摘要：為了比較當今世界最先進的兩種測量儀器，我們分別用Trimble SX10 掃描全站儀和senseFly eBeePlus RTK/PPK 攝影測量無人機對一個四公頃的礫石坑進行了測量。
摘要
為了比較當今世界最先進的兩種測量儀器，我們分別用Trimble SX10 掃描全站儀和senseFly eBeePlus RTK/PPK 攝影測量無人機對一個四公頃的礫石坑進行了測量。
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)：四組無人機點云數(shù)據(jù)（來自兩次無人機飛行，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。四次無人機數(shù)據(jù)處理所得的標準偏差均相同。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)匀粡娏医ㄗh使用至少一個 GCP。
1.引言
為了比較當今世界最先進的兩種測量儀器，我們分別用 Trimble SX10 掃描全站儀和 senseFly eBee Plus RTK/PPK 攝影測量無人機對一個四公頃的礫石坑進行了測量。
我們從下述幾方面對公司擁有的這兩種儀器進行了比較：
· 辦公室準備時間
· 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 無人機在兩個不同的高度飛行來生成四組不同的無人機點云，我們的次要目標是對這些點云進行比較研究，找出無人機進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)場風險？
· 兩種儀器的相對成本
當然，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（或 UAV/UAS）使用的是無人機測量技術(shù)。這種無人機內(nèi)置 RTK/PPK 功能（圖 2），并且搭載 senseFly S.O.D.A RGB 相機。
圖 2：senseFly eBee Plus 無人機（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：四組無人機點云（來自兩次無人機飛行，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 公司的四名員工負責，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飛行的準確性，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 接收機進行測量，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行了標記。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記在無人機的數(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系統(tǒng) CH1903+/LV95 和國家水準測量系統(tǒng) LN02 進行測量。eBee Plus 的飛行在 WGS84 坐標系下進行，然后使用 Agisoft 的 Photocan 攝影測量軟件（也用于處理無人機的圖像）轉(zhuǎn)換到瑞士國家坐標系。
2.4無人機飛行準備
使用 eBee Plus 配備的 eMotion 3 軟件提前在辦公室制定無人機的飛行計劃：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）。無人機的飛行高度會自動進行計算，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點云輸出質(zhì)量的影響，我們決定讓無人機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——采用了標準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準的飛行路線。
表 1：本項目兩架無人機飛行對比。
為了提高無人機圖像地理標注的精度，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）。
為了使所有無人機圖像都達到 RTK 精度，無人機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，利用無人機的 PPK 功能仍有可能對飛行進行校正。最后，這并非是必需步驟。
抵達場地后，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。
無人機每次飛行的辦公室準備時間大約為 15 分鐘，現(xiàn)場還需要 5 至 10 分鐘：連接機翼，放入無人機的電池和相機，進行飛行前檢查，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上。
2.5激光掃描儀的準備工作
Trimble SX10 測量儀的辦公室準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哪些 GCP，另外一名操作員手持靶標依次站在各個已知的點上。使用 SX10 的默認點密度設(shè)置（中等）進行激光掃描。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 無人機飛行生成的四組無人機點云詳情。
利用 Agisoft PhotoScan 攝影測量軟件對無人機圖像進行處理。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行的，我們認為沒有必要進行這一步。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。
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