摘要：為了比較當(dāng)今世界最先進(jìn)的兩種測量儀器，我們分別用Trimble SX10 掃描全站儀和senseFly eBeePlus RTK/PPK 攝影測量無人機(jī)對一個四公頃的礫石坑進(jìn)行了測量。

  摘要

  為了比較當(dāng)今世界最先進(jìn)的兩種測量儀器，我們分別用Trimble SX10 掃描全站儀和senseFly eBeePlus RTK/PPK 攝影測量無人機(jī)對一個四公頃的礫石坑進(jìn)行了測量。

  礫石坑是一種典型的測量場地，對這種場地來說，數(shù)字點云是最為重要的輸出數(shù)據(jù)，可用于容積計算、坡度測量、坡腳和坡頂檢測、等高線的生成等。本項目所選擇的礫石坑底部較深（約40米），此外它還具有水平、垂直和外懸的剖面，因此被我們選中。

  本項目共計生成五組獨立的點云數(shù)據(jù)：四組無人機(jī)點云數(shù)據(jù)（來自兩次無人機(jī)飛行，每次飛行離地面高度各不相同）和由五個站點合并而成的一組激光掃描儀點云數(shù)據(jù)。

  對于僅在 RTK/PPK 功能支持下進(jìn)行飛行是否可以獲得與使用地面控制點 (GCP) 的飛行一樣的絕對精度，事實證明是有可能實現(xiàn)的。對于使用 GCP 的點云而言，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。這意味著在整個項目期間，所有處理方法都給出了恒定的精度。為確保輸出數(shù)據(jù)的可靠性，尤其是垂直方向上，我們?nèi)匀粡?qiáng)烈建議使用至少一個 GCP。

  1.引言

  為了比較當(dāng)今世界最先進(jìn)的兩種測量儀器，我們分別用 Trimble SX10 掃描全站儀和 senseFly eBee Plus RTK/PPK 攝影測量無人機(jī)對一個四公頃的礫石坑進(jìn)行了測量。

  我們從下述幾方面對公司擁有的這兩種儀器進(jìn)行了比較：

  · 辦公室準(zhǔn)備時間

  · 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集時間

  · 數(shù)據(jù)處理時間

  · 兩種儀器所生成的點云質(zhì)量

  此外，我們安排 senseFly 無人機(jī)在兩個不同的高度飛行來生成四組不同的無人機(jī)點云，我們的次要目標(biāo)是對這些點云進(jìn)行比較研究，找出無人機(jī)進(jìn)行此類測繪工作的最佳工作流程。

  最后，作為本次比較研究的一部分，我們還探討了：

  · 每種儀器生成的視覺輸出是什么（如有）？

  · 使用每種儀器分別會給操作員帶來哪些現(xiàn)場風(fēng)險？

  · 兩種儀器的相對成本

  當(dāng)然，對于這幾種技術(shù)中是否有一種最適合所有的測量員這一問題來說，通過單個獨立項目對這幾種采集方法直接進(jìn)行比較并不能給出確切的答案。因此，具體選擇取決于：特定專業(yè)測量人員的需求；待測項目；還要考慮到技術(shù)本身的不斷發(fā)展。但是，這樣的比較有望突出這些產(chǎn)品及其點云輸出數(shù)據(jù)的相對優(yōu)勢和劣勢。本項目正是基于這一總體目標(biāo)而實施。

  2.方法

  2.1測量場地與技術(shù)

  本項目場地位于瑞士西北部 Olten 地區(qū)，是一片占地四公頃的礫石坑（圖 1）。之所以選擇礫石坑，是因為礫石坑是一種典型的測量場地，對這種場地來說，數(shù)字點云是最為重要的輸出數(shù)據(jù)，可用于容積計算、坡度測量、坡腳和坡頂檢測、等高線的生成等。該礫石坑底部較深（約 40米），此外它還具有水平、垂直和外懸的剖面，因此被我們選中。

圖 1：項目場地，位于瑞士 Olten 附近 Lostorf 的一片占地四公頃的礫石坑

  Trimble’s SX10 機(jī)器掃描全站儀（圖 2）使用的是激光掃描技術(shù)，而 senseFly’s eBee Plus 無人機(jī)（或 UAV/UAS）使用的是無人機(jī)測量技術(shù)。這種無人機(jī)內(nèi)置 RTK/PPK 功能（圖 2），并且搭載 senseFly S.O.D.A RGB 相機(jī)。

圖 2：senseFly eBee Plus 無人機(jī)（左）、 Trimble’s SX10 手動控制器（中）和帶有手提箱的 SX 10 掃描全站儀（右）。

  2.2點云概述

  本項目共計生成了五組獨立的點云：四組無人機(jī)點云（來自兩次無人機(jī)飛行，每次飛行離地面高度各不相同）和由五個站點合并而成的一組激光掃描儀點云。

  我們從下述幾方面對這些點云進(jìn)行了比較：

  · 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集流程（花費時間和相對復(fù)雜度）

  · 辦公室數(shù)據(jù)處理時間

  · 定位精度、密度和質(zhì)量

  2.3研究區(qū)域和控制點的設(shè)置

  本項目的測量工作由 Lerch Weber AG 公司的四名員工負(fù)責(zé)，并由一名 senseFly 工程師提供現(xiàn)場支持。

  為了校正激光掃描儀并評估無人機(jī)飛行的準(zhǔn)確性，本項目共在整個場地上設(shè)置了九個地面控制點 (GCP)，有效發(fā)揮了檢查點的作用。這些 GCP 利用 Trimble R10 GNSS 接收機(jī)進(jìn)行測量，均勻地分布在整個研究區(qū)域內(nèi)（圖 3）。GCP 用 50 厘米寬的方形黃色塑料板在地面上進(jìn)行了標(biāo)記。選擇這些 GCP 的原因是其具有高能見度，保證了其后可被正確識別并標(biāo)記在無人機(jī)的數(shù)字圖像中。

圖 3：本項目的地面控制點之一（左）和可能的掃描站點草圖（右）。

  設(shè)置九個 GCP——用于兩次測量——大約花費了 1.5 小時。GCP 點和激光掃描儀獲得的點云分別按照瑞士國家坐標(biāo)系統(tǒng) CH1903+/LV95 和國家水準(zhǔn)測量系統(tǒng) LN02 進(jìn)行測量。eBee Plus 的飛行在 WGS84 坐標(biāo)系下進(jìn)行，然后使用 Agisoft 的 Photocan 攝影測量軟件（也用于處理無人機(jī)的圖像）轉(zhuǎn)換到瑞士國家坐標(biāo)系。

  2.4無人機(jī)飛行準(zhǔn)備

  使用 eBee Plus 配備的 eMotion 3 軟件提前在辦公室制定無人機(jī)的飛行計劃：在 eMotion 中加載一張 senseFly 衛(wèi)星背景圖，然后圍繞項目場地畫一個多邊形，覆蓋區(qū)域為礫石坑測量周界外幾米。

  確定好飛行路線，也就設(shè)置了兩個關(guān)鍵的飛行參數(shù)：所需地面采樣間距 (GSD)（單位：厘米/像素）和所需圖像重疊度（縱向和橫向）。無人機(jī)的飛行高度會自動進(jìn)行計算，結(jié)果會在 eMotion 中指定 GSD 后直接給出。為了評估地面分辨率對無人機(jī)點云輸出質(zhì)量的影響，我們決定讓無人機(jī)在不同的高度飛行兩次。

  圖像重疊度選擇了指定的設(shè)置（表 1），以便在攝影測量過程中生成重構(gòu)效果良好且匹配度高的圖像。為了獲得所需重疊度，GSD 最高的飛行——兩次飛行中較低的一次，第一次飛行——采用了標(biāo)準(zhǔn)飛行路線和垂直飛行路線，而較短、分辨率較低的第二次飛行使用一組標(biāo)準(zhǔn)的飛行路線。

表 1：本項目兩架無人機(jī)飛行對比。

  為了提高無人機(jī)圖像地理標(biāo)注的精度，eBee Plus 能夠接收 RTK 校正。在本項目中，我們使用了來自Swisstopo的VRS RTK校正流。這種情況下需要訂閱 Swisstopo 服務(wù)，且場地中要有網(wǎng)絡(luò)連接（需要通過接入網(wǎng)絡(luò)的筆記本電腦運行 eMotion 來啟用）。

  為了使所有無人機(jī)圖像都達(dá)到 RTK 精度，無人機(jī)與地面站之間必須始終保持無線電連接。但是，如果無線電連接或筆記本電腦的網(wǎng)絡(luò)連接失敗，利用無人機(jī)的 PPK 功能仍有可能對飛行進(jìn)行校正。最后，這并非是必需步驟。

  抵達(dá)場地后，選擇了起飛和降落的地點；礫石坑旁邊的草地（圖 4）。

圖 4：起飛時的 eBee Plus。

  無人機(jī)每次飛行的辦公室準(zhǔn)備時間大約為 15 分鐘，現(xiàn)場還需要 5 至 10 分鐘：連接機(jī)翼，放入無人機(jī)的電池和相機(jī)，進(jìn)行飛行前檢查，并通過 USB 無線電臺調(diào)制解調(diào)器（連接到運行 eMotion 的筆記本電腦上）將飛行計劃無線上傳到無人機(jī)上。

  2.5激光掃描儀的準(zhǔn)備工作

  Trimble SX10 測量儀的辦公室準(zhǔn)備工作主要包括場地分析，目的是估算本項目的 GCP 和激光掃描站的最優(yōu)分布。每個站點需要能看到至少三個 GCP，且這些點要盡量分散。由于我們的工作人員已經(jīng)對場地地形有了一定的了解，所以這個過程花費的時間并不多，大約 15 分鐘左右。為了充分覆蓋整個場地，在礫石坑外和底部分別選擇了三個和兩個掃描站點。

  標(biāo)記并測量好本項目的九個 GCP 后，將 SX10 設(shè)置在其五個站點中的第一個（圖 5）。為了確定激光掃描儀的方向和確切位置，需要進(jìn)行儀器校平，然后使用“自由站點”方法（用于確定未知點相對于已知點的 3D 位置的方法，本案例中的已知點為三個預(yù)先設(shè)置的 GCP）。

  SX10 在五個站點中每個站點花費的設(shè)置時間均為 15 分鐘。該過程包括掃描儀操作員確定瞄準(zhǔn)哪些 GCP，另外一名操作員手持靶標(biāo)依次站在各個已知的點上。使用 SX10 的默認(rèn)點密度設(shè)置（中等）進(jìn)行激光掃描。各個站點所需的掃描時間取決于被掃描區(qū)域的寬度（直接在 SX10 屏幕上選擇）。

圖 5：確定 Trimble SX10 掃描全站儀在礫石坑底部的位置。

  設(shè)置 Trimble SX10 和用該儀器執(zhí)行激光掃描兩個過程平均花費的時間為每個站點 45 分鐘。所花費的時間總計為 3 小時，45 分鐘掃描，再加上操作員在掃描站點之間移動所花費的幾分鐘。

  3.處理工作

  回到辦公室后，處理過程包括：

  · 檢索和處理無人機(jī)飛行的圖像（.jpg），創(chuàng)建四組數(shù)字點云（表 2）。

  · 將激光掃描儀的點云文件（.las）拷貝到電腦上（五個站點的點直接在 SX10 上保存為一張點云）。

表 2：本項目兩次 eBee Plus 無人機(jī)飛行生成的四組無人機(jī)點云詳情。

  利用 Agisoft PhotoScan 攝影測量軟件對無人機(jī)圖像進(jìn)行處理。該軟件除了生成每次飛行的點云外，還會生成一個正射投影，即項目場地經(jīng)過正射處理的高分辨率航拍圖。

  由于在各個掃描站點收集的點已經(jīng)合并為了一個點云，因此從激光掃描的角度來看，唯一可以做的工作可能就是用 Trimble SX10 拍攝的 RGB 圖像給這些點上色。但是，由于本項目的對比工作是在不考慮顏色的情況下進(jìn)行的，我們認(rèn)為沒有必要進(jìn)行這一步。因此，所需的掃描后工作（將 TLS 連接到電腦上和拷貝 .las 文件）只花費了五分鐘。