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。

　　3.1無人機(jī)點云

　　利用在不同高度進(jìn)行的兩次無人機(jī)飛行以及在測量現(xiàn)場設(shè)置的 GCP，本項目提供了一個獨特的機(jī)會來生成和比較幾種不同的無人機(jī)點云。這可解決下述三個問題：

　　1) 僅靠 RTK 飛行能否達(dá)到 GCP 的精度水平？

　　通過對比啟用 RTK 的飛行與使用本項目 GCP 飛行的點云，有可能分析出僅在 RTK 模式下飛行（例如，未使用 GCP）時是否可以實現(xiàn) GCP 水平的地理空間精度。

　　2) 飛行高度/GSD 對點云質(zhì)量有何影響？

　　通過比較在不同高度進(jìn)行的兩次無人機(jī)飛行的點云，可評估分辨率對點云質(zhì)量的影響。

　　3) 照片數(shù)量對點云密度有何影響？

　　通過合并本項目 100 米和 150 米高飛行的點云，可分析數(shù)據(jù)處理中所使用的照片數(shù)量對點云密度是否有直接影響。

　　3.1 點云分析

　　考慮到地面掃描和無人機(jī)方法的精度，本部分最好分為相對精度和絕對精度。無人機(jī)的絕對精度可以通過使用地面控制點 (GCP) 或通過對無人機(jī)飛行進(jìn)行 RTK/PPK 校正來獲得。同時，無人機(jī)圖像所得結(jié)果的相對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，點云越密。

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

　　由于無人機(jī)的相對精度和絕對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 得到的點云先驗精度較高。出于這一原因，并且由于 TLS 數(shù)據(jù)采集可實現(xiàn)比無人機(jī)更高的點密度（在 TLS 的中等密度設(shè)置下），我們決定以 SX10 得到的點云為參考，來對比不同的無人機(jī)點云。

　　在 CloudCompare 和 Autodesk AutoCAD Civil 3D 2015 中對以地理坐標(biāo)為參考的 SX10 點云和四個無人機(jī)點云進(jìn)行了分析（圖 6）。

　　圖 6：用于對比的區(qū)域地圖

　　在 CloudCompare 中，使用一個名為 M3C2 的函數(shù)進(jìn)行分析。該插件可直接計算兩個點云之間的帶符號（和穩(wěn)?。┰隽?，是一種先進(jìn)的算法。然后用均值和標(biāo)準(zhǔn)差對三維差異進(jìn)行了比較（表 3）。

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

　　CloudCompare 和 AutoCAD 的數(shù)值結(jié)果見表 3。每個數(shù)值代表對某個特定的無人機(jī)點云與激光掃描儀點云進(jìn)行的對比。

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

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

　　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云中點的數(shù)量（表 4）。

　　表 4：不同點云中點的數(shù)量

　　將 100 米與 150 米高無人機(jī)飛行合并所得點云包含的點數(shù)與 100 米飛行點云的點數(shù)相似。這是因為合并處理的兩次飛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)采集所需時間

　　圖表 1：數(shù)據(jù)采集所需的總時間。

　　4.3

　　點云的截圖

　　圖 8：TLS 點云的截圖

　　圖 9：100 米/不使用 GCP 無人機(jī)點云的截圖

　　4.4 討論

　　雖然 GSD 對云密度的影響正如預(yù)期的那樣得到了證實——即，GSD 較高的點云中有更多點——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）并未帶來任何明顯的好處。平均 GSD 并沒有更精確，點云未包括更多的點（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），而整體處理時間更長。

　　對于僅在 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 (GCP) 的飛行相同的絕對精度這一問題，事實證明是有可能的。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。

　　關(guān)于捕獲點的數(shù)量——點密度——尤其是每平方米的平均點數(shù)，無人機(jī)飛行產(chǎn)生了足夠高的細(xì)節(jié)級別 (LOD)，可以用來測量采石場等場地。與此同時，TLS 提供了更高的細(xì)節(jié)級別，可用于更小、要求更高的項目，例如數(shù)字環(huán)保制圖。此外還有一點比較重要，就是兩種情況下（無人機(jī)和 TLS）點的密度都是均勻的，也就是說每平方米的最低和最高點密度之間差異很小，其與最終細(xì)節(jié)級別的相關(guān)性比與平均點數(shù)的相關(guān)性更高。

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

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

　　5. 結(jié)論

　　本遙感項目的目的是比較由 TLS 與無人機(jī)圖像生成的點云；特別是通過評估每個點云的數(shù)據(jù)采集效率性和評估每個點云的最終質(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 無人機(jī)在項目場地采集點數(shù)據(jù)的效率是 TLS 的兩倍多（圖片 1）。在無 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，無人機(jī)圖像必須進(jìn)行復(fù)制和處理，該過程約需花費一個小時到三個半小時，具體取決于飛行高度（表 2）。但是，我們必須注意到的是，攝影測量處理時間只是電腦時間——開始后，處理過程便可自動進(jìn)行。因此，員工仍舊可以做其他事情，例如計劃或執(zhí)行更多的無人機(jī)飛行。

　　將現(xiàn)場時間和處理時間相結(jié)合時，比較每種技術(shù)的總數(shù)據(jù)采集時間（表 5）可以發(fā)現(xiàn)，在類似本項目的礫石坑測量中，啟用 RTK 的 eBee Plus 的整體效率要高于 TLS。因此，對于此類場地來說，無人機(jī)是一種更加有效的方法，可以減少測量團(tuán)隊的數(shù)據(jù)采集工作量。因此，無人機(jī)可使此類機(jī)構(gòu)減少人力資源成本、提供更具競爭力的價格和/或在一定時間內(nèi)完成更多的項目。

　　5.2 絕對定位精度

　　我們可以得出結(jié)論，無人機(jī)無需使用 GCP 即可獲得較高的絕對精度（表 3），其原因是 senseFly 無人機(jī)和瑞士 VRS 系統(tǒng)可使圖像具有較高的地理坐標(biāo)精度。這一點可通過比較使用 GCP 和僅使用 RTK 功能的點云與 TLS 點云得到證實；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，即整個項目過程中一直存在噪點，無論是否使用 GCP。

　　5.3 點云質(zhì)量

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

　　雖然未對各個點云的噪點進(jìn)行評估，但是通過比較不同的無人機(jī)點云與 TLS 點云（將這些點云依次重疊）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：所有這些來源的噪點都很小且不具相關(guān)性——所有點云都是完全可用的，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)

　　對于需要最高細(xì)節(jié)級別的測量項目來說，例如小型場地的數(shù)字環(huán)保項目等，激光掃描方法無疑是最優(yōu)選擇。

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

　　對于本項目的礫石坑場地而言，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 無人機(jī)低空（100 米）飛行（不使用 GCP）。該方法花費的圖像處理時間最短，可獲得較高的絕對精度和可接受的點密度，同時將現(xiàn)場風(fēng)險最小化。

　　無人機(jī)與 TLS 數(shù)據(jù)采集方法之間另一個值得注意的區(qū)別就是保存和未來重新加載無人機(jī)自動飛行計劃的能力。這一點可確保在長期監(jiān)測某一場地時后期數(shù)據(jù)的一致性，例如計算從某一周或某個月到下一周或下個月的容積差。相比之下，TLS 方法需要控制點，如果控制點未固定到位，那么設(shè)置這些控制點會非常耗時。

　　無人機(jī)提供的額外免費視覺數(shù)據(jù)（航空二維正射形式（正射像片），圖像處理完畢后生成）頗具價值。這種數(shù)據(jù)可作為點云或數(shù)字表面模型的有力補(bǔ)充，提高客戶滿意度。

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

　　簡歷

　　Armin WEBER，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院測繪學(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)士與測繪學(xué)學(xué)士，Lerch Weber AG 公司共有人