無人機(jī)航空攝影測量土石方

近年來，伴隨國家經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，各種基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項目越來越多。土石方量計算是工程項目核心環(huán)節(jié)之一。為了能合理安排項目進(jìn)度，準(zhǔn)確計算工程量大小與費(fèi)用，通常需要高效、準(zhǔn)確地計算土石方量。因此選擇合適的測繪方法十分重要。

傳統(tǒng)的土石方測量方法有水準(zhǔn)儀測量法、全站儀測量法和GPS測量法[1] 。水準(zhǔn)儀測量法是通過使用水準(zhǔn)儀測量事先在測區(qū)布設(shè)方格網(wǎng)的每個角點(diǎn)高程來計算土石方量的。該方法適用性單一，若測區(qū)不適合布設(shè)方格網(wǎng)，該方法就不適用了，且費(fèi)時費(fèi)力。全站儀測量法具有操作簡單，儀器要求低等優(yōu)點(diǎn)，適合測量面積較小和通視良好的區(qū)域，反之，則會非常繁瑣，且效率低下。GPS測量法是目前土石方測量中應(yīng)用較多的一種方法，它不受距離和通視限制，且測量速度和精度較全站儀測量有所提高，但當(dāng)測區(qū)有一些建筑、樹木、電磁場等影響GPS信號時，該方法就不太適用了。因此傳統(tǒng)方法受場地影響大、效率低下、人工成本高，亟待尋求一種高效、安全且經(jīng)濟(jì)的測量方法。

新興無人機(jī)航測技術(shù)為解決上述難題開辟了一條嶄新途徑[2] 。無人機(jī)航測作為測繪發(fā)展的新技術(shù)，以其機(jī)動靈活、數(shù)據(jù)現(xiàn)勢性強(qiáng)、影像分辨率高、減輕勞動強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效率等優(yōu)點(diǎn)，已在工程勘測、設(shè)計、施工、竣工驗收及運(yùn)行等多個環(huán)節(jié)中發(fā)揮了重要作用[3] 。國內(nèi)外眾多學(xué)者也已開始嘗試用該技術(shù)進(jìn)行土石方量測量。該方法不受場地障礙影響，費(fèi)用相對低廉，在對場地土石方量追蹤管理方面成本較低，同時由于避免了大量人工現(xiàn)場作業(yè)[4] ，大幅提高了測量人員的安全保障。

本文采用無人機(jī)航測技術(shù)，對測區(qū)改造前后的地形分別進(jìn)行航空攝影測量，獲取場地變化前后三維地形及影像數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Autodesk 的Civil 3D軟件中，快速生成前后兩次三維地形模型，以對改造前后土石方量的計算進(jìn)行分析。儀多多網(wǎng)

1、實施技術(shù)路線

土石方量計算的目標(biāo)是求取地表面體的體積差，關(guān)鍵在于對現(xiàn)狀地形和改造后地形進(jìn)行表述[5] 。因此，利用無人機(jī)航測技術(shù)進(jìn)行土石方量計算主要是通過無人機(jī)獲取地形改造前后同一區(qū)域數(shù)字高程模型DEM 與數(shù)字正射影像DOM，然后將地形改造前后的DEM 與DOM 導(dǎo)入Autodesk的三維可視化分析軟件Civil 3D中，分別進(jìn)行統(tǒng)計分析，再通過DOM 選取需要計算土石方量同一區(qū)域的DEM，對其進(jìn)行統(tǒng)計分析，得出改造過程中土石方的填挖方量?？傊?，基于無人機(jī)航空攝影測量的土石方量計算作業(yè)流程主要包括：測區(qū)踏勘、航線規(guī)劃、地形改造前后航測數(shù)據(jù)采集、航測數(shù)據(jù)處理、DEM 制作、DOM 制作、地形改造前后數(shù)據(jù)分析、土石方量計算分析8項。

2、應(yīng)用實例

本實例為某一房建項目的土石方量計算任務(wù)。本任務(wù)航飛工作采用六旋翼微型無人機(jī)對改造前后的地形分別進(jìn)行航測數(shù)據(jù)采集，內(nèi)業(yè)航測數(shù)據(jù)處理使用Pix4D 進(jìn)行，再使用Autodesk的Civil 3D軟件做前后兩次地形分析，計算改造前后地形變化，得出場地平整過程中的土石方量。

2.1　外業(yè)數(shù)據(jù)采集

實施航測外業(yè)數(shù)據(jù)采集時，基本流程如下。

(1)航帶設(shè)計。對測區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場踏勘，確定測區(qū)范圍與地形情況[6] ，根據(jù)《低空數(shù)字航空攝影測量外業(yè)規(guī)范》(CH/Z　3004—2010)中1∶500地形圖航測規(guī)范要求，對本項目外業(yè)進(jìn)行航帶設(shè)計[7] 。根據(jù)要求，該項目確定航飛高度為200m，航向重疊度和旁向重疊度分別為75%和45%。

(2)像控點(diǎn)布設(shè)。根據(jù)規(guī)范要求，本項目在測區(qū)四周以及中間均勻布設(shè)了12個平高控制點(diǎn)，保證100張相片能有6個控制點(diǎn)，并保證控制點(diǎn)至少能在兩張影像上同時找到。

(3)航測參數(shù)設(shè)定。根據(jù)航飛現(xiàn)場情況，確定各項飛行參數(shù)，完成航測數(shù)據(jù)采集工作。

2.2　航測數(shù)據(jù)處理

對采集完成的兩期航測數(shù)據(jù)采用Pix4Dmapper軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理(圖1)。

圖1　航測數(shù)據(jù)處理流程圖

2.3　土石方量計算與分析

在計算機(jī)處理過程中，地表面模型DEM 的主要數(shù)字表現(xiàn)形式是不規(guī)則三角網(wǎng)TIN，故土石方量計算主要是利用TIN進(jìn)行的[8] 。因此，需要將改造前地表DEM 生成的TIN 和改造后生成的TIN 疊加，形成交線，即是場地開挖過程中開挖區(qū)與回填區(qū)的分界線。通過計算每條分界線所包圍成的封閉區(qū)域的體積大小，就可以計算每一個開挖區(qū)與回填區(qū)的體積，然后對每個開挖區(qū)與回填區(qū)進(jìn)行累加，即為所求區(qū)域里土石方的挖方與填方量。因此，改造前后兩期地形的土石方量計算主要流程如下。

(1)將改造前的點(diǎn)云數(shù)據(jù)DEM 導(dǎo)出為文本格式，并導(dǎo)入Autodesk的Civil3D軟件中，生成TIN曲面模型。對改造前的地形進(jìn)行分析，統(tǒng)計各處最大高程、最小高程以及各高程區(qū)間范圍(圖2)。

圖2　改造前地形TIN曲面模型分析結(jié)果

(2)將改造后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)DEM 導(dǎo)出為文本格式，并導(dǎo)入Autodesk的Civil3D軟件中，生成TIN曲面模型。對改造后的地形進(jìn)行分析，統(tǒng)計各處最大高程、最小高程以及各高程區(qū)間范圍(圖3)。

圖3　改造后地形的TIN曲面模型分析結(jié)果

(3)在正射影像上圈出需要計算土石方量的區(qū)域，并用確定的邊界對該區(qū)域地形的TIN曲面模型進(jìn)行提取(圖4)。無人機(jī)航測可同時得到測量區(qū)域影像，可直接在影像上確定土石方量的計算范圍。

圖4　確定土石方量計算范圍

(4)在Civil3D中打開需要計算土石方量區(qū)域的兩期地形TIN 模型，利用軟件中的地形分析工具，以改造前的地形為參考基準(zhǔn)，計算改造后地形的填方量和挖方量(圖5)。

(5)統(tǒng)計分析兩期地形變化，得出填挖方量結(jié)果，輸出土石方量報告：投影面積14　814.51m2 ，挖土石方量18740.80m3 ，填土石方量47.28m3 。

圖5　改造前后地形的填挖方量結(jié)果

3、精度分析

為了分析無人機(jī)航測技術(shù)測算土石方量的精度，本文將該方法與傳統(tǒng)GPS測量法進(jìn)行比較。采用傳統(tǒng)GPS-RTK方法獲取測區(qū)范圍內(nèi)兩期地貌特征點(diǎn)各60個，記錄各點(diǎn)平面坐標(biāo)、高程及每個點(diǎn)對應(yīng)的實地位置作為檢查點(diǎn)。從兩期地形模型中提取各檢查點(diǎn)對應(yīng)位置的模型點(diǎn)坐標(biāo)與檢查點(diǎn)坐標(biāo)作比對，進(jìn)行精度評估。

先利用兩期測量的各60個檢查點(diǎn)分別對兩次航測的平面、高程進(jìn)行精度分析，結(jié)果為地形改造前平面中誤差±0.39m，高程中誤差±0.32m，改造后平面中誤差±0.36m，高程中誤差±0.29m，滿足1∶500大比例尺低空數(shù)字航空攝影成圖要求。

再利用CASS9.0軟件中土方計算功能完成異常點(diǎn)剔除、計算邊界界定以及基準(zhǔn)確定等工作后，基于方格網(wǎng)法計算改造前后的土石方量。然后將傳統(tǒng)GPS測量法計算得到土石方量結(jié)果與無人機(jī)航測計算結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果為兩種方案的挖方量相差80.95m3 ，占總挖方量的0.4%，填方量相差1.59m3，占總填方量的3.3%。

比較分析結(jié)果顯示，采用無人機(jī)航測得到的土石方量精度可以滿足土石方量計算的一般工程測量規(guī)范要求，可用于工程項目土石方量計算。

4、結(jié)語

研究了采用無人機(jī)航測技術(shù)進(jìn)行土石方量計算的流程以及數(shù)據(jù)處理法，結(jié)果表明，將無人機(jī)航測技術(shù)運(yùn)用于工程土石方量計算有如下優(yōu)勢：

① 相對于傳統(tǒng)土石方測量方法，無人機(jī)航測技術(shù)更加機(jī)動、靈活，不受地形限制，在平緩、陡峭地區(qū)均適用;

② 數(shù)據(jù)采集更加快速，傳統(tǒng)方法數(shù)據(jù)采集通常需要數(shù)周，該方法一般僅需1d就能完成，特別是當(dāng)測量面積較大時其優(yōu)勢更加明顯;

③ 在測得地形高程數(shù)據(jù)同時，該方法獲取了影像數(shù)據(jù)，可更加精確界定土石方的計算范圍，使計算結(jié)果更加精準(zhǔn);

④ 所得的DEM 為數(shù)字形式[9]，可直接導(dǎo)入商業(yè)軟件中進(jìn)行計算分析，提高了計算效率;