市政工程無人機土方快速測量技術研究

李 俊 杜傳良 劉偉榮 黃 宇 嚴海波 汪和方

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

0 引言

污水處理項目工程組成以大量的半地下池體建筑和地下管線工程為主，大規模的地下工程會導致大量土方開挖、回填發生，是污水處理項目施工的一大特點。在已了解各施工作業面土方開挖和回填設計方量的條件下，在有限的空間范圍內實現大量的土方調運和臨時中轉堆放的合理安排，避免出現臨時堆土場中轉土料超過設計容量的情況，充分利用有限的臨時設施，落實“綠色施工”中有效使用臨時設施用地的要求[1]，保證工程施工的順利開展，對工程建設管理者的管理方法是一項巨大的挑戰，其關鍵在于現場及時、快速地掌握現場各臨時堆土中轉區域的實際使用情況。

隨著無人機技術的發展，因其數據采集的便捷性、及時性和低應用成本的優勢，已開始為各個行業提供無人機三維測量服務，并開始進入市政污水處理工程。鑒于無人機技術的數據提取環節復雜[2-4]，以及市政污水土方測量數據提取質量無需達到測繪行業成果所要求的精度級別的特殊性，使無人機使用人員常因行業知識不足限制其在市政污水處理工程中的應用。本文結合筆者在多個項目的實踐經驗，以仙居縣污水處理二期工程為例，將無人機在污水處理工程土方快速測量技術的環節和數據質量與影響因子關系進行了分析和介紹。

1 項目概況

仙居縣污水處理二期工程位于浙江省臺州市仙居縣，所在區域地貌屬丘陵山地地貌。工程為新建工程，污水處理工藝采用“粗格柵及進水提升泵房+細格柵及旋流沉砂池+調節池+厭氧水解池+改良A2/O生化池+二沉池+高密度沉淀池+反硝化濾池+提升泵房+垂直流濕地+水平流濕地+轉盤濾池+接觸消毒池+表流濕地”，設計污水處理能力為4萬m3/d，用地面積147 010.83 m2，總建筑面積為4 320.01 m2，綠地率為42.7%。

2 研究方法

2.1 研究內容

根據污水處理項目土方工程實際施工組織情況，利用民用旋翼式無人機，在不同飛行高度進行現場航拍，利用獲取的低空航拍影像，提取現場三維點云、DEM數字高程模型、等高線、臨時堆土方量測算、正射影像圖生成等。

2.2 研究方法

以大疆系列旋翼式無人機為平臺，采集在航向和側向重疊度均不小于60%、飛行高度不超過120 m的低空航拍影像，利用Agisoft軟件根據影像拍攝點記錄的空間位置，利用傾斜攝影測量技術，快速獲取臨時設施中中轉料場的三維點云和數字高程模型、等高線、正射影像圖，最終計算出堆放土方量。同時通過設置A，B兩組對照實驗，分析航高、影像重疊度等影響因子與成果數據質量的關系。其中A組為相同飛行高度、不同影像重疊度實驗；B組為不同飛行高度、相同影像重疊度實驗。

3 結果與分析

3.1 堆土清運時場平標高類型選擇與土方量測算分析

經計算堆土坡腳邊界曲面長為430.45 m，投影面積12 527.26 m2。其堆土區坡腳邊界三維剖面特征見圖1。

根據圖1可知：堆土區坡腳邊界為不規則形狀，無人機獲取堆土區表面標高后，計算堆土體積時，需要確定計算基底標高。實際估算堆土清運總土方量時，常用場平最終標高作為土方測算的基底高程將決定最終的土方清運量。在軟件計算時，需根據地面最終形狀或后期土地處理方式概化為幾何體，以此為依據選擇計算方法。目前，多種GIS軟件可以提供不同場平最終標高類型相對應的算法，以無人機行業常用的Agisoft軟件為例，提供了三種常用的基底起算方式：單一標高、平均標高、擬合標高。單一標高是場平最終標高為單一值時的情況，即堆土區使用完畢后統一場平至同一標高的土方體積測算方式。平均標高是場平后地面最終標高為不同值且可形成一個近似均勻坡面的土方體積測算方式。擬合標高是場平后最終地面標高為多個不同值且無規律的情況，如堆土區為臨時借地且使用完畢后按照原地形恢復即可的情況。因本工程堆土區使用完畢后，場平最終標高將統一平整至180.00 m，基底類型選擇適用于單一標高的土方體積測算方式。此時，將最終場平標高作為土方測量基底高程即可。

本工程在Agisoft軟件volume計算選項中，選擇Above custom level模式輸入場平標高，可得出需要清運的土方量為20 443 m3。土方數量測量結果見表1。

表1 起算基底標高與土方量表

3.2 無人機飛行高度、影像重疊度對數據結果影響

使用無人機在某一固定范圍內測量時，同一飛行高度下，不同影像重疊度時，采集的影像總數量會不同，進而在提取最終成果過程中導致累計誤差量不同；同時，不同飛行高度、不同航線主要飛行方向、風速及能見度等影響也會造成影像分辨率、影像均方誤(RMS)的不同變化。為研究飛行高度、影像重疊度對數據結果質量關系，設置了兩組實驗：A組為相同飛行高度、不同影像重疊度實驗；B組為不同飛行高度、相同影像重疊度實驗。

1)不同高度下影像數據與成果數據質量。

相同航高下，生成的正射影像在分辨率上無顯著差異。從RMS值上來看，影像像元位置準確性和穩定性較高，但在生成的數據Z值方向上的誤差值會存在差異。

表2 相同航高、不同影像重疊度實驗結果表

由表2中數據可知：在Z值誤差上，隨著影像重疊度降低，誤差逐漸增大。根據本次實驗結果，當影像航向和側向重疊度小于70%時，有可能導致高程誤差范圍超過1 m，對市政工程有可能導致土方施工組織會出現較大偏差。而在航向和側向重疊度均大于70%的情況下，未出現大于1 m的誤差。因此，在野外作業時，應考慮風力和能見度影響的不確定性，在民用無人機測量時宜避免使用70%以下的重疊度，以免因再次補測而增加外業工作量。

2)不同高度下、相同影像重疊度與成果數據質量。

由表3中數據可知：對于同一地塊，在相同影像重疊度下，隨著高度增加會在影像分辨率上會出現顯著差異。隨著飛行高度增加，圖像分辨率由2.33 cm降低至5.91 cm，呈逐漸下降趨勢；同時正射影像圖的RMS值也逐漸呈現上升趨勢，并超出1個像元。在風力和能見度條件較好時，對于提取土方體積較為關鍵的Z值誤差都能夠保持較高的精度。但是，在規劃航線時，由于飛行器飛行方向、圖像X方向與當地季風方向保持一致的條件下，飛行器飛行姿態受風速和無差分GPS定位誤差的雙重原因影響，該方向上的誤差值范圍隨著高度增加而逐漸增加；而在Y方向上由于與季風方向垂直而始終能保持較高精度。因此，在一般精度條件下的土方量測定時，宜選擇較低的飛行高度，以降低風力和能見度對無人機飛行姿態和成像清晰度的影響。

表3 不同航高、相同影像重疊度實驗結果表

4 結語

本文以常用的無人機數據處理軟件Agisoft為例介紹了市政污水工程中提取土方量的常規流程和方法，同時針對不同條件下的土方量計算基底高程選擇條件，以及數據質量與無人機飛行高度、影像重疊度設置的關系進行了分析，結論如下：

1)市政污水工程土方量計算基底高程可根據堆土區設計標高和后續利用方式分別選取單一標高、平均標高、擬合標高等三種方式進行計算。

2)同一飛行高度下，隨著影像重疊度的降低，影像成果提取的數據質量會呈現出下降趨勢。在使用普通民用無人機進行市政污水工程土方測算時，不宜選擇航向、側向重疊度均小于70%的設置。

3)同一影像重疊度條件下，隨著飛行高度的增加，采集影像數量會減小，有利于節省計算機計算時間，但數據精度特別是分辨率會逐步下降，在航向和側向重疊度為85%的條件下，飛行高度不宜超過147 m。