎn)云之間的帶符號(hào)（和穩(wěn)?。┰隽浚且环N先進(jìn)的算法。然后用均值和標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)三維差異進(jìn)行了比較（表 3）。

  同時(shí)，在 AutoCAD 中使用相同的基面對(duì)所有點(diǎn)云進(jìn)行了體積比較（表 3）。然后對(duì)以該表面為基準(zhǔn)的切割和填充體積進(jìn)行了比較。

  CloudCompare 和 AutoCAD 的數(shù)值結(jié)果見(jiàn)表 3。每個(gè)數(shù)值代表對(duì)某個(gè)特定的無(wú)人機(jī)點(diǎn)云與激光掃描儀點(diǎn)云進(jìn)行的對(duì)比。

  表 3：Trimble SX10 采集所得點(diǎn)云（我們的參考點(diǎn)云）與 eBee Plus UAV 采集所得的四個(gè)不同點(diǎn)云對(duì)比結(jié)果列表。

圖 7：使用礫石坑最深部位的一個(gè)橫截面在 AutoCAD Civil 3D中 進(jìn)行了第三次也是最后一次對(duì)比。

  4.結(jié)果

  4.1數(shù)值結(jié)果

  數(shù)值比較的另一種形式是比較每組點(diǎn)云中點(diǎn)的數(shù)量（表 4）。

  表 4：不同點(diǎn)云中點(diǎn)的數(shù)量

  將 100 米與 150 米高無(wú)人機(jī)飛行合并所得點(diǎn)云包含的點(diǎn)數(shù)與 100 米飛行點(diǎn)云的點(diǎn)數(shù)相似。這是因?yàn)楹喜⑻幚淼膬纱物w行的圖像使用的是與 100 米飛行完全相同的圖像處理設(shè)置。

  4.2數(shù)據(jù)采集所需時(shí)間

圖表 1：數(shù)據(jù)采集所需的總時(shí)間。

  4.3

  點(diǎn)云的截圖

圖 8：TLS 點(diǎn)云的截圖

圖 9：100 米/不使用 GCP 無(wú)人機(jī)點(diǎn)云的截圖

  4.4討論

  雖然 GSD 對(duì)云密度的影響正如預(yù)期的那樣得到了證實(shí)——即，GSD 較高的點(diǎn)云中有更多點(diǎn)——將在不同高度進(jìn)行的飛行進(jìn)行合并（需處理圖像數(shù)量加倍）并未帶來(lái)任何明顯的好處。平均 GSD 并沒(méi)有更精確，點(diǎn)云未包括更多的點(diǎn)（由于合并和處理的圖像使用的是與單次 100 米飛行相同的設(shè)置），而整體處理時(shí)間更長(zhǎng)。

  對(duì)于僅在 RTK 功能支持下進(jìn)行飛行是否可以獲得與使用地面控制點(diǎn) (GCP) 的飛行相同的絕對(duì)精度這一問(wèn)題，事實(shí)證明是有可能的。對(duì)于使用 GCP 的點(diǎn)云而言，各次飛行的平均偏移量要比搭載 RTK 但未使用 GCP 的飛行少幾厘米。四次無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理所得的標(biāo)準(zhǔn)偏差均相同。這意味著在整個(gè)項(xiàng)目期間，所有處理方法都給出了恒定的精度。

  關(guān)于捕獲點(diǎn)的數(shù)量——點(diǎn)密度——尤其是每平方米的平均點(diǎn)數(shù)，無(wú)人機(jī)飛行產(chǎn)生了足夠高的細(xì)節(jié)級(jí)別 (LOD)，可以用來(lái)測(cè)量采石場(chǎng)等場(chǎng)地。與此同時(shí)，TLS 提供了更高的細(xì)節(jié)級(jí)別，可用于更小、要求更高的項(xiàng)目，例如數(shù)字環(huán)保制圖。此外還有一點(diǎn)比較重要，就是兩種情況下（無(wú)人機(jī)和 TLS）點(diǎn)的密度都是均勻的，也就是說(shuō)每平方米的最低和最高點(diǎn)密度之間差異很小，其與最終細(xì)節(jié)級(jí)別的相關(guān)性比與平均點(diǎn)數(shù)的相關(guān)性更高。

  盡管 TLS 和無(wú)人機(jī)（圖 1）的準(zhǔn)備時(shí)間相差無(wú)幾，但是無(wú)人機(jī)在場(chǎng)地上花費(fèi)的時(shí)間明顯較短（在礫石坑上空飛行一次所需時(shí)間要少大約 10 倍）。在后期處理方面，無(wú)人機(jī)圖像處理時(shí)間是一個(gè)需要考慮的因素，但是使用 GCP 時(shí)這一時(shí)間明顯增長(zhǎng)——與僅在 RTK 模式下飛行的時(shí)間相比，大約要長(zhǎng) 50%。

  就每種技術(shù)（圖片 1）所需的總數(shù)據(jù)生成時(shí)間（采集和處理）而言，在開(kāi)啟 RTK 模式且未使用 GCP 的飛行情況下，這一時(shí)間是 TLS 相應(yīng)時(shí)間的三分之一。在單次飛行高度為 100 米、使用 GCP 的無(wú)人機(jī)飛行情況下，這一時(shí)間可節(jié)省大約 40%。

  5.結(jié)論

  本遙感項(xiàng)目的目的是比較由 TLS 與無(wú)人機(jī)圖像生成的點(diǎn)云；特別是通過(guò)評(píng)估每個(gè)點(diǎn)云的數(shù)據(jù)采集效率性和評(píng)估每個(gè)點(diǎn)云的最終質(zhì)量。

表 5：主要發(fā)現(xiàn)總結(jié)

  5.1效率

  在不需要使用 GCP 的情況下，使用啟用 RTK的eBee Plus 無(wú)人機(jī)在項(xiàng)目場(chǎng)地采集點(diǎn)數(shù)據(jù)的效率是 TLS 的兩倍多（圖片 1）。在無(wú) RTK 飛行的情況下，兩種飛行（100 米和 150 米）仍明顯快于 （40%）TLS 方法。

  在數(shù)據(jù)處理方面，TLS 無(wú)需進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，只需將一份文件從儀器上拷貝到電腦上。相比之下，無(wú)人機(jī)圖像必須進(jìn)行復(fù)制和處理，該過(guò)程約需花費(fèi)一個(gè)小時(shí)到三個(gè)半小時(shí)，具體取決于飛行高度（表 2）。但是，我們必須注意到的是，攝影測(cè)量處理時(shí)間只是電腦時(shí)間——開(kāi)始后，處理過(guò)程便可自動(dòng)進(jìn)行。因此，員工仍舊可以做其他事情，例如計(jì)劃或執(zhí)行更多的無(wú)人機(jī)飛行。

  將現(xiàn)場(chǎng)時(shí)間和處理時(shí)間相結(jié)合時(shí)，比較每種技術(shù)的總數(shù)據(jù)采集時(shí)間（表 5）可以發(fā)現(xiàn)，在類(lèi)似本項(xiàng)目的礫石坑測(cè)量中，啟用 RTK 的 eBee Plus 的整體效率要高于 TLS。因此，對(duì)于此類(lèi)場(chǎng)地來(lái)說(shuō)，無(wú)人機(jī)是一種更加有效的方法，可以減少測(cè)量團(tuán)隊(duì)的數(shù)據(jù)采集工作量。因此，無(wú)人機(jī)可使此類(lèi)機(jī)構(gòu)減少人力資源成本、提供更具競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格和/或在一定時(shí)間內(nèi)完成更多的項(xiàng)目。

  5.2絕對(duì)定位精度

  我們可以得出結(jié)論，無(wú)人機(jī)無(wú)需使用 GCP 即可獲得較高的絕對(duì)精度（表 3），其原因是 senseFly 無(wú)人機(jī)和瑞士 VRS 系統(tǒng)可使圖像具有較高的地理坐標(biāo)精度。這一點(diǎn)可通過(guò)比較使用 GCP 和僅使用 RTK 功能的點(diǎn)云與 TLS 點(diǎn)云得到證實(shí)；偏移量很小，而且所有的比較結(jié)果均顯示相同的標(biāo)準(zhǔn)偏差，即整個(gè)項(xiàng)目過(guò)程中一直存在噪點(diǎn)，無(wú)論是否使用 GCP。

  5.3點(diǎn)云質(zhì)量

  點(diǎn)云的質(zhì)量可通過(guò)觀察點(diǎn)密度和噪點(diǎn)情況進(jìn)行評(píng)估。TLS 點(diǎn)云中的點(diǎn)密度非常高，但是上文進(jìn)行的比較顯示，無(wú)人機(jī)的低密度點(diǎn)云獲得的結(jié)果與之相似。因此我們可以得出結(jié)論，雖然無(wú)人機(jī)點(diǎn)云與 TLS 點(diǎn)云（設(shè)置為中等密度）相比提供的細(xì)節(jié)更少，但是對(duì)于大多數(shù)典型的測(cè)量程序而言，其仍提供了足夠的細(xì)節(jié)。

  雖然未對(duì)各個(gè)點(diǎn)云的噪點(diǎn)進(jìn)行評(píng)估，但是通過(guò)比較不同的無(wú)人機(jī)點(diǎn)云與 TLS 點(diǎn)云（將這些點(diǎn)云依次重疊）可以發(fā)現(xiàn)，其具有相同的標(biāo)準(zhǔn)偏差和最小偏移量。因此，我們可以得出結(jié)論：所有這些來(lái)源的噪點(diǎn)都很小且不具相關(guān)性——所有點(diǎn)云都是完全可用的，它們的衍生產(chǎn)品，例如 DTM（數(shù)字地面模型）、體積等，都不受影響。

  5.4總結(jié)

  對(duì)于需要最高細(xì)節(jié)級(jí)別的測(cè)量項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，例如小型場(chǎng)地的數(shù)字環(huán)保項(xiàng)目等，激光掃描方法無(wú)疑是最優(yōu)選擇。

  對(duì)于較大的項(xiàng)目，例如本項(xiàng)目的礫石坑或類(lèi)似規(guī)模的采石場(chǎng)或建筑工地，啟用 RTK 的無(wú)人機(jī)技術(shù)不僅可以提供可接受的點(diǎn)云細(xì)節(jié)等級(jí)，而且效率更高。除此之外，由于測(cè)量人員無(wú)需穿越場(chǎng)地，因此無(wú)人機(jī)方法還可以潛在地提高工作人員的安全性。

  對(duì)于本項(xiàng)目的礫石坑場(chǎng)地而言，從效率和質(zhì)量方面考慮可以得出結(jié)論，最佳的數(shù)據(jù)采集方法是 RTK 無(wú)人機(jī)低空（100 米）飛行（不使用 GCP）。該方法花費(fèi)的圖像處理時(shí)間最短，可獲得較高的絕對(duì)精度和可接受的點(diǎn)密度，同時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)最小化。

  無(wú)人機(jī)與 TLS 數(shù)據(jù)采集方法之間另一個(gè)值得注意的區(qū)別就是保存和未來(lái)重新加載無(wú)人機(jī)自動(dòng)飛行計(jì)劃的能力。這一點(diǎn)可確保在長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)某一場(chǎng)地時(shí)后期數(shù)據(jù)的一致性，例如計(jì)算從某一周或某個(gè)月到下一周或下個(gè)月的容積差。相比之下，TLS 方法需要控制點(diǎn)，如果控制點(diǎn)未固定到位，那么設(shè)置這些控制點(diǎn)會(huì)非常耗時(shí)。

  無(wú)人機(jī)提供的額外免費(fèi)視覺(jué)數(shù)據(jù)（航空二維正射形式（正射像片），圖像處理完畢后生成）頗具價(jià)值。這種數(shù)據(jù)可作為點(diǎn)云或數(shù)字表面模型的有力補(bǔ)充，提高客戶(hù)滿(mǎn)意度。

  最后一點(diǎn)，同樣也是值得注意的一點(diǎn)，從成本方面考慮，目前（2018 年 1 月）瑞士無(wú)人機(jī)的零售價(jià)格（表 5）約為 TLS 的三分之一。

  簡(jiǎn)歷

  Armin WEBER，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院測(cè)繪學(xué)碩士，Lerch Weber AG 公司共有人

  Thomas LERCH，瑞士西北應(yīng)用科技大學(xué) IT 學(xué)士與測(cè)繪學(xué)學(xué)士，Lerch Weber AG 公司共有人

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