摘要

　　為了比較當(dāng)今世界進(jìn)的兩種測(cè)量?jī)x器，我們分別用Trimble SX10 掃描全站儀和senseFly eBeePlus RTK/PPK 攝影測(cè)量無(wú)人機(jī)對(duì)一個(gè)四公頃的礫石坑進(jìn)行了測(cè)量。

　　礫石坑是一種典型的測(cè)量場(chǎng)地，對(duì)這種場(chǎng)地來(lái)說(shuō)，數(shù)字點(diǎn)云是最為重要的輸出數(shù)據(jù)，可用于容積計(jì)算、坡度測(cè)量、坡腳和坡頂檢測(cè)、等高線的生成等。本項(xiàng)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(xiàng)目共計(jì)生成五組獨(dú)立的點(diǎn)云數(shù)據(jù)：四組無(wú)人機(jī)點(diǎn)云數(shù)據(jù)(來(lái)自兩次無(wú)人機(jī)飛行，每次飛行離地面高度各不相同)和由五個(gè)站點(diǎn)合并而成的一組激光掃描儀點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

　　對(duì)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(diǎn) (GCP) 的飛行一樣的精度，事實(shí)證明是有可能實(shí)現(xiàn)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。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(gè) GCP。

　　1. 引言

　　為了比較當(dāng)今世界進(jìn)的兩種測(cè)量?jī)x器，我們分別用 Trimble SX10 掃描全站儀和 senseFly eBee Plus RTK/PPK 攝影測(cè)量無(wú)人機(jī)對(duì)一個(gè)四公頃的礫石坑進(jìn)行了測(cè)量。

　　我們從下述幾方面對(duì)公司擁有的這兩種儀器進(jìn)行了比較：

　　· 辦公室準(zhǔn)備時(shí)間

　　· 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集時(shí)間

　　· 數(shù)據(jù)處理時(shí)間

　　· 兩種儀器所生成的點(diǎn)云質(zhì)量

　　此外，我們安排 senseFly 無(wú)人機(jī)在兩個(gè)不同的高度飛行來(lái)生成四組不同的無(wú)人機(jī)點(diǎn)云，我們的次要目標(biāo)是對(duì)這些點(diǎn)云進(jìn)行比較研究，找出無(wú)人機(jī)進(jìn)行此類(lèi)測(cè)繪工作的工作流程。

　　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(jué)輸出是什么(如有)?

　　· 使用每種儀器分別會(huì)給操作員帶來(lái)哪些現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)?

　　· 兩種儀器的相對(duì)成本

　　當(dāng)然，對(duì)于這幾種技術(shù)中是否有一種最適合所有的測(cè)量員這一問(wèn)題來(lái)說(shuō)，通過(guò)單個(gè)獨(dú)立項(xiàng)目對(duì)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(zhuān)業(yè)測(cè)量人員的需求;待測(cè)項(xiàng)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(diǎn)云輸出數(shù)據(jù)的相對(duì)優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。本項(xiàng)目正是基于這一總體目標(biāo)而實(shí)施。

　　2. 方法

　　2.1 測(cè)量場(chǎng)地與技術(shù)

　　本項(xiàng)目場(chǎng)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?yàn)榈[石坑是一種典型的測(cè)量場(chǎng)地，對(duì)這種場(chǎng)地來(lái)說(shuō)，數(shù)字點(diǎn)云是最為重要的輸出數(shù)據(jù)，可用于容積計(jì)算、坡度測(cè)量、坡腳和坡頂檢測(cè)、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(xiàng)目場(chǎng)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(wú)人機(jī)(或 UAV/UAS)使用的是無(wú)人機(jī)測(cè)量技術(shù)。這種無(wú)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(wú)人機(jī)(左)、 Trimble’s SX10 手動(dòng)控制器(中)和帶有手提箱的 SX 10 掃描全站儀(右)。

　　2.2 點(diǎn)云概述

　　本項(xiàng)目共計(jì)生成了五組獨(dú)立的點(diǎn)云：四組無(wú)人機(jī)點(diǎn)云(來(lái)自兩次無(wú)人機(jī)飛行，每次飛行離地面高度各不相同)和由五個(gè)站點(diǎn)合并而成的一組激光掃描儀點(diǎn)云。

　　我們從下述幾方面對(duì)這些點(diǎn)云進(jìn)行了比較：

　　· 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集流程(花費(fèi)時(shí)間和相對(duì)復(fù)雜度)

　　· 辦公室數(shù)據(jù)處理時(shí)間

　　· 定位精度、密度和質(zhì)量

　　2.3 研究區(qū)域和控制點(diǎn)的設(shè)置

　　本項(xiàng)目的測(cè)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(chǎng)支持。

　　為了校正激光掃描儀并評(píng)估無(wú)人機(jī)飛行的準(zhǔn)確性，本項(xiàng)目共在整個(gè)場(chǎng)地上設(shè)置了九個(gè)地面控制點(diǎn) (GCP)，有效發(fā)揮了檢查點(diǎn)的作用。這些 GCP 利用 Trimble R10 GNSS 接收機(jī)進(jìn)行測(cè)量，均勻地分布在整個(gè)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(jiàn)度，保證了其后可被正確識(shí)別并標(biāo)記在無(wú)人機(jī)的數(shù)字圖像中。

　　圖 3：本項(xiàng)目的地面控制點(diǎn)之一(左)和可能的掃描站點(diǎn)草圖(右)。

　　設(shè)置九個(gè) GCP——用于兩次測(cè)量——大約花費(fèi)了 1.5 小時(shí)。GCP 點(diǎn)和激光掃描儀獲得的點(diǎn)云分別按照瑞士國(guó)家坐標(biāo)系統(tǒng) CH1903+/LV95 和國(guó)家水準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng) LN02 進(jìn)行測(cè)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(cè)量軟件(也用于處理無(wú)人機(jī)的圖像)轉(zhuǎn)換到瑞士國(guó)家坐標(biāo)系。

　　2.4 無(wú)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(wú)人機(jī)的飛行計(jì)劃：在 eMotion 中加載一張 senseFly 衛(wèi)星背景圖，然后圍繞項(xiàng)目場(chǎng)地畫(huà)一個(gè)多邊形，覆蓋區(qū)域?yàn)榈[石坑測(cè)量周界外幾米。

　　確定好飛行路線，也就設(shè)置了兩個(gè)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(wú)人機(jī)的飛行高度會(huì)自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果會(huì)在 eMotion 中指定 GSD 后直接給出。為了評(píng)估地面分辨率對(duì)無(wú)人機(jī)點(diǎn)云輸出質(zhì)量的影響，我們決定讓無(wú)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(cè)量過(guò)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 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(xiàng)目?jī)杉軣o(wú)人機(jī)飛行對(duì)比。

　　為了提高無(wú)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(xiàng)目中，我們使用了來(lái)自Swisstopo的VRS RTK校正流。這種情況下需要訂閱 Swisstopo 服務(wù)，且場(chǎng)地中要有網(wǎng)絡(luò)連接(需要通過(guò)接入網(wǎng)絡(luò)的筆記本電腦運(yùn)行 eMotion 來(lái)啟用)。

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

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

　　圖 4：起飛時(shí)的 eBee Plus。

　　無(wú)人機(jī)每次飛行的辦公室準(zhǔn)備時(shí)間大約為 15 分鐘，現(xiàn)場(chǎng)還需要 5 至 10 分鐘：連接機(jī)翼，放入無(wú)人機(jī)的電池和相機(jī)，進(jìn)行飛行前檢查，并通過(guò) USB 無(wú)線電臺(tái)調(diào)制解調(diào)器(連接到運(yùn)行 eMotion 的筆記本電腦上)將飛行計(jì)劃無(wú)線上傳到無(wú)人機(jī)上。

　　2.5 激光掃描儀的準(zhǔn)備工作

　　Trimble SX10 測(cè)量?jī)x的辦公室準(zhǔn)備工作主要包括場(chǎng)地分析，目的是估算本項(xiàng)目的 GCP 和激光掃描站的分布。每個(gè)站點(diǎn)需要能看到至少三個(gè) GCP，且這些點(diǎn)要盡量分散。由于我們的工作人員已經(jīng)對(duì)場(chǎng)地地形有了一定的了解，所以這個(gè)過(guò)程花費(fèi)的時(shí)間并不多，大約 15 分鐘左右。為了充分覆蓋整個(gè)場(chǎng)地，在礫石坑外和底部分別選擇了三個(gè)和兩個(gè)掃描站點(diǎn)。

　　標(biāo)記并測(cè)量好本項(xiàng)目的九個(gè) GCP 后，將 SX10 設(shè)置在其五個(gè)站點(diǎn)中的第一個(gè)(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(diǎn)”方法(用于確定未知點(diǎn)相對(duì)于已知點(diǎn)的 3D 位置的方法，本案例中的已知點(diǎn)為三個(gè)預(yù)先設(shè)置的 GCP)。

　　SX10 在五個(gè)站點(diǎn)中每個(gè)站點(diǎn)花費(fèi)的設(shè)置時(shí)間均為 15 分鐘。該過(guò)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(gè)已知的點(diǎn)上。使用 SX10 的默認(rèn)點(diǎn)密度設(shè)置(中等)進(jìn)行激光掃描。各個(gè)站點(diǎn)所需的掃描時(shí)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(gè)過(guò)程平均花費(fèi)的時(shí)間為每個(gè)站點(diǎn) 45 分鐘。所花費(fèi)的時(shí)間總計(jì)為 3 小時(shí)，45 分鐘掃描，再加上操作員在掃描站點(diǎn)之間移動(dòng)所花費(fèi)的幾分鐘。

　　3. 處理工作

　　回到辦公室后，處理過(guò)程包括：

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

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

　　表 2：本項(xiàng)目?jī)纱?eBee Plus 無(wú)人機(jī)飛行生成的四組無(wú)人機(jī)點(diǎn)云詳情。

　　利用 Agisoft PhotoScan 攝影測(cè)量軟件對(duì)無(wú)人機(jī)圖像進(jìn)行處理。該軟件除了生成每次飛行的點(diǎn)云外，還會(huì)生成一個(gè)正射投影，即項(xiàng)目場(chǎng)地經(jīng)過(guò)正射處理的高分辨率航拍圖。

　　由于在各個(gè)掃描站點(diǎn)收集的點(diǎn)已經(jīng)合并為了一個(gè)點(diǎn)云，因此從激光掃描的角度來(lái)看，可以做的工作可能就是用 Trimble SX10 拍攝的 RGB 圖像給這些點(diǎn)上色。但是，由于本項(xiàng)目的對(duì)比工作是在不考慮顏色的情況下進(jìn)行的，我們認(rèn)為沒(méi)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(fèi)了五分鐘。

　　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，本部分分為相對(duì)精度和精度。無(wú)人機(jī)的精度可以通過(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)健)增量，是一種先進(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，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)每平方米的和點(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 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，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，提高客戶滿意度。

　　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