大疆P4RTK结合PPK免相控进行露天矿土石方量计算并与三维激光扫描及RTK测量方式对比分析

土石方测量的传统方法是用RTK采集单点数据，对于地形复杂的大面积、大体积的土石方测算效率和测算精度比较低，无法精确的反应土石方的地表形态。而三维激光扫描技术和摄影测量技术的发展使得测量数据获取方式发生巨大改变，将传统单点测量模式推进至面式测量模式，可以大面积获取目标表面的点云数据，在数据获取效率、数据采集范围、数据精度、测量作业的安全性和自动化方面实现了全面提升。

本文笔者选取某露天煤矿的一片区域，测区面积约0.9个平方公里，测区最大高差150m，分别应用三种方式分别对该区域现状进行了测量，同时利用三种源数据进行了土石方量计算。对于RTK测量方式及三维激光扫描测量方式本文将不再赘述，重点对摄影测量方法进行介绍，并对三种测量方式的计算结果进行比对分析，对三种方式从四个方面进行综合对比分析。

1摄影测量方法测算土石方量概述

本次测量外业利用大疆精灵4RTK无人机飞行平台的PPK模式进行免像控飞行，静态基站为北斗海达TS7接收机，由于测区高差较大，为保证精度需进行仿地飞行，利用RTK采集检查点及基站点坐标。内业利用UAVmate软件进行POS 解算，利用Agisoft PhotoScan进行数据处理，利用EPS提取高程点，利用南方CASS9.1计算土方量。主要技术路线如下：

2摄影测量方法测算土石方量具体操作流程

2.1确定测区范围

根据往期航测正射影像可以大体可确定本期测区范围，将测区范围的dwg文件导入LVS软件，将测区范围重新画成面状，导出为KML文件，如下图：

2.2测区踏勘

测区踏勘需要选定起降点，起降点尽量选取测区范围内空阔无遮挡的制高点。本次航测，起降点为测区东北角的排土场最高点。

2.3预飞

测区KML文件导入P4R遥控器，规划航线进行预飞。预飞是为获得粗略DSM，所以行高可以设置的比较大，同时POS精度也不需要太高，使用RTK模式足以，不需要架静态基站，可快速进行。本次预飞行高设置为300m，外业飞行1个架次，航线内作业时间12min，总共获取183张照片。如下图：

2.4生成粗略DSM

预飞获取的照片导入UAVmate软件，可一键生成P4R可读取的DSM文件。如下图：

2.5 精确飞行

2.5.1架设基站

回到外业起降点，基站点做好标记，RTK采集基站点坐标，架设静态基站，量取仪器高，注意设置采样间隔、高度截止角等参数，开始采集静态数据。

2.5.2 航线规划

DSM文件导入遥控器，选取具体的飞行范围，设置飞行参数，规划航线。本次飞行选取测区为0.9平方公里，行高为130m。如下图：

2.5.3飞行

航线规划好以后，将飞行计划发送给飞机，起飞开始执行飞行计划。飞行过程中时刻注意飞机电量、速度、高度、避障系统信号、图传效果等及时应对突发情况。本次飞行，总共三个架次，航线内作业时间29min，获取照片607张。

2.5.4 公共点、检查点测量

飞行结束后，需利用RTK采集公共点和检查点。公共点是用来计算照片POS转换为地方坐标系的参数，所以需采集固定解情况下的WGS84坐标和地方坐标系下的投影坐标，为得到准确的参数，公共点最少为4个，需均匀分布在测区内。如果是固定的一个测区需测好几期的数据，只需计算一次转换参数，以后几期的数据都可以使用这一套参数。检查点用来验证精度，也要均匀分布在测区内，只需记录地方坐标。本次试验总共采集了6个公共点、36个检查点，分布情况如下图：

2.6内业数据处理

2.6.1 数据整理

回到内业后，第一步需对外业获取的数据进行整理并拷贝到电脑上。需要整理的数据包括照片、飞机静态数据、基站静态数据、基站点坐标及仪器高、公共点、检查点等。

2.6.2 POS解算

POS解算需在UAVmate软件中进行。首先新建项目，添加飞机静态数据、基站静态数据、基站WGS84坐标以及天线相位中心高度等。如下图：

设置坐标系统、选取目标椭球和中央子午线度数，如下图：

导入公共点坐标计算转换参数，并将参数应用于本项目，如下图：

设置处理选项，并开始解算，如下图：

本次试验计算结果如下图，绿色的为飞机的飞行轨迹，蓝色三角形为基站位置，所有POS都是固定解。最后将POS文件导出为CSV文件。

2.6.3 影像自动处理

本次试验使用Agisoft PhotoScan软件进行影像自动处理。首先新建项目，设置项目坐标系、相机精度等参数，如下图：

导入照片和POS文件，并设置相机参数，如下图：

设置批量处理流程，依次是对齐照片（空三）、优化照片对齐方式（空三优化）、生成密集点云、生成DEM、生成DOM、导出DEM、导出DOM等，同时设置好每一步的参数就可以开始自动处理，如下图：

本次试验影像自动处理总共耗时约4个小时，生成点云DEM、DOM如下图：

2.7精度验证

本次试验精度验证主要是对高程精度进行验证，将导出的DEM以及检查点DWG文件导入ArcGIS，用检查点在DEM栅格上提取值，用提取值与原高程值做字段运算得出差值，得到下表：

序号	RTK高程值	DEM高程值	差值
1	1198.830	1199.057	-0.227
2	1241.910	1242.096	-0.186
3	1200.280	1200.449	-0.169
4	1239.030	1239.189	-0.159
5	1196.750	1196.888	-0.138
6	1199.240	1199.368	-0.128
7	1200.310	1200.422	-0.112
8	1199.880	1199.988	-0.108
9	1243.000	1243.105	-0.105
10	1289.980	1290.083	-0.103
11	1243.530	1243.632	-0.102
12	1211.020	1211.113	-0.093
13	1198.740	1198.833	-0.093
14	1196.940	1197.033	-0.093
15	1210.790	1210.875	-0.085
16	1196.780	1196.861	-0.081
17	1210.980	1211.058	-0.078
18	1239.180	1239.257	-0.077
19	1290.070	1290.142	-0.072
20	1196.890	1196.958	-0.068
21	1211.010	1211.077	-0.067
22	1252.490	1252.556	-0.066
23	1250.440	1250.503	-0.063
24	1290.770	1290.828	-0.058
25	1290.140	1290.198	-0.058
26	1239.070	1239.127	-0.057
27	1243.080	1243.135	-0.055
28	1290.170	1290.224	-0.054
29	1196.880	1196.930	-0.050
30	1252.630	1252.674	-0.044
31	1252.630	1252.674	-0.044
32	1198.470	1198.513	-0.043
33	1196.990	1197.029	-0.039
34	1239.380	1239.415	-0.035
35	1253.360	1253.392	-0.032
36	1250.000	1250.032	-0.032
37	1242.430	1242.461	-0.031
38	1290.210	1290.239	-0.029
39	1241.580	1241.608	-0.028
40	1252.930	1252.953	-0.023
41	1243.990	1244.012	-0.022
42	1211.010	1211.000	0.010

本次试验将公共点也用作检查点，总共42个检查点。上表分析发现，总体上航测获得的DEM数据要高于RTK数据的，最大差值为227mm，其中差值超过100mm的有11个点，占比约25%，总体上航测数据和RTK的数据是非常接近的。

2.8高程点提取

高程点提取比较经济简单的方法是在EPS软件中进行。将航测生成的DOM和DEM导入EPS生成垂直摄影模型，在模型上利用点选、线选、面选提取高程点。提取过程中比较快速准确的顺序是先用线选方式提取坡顶底线特征点，在用面选方式等间距提取高程点，接着用点选方式对特定区域进行补充加密，后对高程点进行检查，将落在车辆、人员、设备上的点删掉，最后将高程点导出为dwg格式，如下图：

本次试验由于RTK测量方式测量范围有限，所以按照RTK测量方式的测区范围在垂直摄影模型上提取了10991个高程点，其中线选高程点间距为2m，面选高程点间距为5m。

2.9土方量计算

由于CASS软件方格网法计算土石方量在行业内应用非常广泛，认可度也非常高，所以此次试验也使用CASS软件方格网法计算土石方量。首先利用高程点生成三角网和等高线，在等高线异常区域，删减异常点或者重组三角网，最后利用方格网法计算土石方量。本次实验，计算格网间距为10米，计算区域面积为146649.3㎡、填方量为4223.3m³、挖方量为1725757 m³，如下图：

3结果对比分析

本次实验选取RTK测量方式、三维激光扫描方式、摄影测量方式的公共区域进行三种方式的土方量测算对比实验，其中RTK测量方式采集的高程点间距约为8m，三维激光扫描方式、摄影测量方式提取的高程点间距相同。三种方式最终都是用CASS方格网法计算土石方量，网格间距为10m，起算数据相同、计算边界相同。三维激光扫描仪测量方式的单点精度基本接近RTK测量方式，但维激光扫描仪测量方式数据量大，更能精确的反应土石方的地表形态，所以此种方式测算的土石方相比其他两种方式是最精确的，本次试验对另外两种方式的方量与三维激光扫描仪测量方式进行了比较，结果如下表：

由上表分析可得，摄影测量方式测算土方量虽然在单点精度上弱于三维扫描仪精度，但整体模型对土石方现状细节体现的比较好，所以在计算土方量上更精确，基本接近于扫描仪测量方式；而RTK测量方式虽然单点精度比较高，但由于人工采集的高程点密度有限，对土石方现状细节体现的不太精确，所以计算的土石方量的准确性也是要弱于其他两种方式的。

本次试验中RTK测量方式的人工作业时间最长为3小时，另外两种方式为2小时，差距不是很明显，但是如果测区范围较大、地形比较复杂的情况下三种方式的人工作业时间会有比较明显的差距。首先RTK测量方式人工作业时间肯定是最长的；其次三维激光扫描仪由于通视不好、测程短等原因也需要大量搬站测量，人工作业时间次之；而摄影测量方式的人工作业时间应该是最短的，大部分时间是靠计算机自动处理。

在安全方面，摄影测量方式由于外业作业时间短，需要人员少，同等情况下需要待在生产现场的人次时间最少，同时人员也不需要特别靠近在生产现场的危险区域，所以安全性是最高的；扫描仪测量方式的需要待在生产现场的人次时间次之；RTK测量方式需要的外业测量人员最多，需要待在生产现场的人次时间最多，同时人员必须进入生产现场的危险区域采集特征点，安全性是最低的。

在价格上，目前三维激光扫描仪价格昂贵，动辄上百万；而目前摄影测量方式的软硬件价格越来越趋向于平民化，基本接近于RTK测量设备的价格。

综上述，可对三种方式从准确性、时效性、安全性、经济性四个方面去对比得到下表：

由此可见，摄影测量方式是最适合应用于露天矿土石方量测算的。

- END -

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