無人機航空攝影測量土石方

近年來，伴隨國家經(jīng)濟高速發(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度，準確計算工程量大小與費用，通常需要高效、準確地計算土石方量。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儀測量法、全站儀測量法和GPS測量法[1] 。水準儀測量法是通過使用水準儀測量事先在測區(qū)布設(shè)方格網(wǎng)的每個角點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，且費時費力。全站儀測量法具有操作簡單，儀器要求低等優(yōu)點，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)濟的測量方法。

新興無人機航測技術(shù)為解決上述難題開辟了一條嶄新途徑[2] 。無人機航測作為測繪發(fā)展的新技術(shù)，以其機動靈活、數(shù)據(jù)現(xiàn)勢性強、影像分辨率高、減輕勞動強度、提高生產(chǎn)效率等優(yōu)點，已在工程勘測、設(shè)計、施工、竣工驗收及運行等多個環(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)進行土石方量測量。該方法不受場地障礙影響，費用相對低廉，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。

本文采用無人機航測技術(shù)，對測區(qū)改造前后的地形分別進行航空攝影測量，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行表述[5] 。因此，利用無人機航測技術(shù)進行土石方量計算主要是通過無人機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對改造前后的地形分別進行航測數(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，保證100張相片能有6個控制點，并保證控制點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曲面模型進行提取(圖4)。無人機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，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)兩期地貌特征點各60個，記錄各點平面坐標、高程及每個點對應(yīng)的實地位置作為檢查點。從兩期地形模型中提取各檢查點對應(yīng)位置的模型點坐標與檢查點坐標作比對，進行精度評估。

先利用兩期測量的各60個檢查點分別對兩次航測的平面、高程進行精度分析，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剔除、計算邊界界定以及基準確定等工作后，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)果與無人機航測計算結(jié)果進行比較，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

研究了采用無人機航測技術(shù)進行土石方量計算的流程以及數(shù)據(jù)處理法，結(jié)果表明，將無人機航測技術(shù)運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，無人機航測技術(shù)更加機動、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;

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