摘要：为了比较当今世界最先进的两种测量仪器，我们分别用Trimble SX10 扫描全站仪和senseFly eBeePlus RTK/PPK 摄影测量无人机对一个四公顷的砾石坑进行了测量。

  摘要

  为了比较当今世界最先进的两种测量仪器，我们分别用Trimble SX10 扫描全站仪和senseFly eBeePlus RTK/PPK 摄影测量无人机对一个四公顷的砾石坑进行了测量。

  砾石坑是一种典型的测量场地，对这种场地来说，数字点云是最为重要的输出数据，可用于容积计算、坡度测量、坡脚和坡顶检测、等高线的生成等。本项目所选择的砾石坑底部较深（约40米），此外它还具有水平、垂直和外悬的剖面，因此被我们选中。

  本项目共计生成五组独立的点云数据：四组无人机点云数据（来自两次无人机飞行，每次飞行离地面高度各不相同）和由五个站点合并而成的一组激光扫描仪点云数据。

  对于仅在 RTK/PPK 功能支持下进行飞行是否可以获得与使用地面控制点 (GCP) 的飞行一样的绝对精度，事实证明是有可能实现的。对于使用 GCP 的点云而言，各次飞行的平均偏移量要比搭载 RTK 但未使用 GCP 的飞行少几厘米。四次无人机数据处理所得的标准偏差均相同。这意味着在整个项目期间，所有处理方法都给出了恒定的精度。为确保输出数据的可靠性，尤其是垂直方向上，我们仍然强烈建议使用至少一个 GCP。

  1.引言

  为了比较当今世界最先进的两种测量仪器，我们分别用 Trimble SX10 扫描全站仪和 senseFly eBee Plus RTK/PPK 摄影测量无人机对一个四公顷的砾石坑进行了测量。

  我们从下述几方面对公司拥有的这两种仪器进行了比较：

  · 办公室准备时间

  · 现场数据采集时间

  · 数据处理时间

  · 两种仪器所生成的点云质量

  此外，我们安排 senseFly 无人机在两个不同的高度飞行来生成四组不同的无人机点云，我们的次要目标是对这些点云进行比较研究，找出无人机进行此类测绘工作的最佳工作流程。

  最后，作为本次比较研究的一部分，我们还探讨了：

  · 每种仪器生成的视觉输出是什么（如有）？

  · 使用每种仪器分别会给操作员带来哪些现场风险？

  · 两种仪器的相对成本

  当然，对于这几种技术中是否有一种最适合所有的测量员这一问题来说，通过单个独立项目对这几种采集方法直接进行比较并不能给出确切的答案。因此，具体选择取决于：特定专业测量人员的需求；待测项目；还要考虑到技术本身的不断发展。但是，这样的比较有望突出这些产品及其点云输出数据的相对优势和劣势。本项目正是基于这一总体目标而实施。

  2.方法

  2.1测量场地与技术

  本项目场地位于瑞士西北部 Olten 地区，是一片占地四公顷的砾石坑（图 1）。之所以选择砾石坑，是因为砾石坑是一种典型的测量场地，对这种场地来说，数字点云是最为重要的输出数据，可用于容积计算、坡度测量、坡脚和坡顶检测、等高线的生成等。该砾石坑底部较深（约 40米），此外它还具有水平、垂直和外悬的剖面，因此被我们选中。

图 1：项目场地，位于瑞士 Olten 附近 Lostorf 的一片占地四公顷的砾石坑

  Trimble’s SX10 机器扫描全站仪（图 2）使用的是激光扫描技术，而 senseFly’s eBee Plus 无人机（或 UAV/UAS）使用的是无人机测量技术。这种无人机内置 RTK/PPK 功能（图 2），并且搭载 senseFly S.O.D.A RGB 相机。

图 2：senseFly eBee Plus 无人机（左）、 Trimble’s SX10 手动控制器（中）和带有手提箱的 SX 10 扫描全站仪（右）。

  2.2点云概述

  本项目共计生成了五组独立的点云：四组无人机点云（来自两次无人机飞行，每次飞行离地面高度各不相同）和由五个站点合并而成的一组激光扫描仪点云。

  我们从下述几方面对这些点云进行了比较：

  · 现场数据采集流程（花费时间和相对复杂度）

  · 办公室数据处理时间

  · 定位精度、密度和质量

  2.3研究区域和控制点的设置

  本项目的测量工作由 Lerch Weber AG 公司的四名员工负责，并由一名 senseFly 工程师提供现场支持。

  为了校正激光扫描仪并评估无人机飞行的准确性，本项目共在整个场地上设置了九个地面控制点 (GCP)，有效发挥了检查点的作用。这些 GCP 利用 Trimble R10 GNSS 接收机进行测量，均匀地分布在整个研究区域内（图 3）。GCP 用 50 厘米宽的方形黄色塑料板在地面上进行了标记。选择这些 GCP 的原因是其具有高能见度，保证了其后可被正确识别并标记在无人机的数字图像中。

图 3：本项目的地面控制点之一（左）和可能的扫描站点草图（右）。

  设置九个 GCP——用于两次测量——大约花费了 1.5 小时。GCP 点和激光扫描仪获得的点云分别按照瑞士国家坐标系统 CH1903+/LV95 和国家水准测量系统 LN02 进行测量。eBee Plus 的飞行在 WGS84 坐标系下进行，然后使用 Agisoft 的 Photocan 摄影测量软件（也用于处理无人机的图像）转换到瑞士国家坐标系。

  2.4无人机飞行准备

  使用 eBee Plus 配备的 eMotion 3 软件提前在办公室制定无人机的飞行计划：在 eMotion 中加载一张 senseFly 卫星背景图，然后围绕项目场地画一个多边形，覆盖区域为砾石坑测量周界外几米。

  确定好飞行路线，也就设置了两个关键的飞行参数：所需地面采样间距 (GSD)（单位：厘米/像素）和所需图像重叠度（纵向和横向）。无人机的飞行高度会自动进行计算，结果会在 eMotion 中指定 GSD 后直接给出。为了评估地面分辨率对无人机点云输出质量的影响，我们决定让无人机在不同的高度飞行两次。

  图像重叠度选择了指定的设置（表 1），以便在摄影测量过程中生成重构效果良好且匹配度高的图像。为了获得所需重叠度，GSD 最高的飞行——两次飞行中较低的一次，第一次飞行——采用了标准飞行路线和垂直飞行路线，而较短、分辨率较低的第二次飞行使用一组标准的飞行路线。

表 1：本项目两架无人机飞行对比。

  为了提高无人机图像地理标注的精度，eBee Plus 能够接收 RTK 校正。在本项目中，我们使用了来自Swisstopo的VRS RTK校正流。这种情况下需要订阅 Swisstopo 服务，且场地中要有网络连接（需要通过接入网络的笔记本电脑运行 eMotion 来启用）。

  为了使所有无人机图像都达到 RTK 精度，无人机与地面站之间必须始终保持无线电连接。但是，如果无线电连接或笔记本电脑的网络连接失败，利用无人机的 PPK 功能仍有可能对飞行进行校正。最后，这并非是必需步骤。

  抵达场地后，选择了起飞和降落的地点；砾石坑旁边的草地（图 4）。

图 4：起飞时的 eBee Plus。

  无人机每次飞行的办公室准备时间大约为 15 分钟，现场还需要 5 至 10 分钟：连接机翼，放入无人机的电池和相机，进行飞行前检查，并通过 USB 无线电台调制解调器（连接到运行 eMotion 的笔记本电脑上）将飞行计划无线上传到无人机上。

  2.5激光扫描仪的准备工作

  Trimble SX10 测量仪的办公室准备工作主要包括场地分析，目的是估算本项目的 GCP 和激光扫描站的最优分布。每个站点需要能看到至少三个 GCP，且这些点要尽量分散。由于我们的工作人员已经对场地地形有了一定的了解，所以这个过程花费的时间并不多，大约 15 分钟左右。为了充分覆盖整个场地，在砾石坑外和底部分别选择了三个和两个扫描站点。

  标记并测量好本项目的九个 GCP 后，将 SX10 设置在其五个站点中的第一个（图 5）。为了确定激光扫描仪的方向和确切位置，需要进行仪器校平，然后使用“自由站点”方法（用于确定未知点相对于已知点的 3D 位置的方法，本案例中的已知点为三个预先设置的 GCP）。

  SX10 在五个站点中每个站点花费的设置时间均为 15 分钟。该过程包括扫描仪操作员确定瞄准哪些 GCP，另外一名操作员手持靶标依次站在各个已知的点上。使用 SX10 的默认点密度设置（中等）进行激光扫描。各个站点所需的扫描时间取决于被扫描区域的宽度（直接在 SX10 屏幕上选择）。

图 5：确定 Trimble SX10 扫描全站仪在砾石坑底部的位置。

  设置 Trimble SX10 和用该仪器执行激光扫描两个过程平均花费的时间为每个站点 45 分钟。所花费的时间总计为 3 小时，45 分钟扫描，再加上操作员在扫描站点之间移动所花费的几分钟。

  3.处理工作

  回到办公室后，处理过程包括：

  · 检索和处理无人机飞行的图像（.jpg），创建四组数字点云（表 2）。

  · 将激光扫描仪的点云文件（.las）拷贝到电脑上（五个站点的点直接在 SX10 上保存为一张点云）。

表 2：本项目两次 eBee Plus 无人机飞行生成的四组无人机点云详情。

  利用 Agisoft PhotoScan 摄影测量软件对无人机图像进行处理。该软件除了生成每次飞行的点云外，还会生成一个正射投影，即项目场地经过正射处理的高分辨率航拍图。

  由于在各个扫描站点收集的点已经合并为了一个点云，因此从激光扫描的角度来看，唯一可以做的工作可能就是用 Trimble SX10 拍摄的 RGB 图像给这些点上色。但是，由于本项目的对比工作是在不考虑颜色的情况下进行的，我们认为没有必要进行这一步。因此，所需的扫描后工作（将 TLS 连接到电脑上和拷贝 .las 文件）只花费了五分钟。