基于数字图像技术的沙石坑土方量测量方法

摘要

一种基于数字图像技术的沙石坑土方量测量方法，运用掌上电脑、GPS接收机和数码相机，实现外业信息的数字化采集与记录。在外业测量时，首先GPS接收机布设控制点，采集控制点的三维坐标；运行在掌上电脑的软件通过GNSS网络实时接收GPS定位结果，生成GPSPoint点图层和沙坑边界线图层；选择合适的控制点架设标杆，标杆上布设两个标识牌，作为像片控制点，用数码相机对沙石坑以及标杆进行拍照；外业工作结束后，将照片与外业采集数据上传至内业数据处理系统；基于控制点图层，利用单张像片解算像片信息，然后通过立体相对结算得到沙石坑内部点的三维坐标；构建沙石坑的三角网模型，对三角网模型进行计算，得到沙石坑深度和土方量。

说明书

技术领域

本发明涉及沙石坑土方量的测量方法，特别是一种基于数字图像技术的沙石坑土方量测量方法，属于土地管理电子信息化技术领域。

背景技术

随着国家城镇化步伐的加快和各项建设事业的发展，我国砂石矿开采速度逐渐加快，但大都以中小规模为主。从二十世纪九十年代中后期到本世纪初，随着我国城市化进程的加快，特别是房地产业和道路等基础设施建设的快速发展，大中小城市对砂石料有着巨大的市场需求，挖沙采矿现象不断加剧，一度达到了失控状态，而且挖砂行为公司化、规模化及机械化特征十分明显。沙石坑的存在不仅恶化生态环境，破坏宝贵的土地资源，还对城市建设及城市管理和土地规划造成了不利的影响，因此治理和修复沙石坑至关重要。

以现有技术的测量手段对沙石坑现状调查主要包括沙石坑的深度和规模以及沙石坑土方量，从精度、生产周期、生产成本和制约条件等几方面分析，存在明显不足：

(1)航空激光扫描仪(航空LIDAR)：LIDAR系统在工作时通常都配有CCD相机，工作时沿测区设计航线采集地面点三维数据，数据获取完毕后可处理得到测区正射影像和地面高程模型(DEM)。LIDAR地面采集精度是相当高的，生产周期比较短，受气象条件的约束也比航空摄影要小一些。但生产成本仍然比较高，一般适用于大面积地形测量。

(2)地面激光扫描仪(地面LIDAR)：地面LIDAR采用非接触式高速激光测量方式，扫描仪对目标发射激光，根据激光发射和接收的时间差，计算出相应被测点与扫描仪的距离，再跟据水平向和垂直向的步进角距值，实时计算出被测点的三维坐标，即以点云的形式获取地形及复杂物体三维表面的阵列式几何图形数据。精度非常高，设备操作简单，自动化程度高。但是生产成本高，并且相比航空LIDAR，地面LIDAR的激光功率要小得多，所以其最大测量距离大多300m左右(反射率大于80％的条件下)，而通常地面反射率早20％以下，沙坑内则更低。

(3)外业实测：在外业实测中，首先布设GPS控制点，采用GPS卫星接收机进行控制点数据的采集，用全站仪补充GPS无法采集到的点的数据，高效、低成本地测量沙石坑内相应部分的地形变化。但这种外业实测都会存在数据采集不全、不准的情况，比如说地形变化处如沟、坎、堤、坡等上面有点下面无点或少点，也会受到天气和环境的影响。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术不足之处，提供一种基于数字图像技术的沙石坑土方量测量方法，采用近景摄影测量技术，以掌上电脑和数码相机为主，基于GPS/RTK和双标志杆，实现了外业采集自动化，免去全站仪布设和采点，设备简单，操作方便，生产周期短，大大减少了外业工作量，降低了成本。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：一种基于数字图像技术的沙石坑土方量测量方法，其特征是设有：

(1)用于全球卫星定位的GNSS网络；

(2)外业数据采集系统：包括操作系统为Windows Mobile 5.0及以上版本且安装有外业数据采集软件的掌上电脑、数码相机、GPS/RTK设备；

(3)内业数据处理系统：设有内业数据处理软硬件，包括.NET Framework2.0且安装有内业数据处理系统的计算机；

首先进行外业测量，根据沙石坑地形，在沙石坑边缘布设控制点，运行在掌上电脑的外业软件，通过GNSS网络实时接收GPS定位结果，实时显示在掌上电脑上并保存在外业软件的GPSPoint点图层中，然后对GPSPoint点图层进行屏幕取点，将所布设的控制点按照顺序依次连接，构成沙坑边界线图层，保存在PDA中；选择控制点，把这些控制点作为像片控制点，在这些像片控制点上架设双标志杆，用数码相机对沙石坑内陷区以及双标志杆进行拍照，将像片与外业采集数据上传至内业数据处理系统，根据GPSPoint点图层和像片，解算单张像片信息，然后通过立体像对解算得到沙石坑内部点的三维坐标，利用沙石坑边界线图层文件建立三角网模型，对三角网模型进行计算，得到沙石坑深度和土方量。

上述方法可按以下具体步骤进行：

(1)影像图导入：内业数据处理系统通过访问地图数据库，下载地图数据，将该数据通过数据线导入外业数据采集系统的掌上电脑中，导航到沙石坑现场；

(2)采集沙石坑边界控制点信息：在沙石坑的边界特征点处布设控制点，运行在掌上电脑的外业软件通过GNSS网络实时接收GPS定位结果，并实时显示在掌上电脑上，这些点自动保存在外业软件的GPSPoint点图层中，然后对GPSPoint点图层进行屏幕取点，按照顺序依次连接，构成沙坑边界线图层，保存在PDA中；选择控制点作为像片控制点，这些像片控制点应确保构成四个照片像对，通过这四个照片像对能获得沙石坑内陷区的内部点，在像片控制点架设双标志杆，即在一个像片控制点的标杆上布设两个测量标志；

(3)数码相机实地拍照：数码相机从能反映沙石坑内部地形的方向拍摄立体像对，组成立体像对的摄影角度应大于45°并小于135°，沙石坑应处于像片的中间位置，并且每张像片内至少包含三个双标志杆，随着摄影方向的变化，标牌应能及时正面对准摄影方向，以提高标牌成像效果；

(4)运行在掌上电脑的外业软件将所有的空间和属性信息保存为shapefile格式文件，直至外业数据采集工作结束；

(5)外业数据导入内业数据处理系统：将外业采集生成的控制点图层以及数码相机拍照的数码相片通过数据线导入内业数据处理系统；

(6)单张像片解算相片信息：基于GPSPoint点图层，利用像片控制点的在相片上的二维平面坐标以及外业采集的三维空间坐标，利用摄影测量理论，计算数码像片的内方位元素、相片的外方位元素和畸变系数，其中，外方位元素包括摄影位置参数X_S、Y_S、Z_S和摄影姿态参数ω、κ，内方位元素包括影物镜焦距f和像片像主点的图像坐标x₀、y₀(在该算法中二者均为0)，像片像主点为物镜中心在像片上的垂足点，物镜畸变系数为k₁；

(7)立体像对解算沙石坑内部点坐标信息：根据沙石坑内部的一些特征点，利用立体像对的前方交会原理，计算这些特征点的空间三维坐标，这些特征点保存在沙坑内部点图层中，与外业获得的沙坑边界线图层共同组成构建不规则三角网模型的数据(TIN)；

(8)土方量计算：根据外业采集数据和内业处理的数据，利用沙石坑边界点构建第一期TIN，在第一期TIN下插入沙石坑内部点，建立第二期TIN，两期TIN相减，从而求得沙石坑土方量，并且可得到沙石坑的深度。

本发明的优点及显著效果：

(1)创新性的设计了沙石坑土方量测量的新方法，以掌上电脑和数码相机为主，GPS/RTK和双标牌为辅，实现外业信息的全数字化采集和记录，外业设备简单，工作量小。掌上电脑可以实时显示GPS的定位信息，并且记录保存沙石坑边界点图层；数码相机拍摄的沙石坑照片可以提供丰富的沙坑信息，利用单张像片和立体像对解算可得到沙石坑内部点的三维坐标。

(2)创新性的设计了外业采集中的“一杆双标”的形式，也就是在架设在一个控制点的标杆上布设两个测量标志牌，该方法不仅能够减少控制点的布设数量，同时可以提高测量精度。

(3)创新性的设计了内业数据处理系统，结合掌上电脑的底图信息，GPS/RTK得到的像片控制点图层，在内业系统中与数码相片进行综合处理，得到沙石坑的内部点，进而进行构建沙石坑的三角网模型，进行土方量计算，简单方便。

本发明可应用于以下的领域或行业：

(1)规划部门用于土地规划；

(2)国土部门用于沙石坑治理和修复；

(3)国土资源部门用于矿产计算。

附图说明

图1是本发明方法的系统连接示意图；

图2是外业数据采集示意图；

图3是本发明的数据流图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

如图1，基于近景摄影测量技术的土方量测量方法设有

(1)用于全球卫星定位的GNSS网络；

(2)外业数据采集系统：操作系统为Windows Mobile 5.0及以上版本且安装有外业数据采集软件的掌上电脑一个、数码相机一台、GPS/RTK设备一套；

内业数据处理系统：.NetFramework 2.0且安装有内业数据处理系统的计算机一台。

在进行外业测量之前，先对部署了外业数据采集软件的掌上电脑进行参数配置和网络连接；进行外业测量时，布设控制点，运行在掌上电脑的外业软件，通过GNSS网络实时接收GPS定位结果，并实时显示在掌上电脑上，这些点自动保存在外业软件的GPSPoint点图层中，然后对其进行屏幕取点，按照顺序依次连接，构成沙坑边界线图层，保存在PDA中；选择合适的控制点架设标杆，标杆上布设两个标识牌，即“一杆双标”，作为像片控制点；用数码相机对沙石坑以及标识牌进行拍照；外业工作结束后，将照片与外业采集数据上传至内业数据处理系统；基于GPSPoint点图层，利用单张像片解算像片信息，然后通过立体相对结算得到沙石坑内部点的三维坐标；构建沙石坑的三角网模型，对三角网模型进行计算，得到沙石坑深度和土方量。

如图2，本发明的外业数据采集流程为：

首先布设控制点，运行在掌上电脑的外业软件，通过GNSS网络实时接收GPS定位结果，并实时显示在掌上电脑上，这些点自动保存在外业软件的GPSPoint点图层中，然后对其进行屏幕取点，按照顺序依次连接，构成沙坑边界线图层，保存在PDA中；根据现场测量，运行在掌上电脑的外业软件即可获得沙坑的GPSPoint点图层和沙坑边界线图层；选择合适的控制点架设标杆，标杆上布设两个标识牌，作为像片控制点；用数码相机对沙石坑以及标识牌进行拍照；重复上述步骤，直至外业工作结束。在实际测试时，布设了13个控制点，运行在掌上电脑的外业软件通过GNSS网络实时接收到这13个控制点的定位结果，获得其三维坐标；选择1号点，2号点，3号点，4号点，5号点，7号点，10号点，12号点和13号点作为标识点(像片控制点)，在这些点上架设双标志杆；从远处不同的角度对其进行拍照，拍摄像对，该实验获得了四对像对，第一对像对的每张照片都包含1号点、2号点、3号点和4号点，第二对像对的每张照片包含3号点、4号点、5号点和7号点，第三对像对的每张照片包含7号点、4号点、10号点和12号点，第四对像对的每张照片包含12号点、10号点、13号点和4号点。

如图3，本发明方法具体包括以下步骤：

(1)影像图导入：内业数据处理系统通过访问地图数据库，下载地图数据，将该数据通过数据线导入外业数据采集系统的掌上电脑中，导航到沙石坑现场。

(2)采集沙石坑边界控制点信息：在沙石坑的边界特征点上布设控制点，运行在掌上电脑的外业软件通过GNSS网络实时接收GPS定位结果，并实时显示在掌上电脑上，这些点自动保存在外业软件的GPSPoint点图层中，然后对其进行屏幕取点，按照顺序依次连接，构成沙坑边界线图层，保存在PDA中，选择合适的控制点架设标杆，标杆上布设双标识牌，作为像片控制点。

(3)数码相机实地拍照：数码相机从能反映沙石坑内部地形的方向拍摄立体像对，组成立体像对的摄影角度应大于45°并小于135°。沙石坑应处于像片的中间位置，并且每张像片内至少包含三个双标志杆。随着摄影方向的变化，标牌应能及时正面对准摄影方向，以提高标牌成像效果。

(4)运行在掌上电脑的外业软件将所有的空间和属性信息保存为shapefile格式文件，直至外业数据采集工作结束。

(5)外业数据导入内业数据处理系统：将外业采集生成的控制点图层以及数码相机拍照的数码相片通过数据线导入内业数据处理系统。

(6)单张像片解算相片信息：基于GPSPoint点图层，利用像片控制点的在相片上的二维平面坐标以及外业采集的三维空间坐标，利用摄影测量理论，计算数码像片的内方位元素、相片的外方位元素和畸变系数。其中，外方位元素包括摄影位置参数X_S、Y_S、Z_S和摄影姿态参数ω、κ，内方位元素包括影物镜焦距f和像片像主点的图像坐标x₀、y₀(在该算法中二者均为0)，像片像主点为物镜中心在像片上的垂足点。物镜畸变系数为k₁。

(7)立体像对解算沙石坑内部点坐标信息：根据沙石坑内部的一些特征点，利用立体像对的前方交会原理，计算这些特征点的空间三维坐标，这些特征点保存在沙坑内部点图层中，与外业获得的沙坑边界线图层共同组成构建三角网模型的数据。

(8)土方量计算：根据外业采集数据和内业处理的数据，利用沙石坑边界点构建第一期不规则三角网模型TIN，在第一期TIN下插入沙石坑内部点，建立第二期TIN，两期TIN相减，从而求得沙石坑土方量，并且可得到沙石坑的深度。