無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在土方測(cè)量中的應(yīng)用

韓 健

（廣州機(jī)施建設(shè)集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 510700）

工程地理信息采集是一門既古老又現(xiàn)代的技術(shù)，從腳步丈量到測(cè)繩、直尺，從光學(xué)儀器到電子儀器，從航空遙感到衛(wèi)星測(cè)繪，測(cè)量的范圍越來越大，測(cè)量的精度也越來越高，可以說每一次測(cè)量工具的改進(jìn)都是地理信息采集的一次革命。在一般的房建和市政工程中，傳統(tǒng)的地理信息測(cè)量方法有水準(zhǔn)儀測(cè)量法、全站儀測(cè)量法和GPS 測(cè)量法。這些傳統(tǒng)方法容易受場(chǎng)地條件限制而導(dǎo)致無法全面測(cè)量，且這些方法戶外作業(yè)工作量大，數(shù)據(jù)處理過程冗長復(fù)雜，人力成本高，因此無法高頻次地復(fù)測(cè)。對(duì)于一些分期、分階段進(jìn)行施工的項(xiàng)目，經(jīng)常需要進(jìn)行場(chǎng)內(nèi)土方轉(zhuǎn)運(yùn)、堆放和整理，往往這個(gè)時(shí)候原始的地形數(shù)據(jù)已經(jīng)不適用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，因此亟待尋求一種高效、安全且經(jīng)濟(jì)的土方測(cè)量方法。

文章以廣州某保障房項(xiàng)目為背景，通過利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)對(duì)項(xiàng)目工程地理信息進(jìn)行采集，生成項(xiàng)目的場(chǎng)地?cái)?shù)字表面模型（DSM），用于解決項(xiàng)目的場(chǎng)地平整標(biāo)高測(cè)算及土方開挖工程量測(cè)算問題。測(cè)量作業(yè)主要流程如下：測(cè)區(qū)踏勘及航測(cè)數(shù)據(jù)采集、航測(cè)數(shù)據(jù)處理、DSM 制作、擬建建筑的外形特征點(diǎn)定位、地形數(shù)據(jù)分析和土石方量計(jì)算分析等。

1 傾斜攝影數(shù)據(jù)采集方法

本項(xiàng)目的場(chǎng)地?cái)?shù)字表面模型主要通過Bentley 旗下的ContextCapture 軟件進(jìn)行生成，數(shù)據(jù)采集采用大疆Phantom 4 Pro V2.0 無人機(jī)。ContextCapture 軟件能利用照片、視頻等數(shù)據(jù)源進(jìn)行DSM 模型的建立，并能根據(jù)其他輔助數(shù)據(jù)如傳感器屬性（焦距、傳感器尺寸、主點(diǎn)）、照片的位置參數(shù)（GPS）、照片姿態(tài)參數(shù)（INS）、控制點(diǎn)等來提高模型精度。根據(jù)軟件使用手冊(cè)中的要求，采集的照片縱向重疊率不低于80%，橫向重疊率不低于50%。為滿足數(shù)據(jù)采集要求，我們以“之”字形及環(huán)形進(jìn)行無人機(jī)飛行線路規(guī)劃，其飛行線路規(guī)劃如圖1 所示。

根據(jù)無人機(jī)的鏡頭參數(shù)，通過理論計(jì)算以及多次的試驗(yàn)，建立了一套與無人機(jī)飛行高度H 相關(guān)的飛行參數(shù)函數(shù)關(guān)系表達(dá)式，飛行參數(shù)表達(dá)式如下：

（1）無人機(jī)應(yīng)以“之”字形航線沿場(chǎng)地縱、橫兩個(gè)方向飛行，鏡頭沿飛行方向進(jìn)行拍攝，航線間距f 不應(yīng)大于0.285 倍飛行高度，即f≤0.285H。

圖1 無人機(jī)飛行線路示意圖

（2）無人機(jī)飛行速度v 與拍攝照片時(shí)間間隔t 的乘積應(yīng)不大于0.533 倍飛行高度，即vt≤0.533H。

（3）為保證場(chǎng)地信息采集完整，無人機(jī)飛行范圍與場(chǎng)地邊線水平距離d 應(yīng)大于1.5 倍飛行高度，即d≥1.5H。

（4）除“之”字形飛行拍攝以外，還要進(jìn)行環(huán)繞場(chǎng)地中心飛行拍攝，環(huán)繞場(chǎng)地中心飛行時(shí)鏡頭沿圓周徑向拍攝，兩張照片的拍攝角度差不宜大于15°，即繞飛一圈拍攝不少于24 張照片。

（5）鏡頭與地面夾角以35～55°為宜，最佳角度為45°。

（6）飛行高度H 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)周邊環(huán)境情況、場(chǎng)地范圍大小以及所需的拍攝精度確定，一般以50～150m 為宜。

2 場(chǎng)地?cái)?shù)字表面模型建立

ContextCapture 三維建模主要包括航拍數(shù)據(jù)導(dǎo)入、空中三角測(cè)量運(yùn)算、生成密集點(diǎn)云、構(gòu)建TIN 模型、自動(dòng)紋理切片等過程，最終生成.3mx 格式的DSM 模型。在進(jìn)行DSM 模型生成的時(shí)候，導(dǎo)入的圖片數(shù)量不宜超過700 張，否則將導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理時(shí)間過長。為方便后期坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，在坐標(biāo)系選擇的時(shí)候宜選擇WGS84 世界坐標(biāo)系。最終生成的DSM 模型與實(shí)際場(chǎng)地尺寸比例為1∶1，尺寸精度誤差在5‰以內(nèi)，可完全滿足工程應(yīng)用所需。

3 場(chǎng)地?cái)?shù)字表面模型定位

獲得DSM 模型之后，需要將擬建建筑的外形特征點(diǎn)定位到DSM 之中，如基坑邊線、建筑物平面輪廓、道路邊線等，以便進(jìn)行后續(xù)應(yīng)用。由于軟件生成的DSM模型采用的是WGS84 地球坐標(biāo)系（GPS 坐標(biāo)系），與目前大多數(shù)工程設(shè)計(jì)圖紙中所采用的城建坐標(biāo)系或1980西安坐標(biāo)系不同，為實(shí)現(xiàn)在DSM 模型中的精準(zhǔn)建筑物定位，我們開發(fā)了兩種定位技術(shù)，分別是“場(chǎng)地實(shí)測(cè)定位法”和“GPS-RTK 定位法”。

3.1 場(chǎng)地實(shí)測(cè)定位法

該方法適合具備初步測(cè)量放線條件的施工場(chǎng)地，實(shí)現(xiàn)方法較為簡(jiǎn)單。在進(jìn)行無人機(jī)數(shù)據(jù)采集前，先將場(chǎng)地中需要測(cè)量的輪廓特征點(diǎn)進(jìn)行施工放樣，放樣出來的點(diǎn)位以白灰在地面上進(jìn)行標(biāo)記，同時(shí)記錄下該點(diǎn)位的高程值。待所需的特征點(diǎn)放樣完畢后，再使用無人機(jī)對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，這樣生成出來的DSM 模型上就具備已知坐標(biāo)和高程的特征點(diǎn)位。以這些點(diǎn)為控制點(diǎn)即可進(jìn)行建筑物定位。

3.2 GPS-RTK 定位法

GPS-RTK 是以載波相位觀測(cè)量為依據(jù)的實(shí)時(shí)差分GPS 技術(shù)，它由基準(zhǔn)站、流動(dòng)站和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。由于本項(xiàng)目的DSM 模型采用WGS84 世界坐標(biāo)系，因此利用RTK 流動(dòng)站觀測(cè)出已知工程坐標(biāo)控制點(diǎn)對(duì)應(yīng)的GPS 坐標(biāo)，即可直接在DSM 模型上對(duì)特征點(diǎn)進(jìn)行定位，以此確定建筑物實(shí)際位置。

4 基于DSM 模型的土方測(cè)量

在本項(xiàng)目中，土方測(cè)量應(yīng)用主要有兩個(gè)方面：一是場(chǎng)地平整時(shí)的場(chǎng)地標(biāo)高測(cè)算，二是土方開挖時(shí)的土方量測(cè)算。

4.1 場(chǎng)地平整標(biāo)高測(cè)算

在本項(xiàng)目前期的場(chǎng)地平整過程中，為減少土方填挖工作量，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)土方平衡，需要測(cè)算出這個(gè)項(xiàng)目挖填方平衡時(shí)的場(chǎng)地標(biāo)高。利用DSM 模型的體積測(cè)量功能，可實(shí)現(xiàn)土方平衡場(chǎng)地標(biāo)高測(cè)算，具體步驟如下：（1）在DSM 模型中選取需要平整的場(chǎng)地；（2）測(cè)量初步的土方填挖量；（3）調(diào)整挖填方計(jì)算的基準(zhǔn)面標(biāo)高，直至挖填方量大致相等；（4）得出挖填平衡時(shí)的場(chǎng)地標(biāo)高。

最終測(cè)得當(dāng)場(chǎng)地平整標(biāo)高為-2.96m 時(shí)，場(chǎng)內(nèi)挖方量為12048.27m3，填方量為12055.71m3，實(shí)現(xiàn)了挖填方量的平衡。

4.2 土方開挖量測(cè)算

為進(jìn)行項(xiàng)目土方開挖施工部署，需要對(duì)項(xiàng)目土方工程量進(jìn)行測(cè)算。在本項(xiàng)目中，我們對(duì)DSM 模型進(jìn)行2m×2m 的高精度網(wǎng)格劃分，并計(jì)算土方開挖工程量。具體計(jì)算步驟如下：（1）根據(jù)項(xiàng)目地質(zhì)資料及基坑支護(hù)圖紙對(duì)場(chǎng)地內(nèi)土體的最初松散系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，在本項(xiàng)目中各層土體的加權(quán)平均松散系數(shù)為1.21；（2）根據(jù)特征點(diǎn)在DSM 模型中選取需要土方開挖的場(chǎng)地范圍，進(jìn)行體積測(cè)量；（3）將測(cè)量基準(zhǔn)面的標(biāo)高設(shè)置為坑底標(biāo)高，得到初始土方開挖體積；（4）初始土方體積與土體加權(quán)平均松散系數(shù)的乘積即為工程實(shí)際土方量。

在本項(xiàng)目中，基坑底標(biāo)高為-11m，土方開挖深度約8.3m，根據(jù)模型測(cè)算的結(jié)果，項(xiàng)目的初始土方開挖工程量為220878.67m3，土體加權(quán)平均松散系數(shù)為1.21，實(shí)際土方工程量為220878.67×1.21=267263m3。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程量統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際開挖的土方量為263061m3，與測(cè)算值間的差值約為1.6%，其測(cè)算精度完全滿足工程所需。

5 結(jié)束語

通過本項(xiàng)研究，建立了一套完整的無人機(jī)傾斜攝影土方測(cè)量技術(shù)，解決施工場(chǎng)地土方測(cè)量精度低、周期長的問題，實(shí)現(xiàn)了基于三維地形模型的土方測(cè)量以及場(chǎng)內(nèi)土方平衡，為項(xiàng)目土方工程施工提供精準(zhǔn)的依據(jù)，有效減少了不必要的土方挖運(yùn)工作量，節(jié)約土方工程施工成本。