研究市政工程無人機土方快速測量技術

王祥 代華

【摘要】隨著我國科學技術的進步，在實際的市政工程中無人機土方快速測量技術已經被廣泛應用。本文以實際的市政污水處理工程為案例，以無人機攝影原理為切入點，綜合分析該工程實施期間無人機土方快速測量技術的具體應用情況，包括對土方數據的采集、提取以及輸出等各個環節，同時還著重研究了數據質量以及其相關影響因子。

【關鍵詞】市政工程;無人機;土方快速測量技術

現階段我國無人機技術有了突飛猛進的發展，由于該技術在數據采集方面優勢十分明顯，不僅非常方便快捷，而且使用成本相對較低，因此無人機測量技術在各行各業廣泛應用，尤其是在市政工程中。但是對于無人機土方快速測量技術來說，其數據處理方面相對比較復雜，而且在實際的市政工程中對于土方測量數據精度要求相對較高，這就會導致無人機使用人員由于其專業知識不熟練而出現一系列問題。本文作者結合多年的市政項目工作經驗，以實際的污水處理工程為案例，綜合分析無人機土方快速測量技術在市政工程上的具體應用情況。

1、無人機航空攝影測量工作原理

1.1無人機航空攝影測量系統的組成

對于無人機航空攝影測量系統而言，其主要由硬件和軟件系統兩部分組成，無人機作為硬件系統中至關重要的一部分，其中機載遙感設備是用來獲取地面數據信息的重要監測設備，數據的傳輸要由通訊系統來實現，航線設計的設計使用過軟件系統來制定的，可以根據實際的工程需要設定所需要監測的區域范圍，同時還可以根據工程所需要的數據精度、分辨率、以及測量參數等數據信息來設定無人機的航線。綜上所述，無人機航空攝影測量系統是由五部分組成的，其中包含地面監測、數據處理與傳輸、無人機控制、地面保障、無人機的發射與回收。

1.2無人機航空攝影測量

對于無人機航空攝影測量來說，其可以根據實際的工作需要以及設定的一系列技術要求等，在無人機上安裝航測遙感裝置，通過相關技術人員需要提前設定好飛行區域，然后才可以實現對所在區域的拍攝得到相應的影像數據。相關技術人員還需要利用影像和地面之間的數據傳輸關系，通過利用數據處理軟件將影像信息提煉出工程所需要的信息。同時在實際的市政工程項目中，利用無人機快速測量技術還可以實現范圍的放大縮小以及大比例尺航空攝影等功能，為我國各行各業的發展以及科技的進步提供了強有力的技術支撐。

現階段，隨著各種高新測量技術的突破性發展，尤其是RS、GPS、GIS等測量技術以及計算機技術、5G傳輸技術等，在市政工程土方測量工程項目中? ? ? 無線遙感測量技術越來越被工程所接受，尤其是無人機遙感技術作為低空測量技術的代表被廣泛應用于市政工程土方測量項目中，其主要應用于測量區域相對較小、大比例尺以及工期相對比較緊張的項目中，無人機土方快速測量技術以其獨特的優勢所在，搶占了大量的市政工程測量市場。

2、項目概況

某省市需要對其現有的污水處理工程進行改進，該省市所在的區域的地形地貌表現為丘陵特征，其地勢相對比較平緩。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。該工程作為優化建設，需要在原有的污水處理工程上增加新型的處理工藝，從而最大限度的達到城市的污水處理效果。最終要求所建成的污水處理能力一天可以達到5萬立方米，其實際的用地面積為15萬平方米，實際的建筑總面積是5300平方米，整體的綠地率需要在一半以上。

3、具體實施方案

3.1研究的內容

根據實際的污水處理項目中土方施工的具體情況安排，本次工程項目中利用無人機快速測量技術實現對土方的測量，采用旋翼式無人機對整個污水處理工程項目區域在不同的高度進行全方位的拍攝工作，從而得到航拍影像資料，然后對影像資料進行綜合分析并利用數據處理軟件提取出工程建設所需信息，其中包括施工現場的三維點云數據數字高程模型、等高線分布情況以及正射影像圖等等，最終計算出土方堆放數據。

3.2研究方法

我們選擇旋翼式無人機作為測量平臺，對于所拍攝的低空影像來說，應控制器參數，其中航向和側向重疊度需要控制在60%以內，飛行器的高度要控制在120米以內。然后相關技術人員通過使用Agisoft軟件來綜合分析影像資料，使用傾斜攝影測量技術及時的提取相關數據信息資料，包括三維點云、數字高程模型、等高線分布情況以及正射影像圖，從而最終計算出堆放土方量。除此之外，我們還設計了兩組對照實驗進一步分析數據變化情況，主要是針對飛行器的飛行高度、影像重疊度以及提取數據的質量三者之間的關系。A組對照實驗設計為在同一飛行高度下，影像重疊度不一致，而B組對照實驗設置為在同一影像重疊度下，飛行高度不同。

4、結果與分析

4.1場平標高的選擇和土方量測算之間的關系

通過實際的測算得到堆土坡腳最外圍總長度為450米，其投影下來的總面積大約為15000平方米。堆土位置的坡腳邊界表現為不規則的形狀，無人機只有得到堆土的標高才能合理的計算堆土的總體積，這就需要確定好基底的標高。在實際的估計堆土運輸總體積時，一般情況下，使用場平的最終標高作為土方測算的基底高程，其測定值直接影響最終運輸的土方總量。在利用軟件計算過程中，相關技術人員需要根據實際的地面情況來選擇計算方案。現階段，有非常多的GIS軟件可以根據實際的場平情況來綜合分析選擇最佳標高算法，例如在實際的無人機快速測量技術中，其最常使用的軟件就是Agisoft，該軟件可以提供3種最為常用的基底起算方案，其中包括單一、平均和擬合標高。對于單一標高來說，其主要應用于在場平后的最終標高是單一值時，就是在堆土工作完成后進行統一場平后，到達統一的標高進行體積測量的方案;對于平均標高來說，其主要應用于在場平完成后地面的最終標高的值不一致，但是可以大致看錯成一個相對比較均勻的體積來進行計算的方案;對于擬合標高來說，其主要應用于在場平之后最終的標高是無規律變化的情況。由于該污水處理工程在實際的堆土區使用完成后，場平之后將最終標高統一設置為150米，這就符合單一標高測算方案，因此基底的類型也需要根據單一標高的體積測算方案來進行合理的選擇，然后將最終場平標高等價于基底高程就可以測算最終的土方體積。該工程項目在應用Agisoft軟件過程中，在選擇volume中的選項時，需要在Abovecustomevel模式下輸入實際的場平標高，這樣就可以得到最終的需要測量的土方總量。

4.2無人機飛行高度和影像重疊度對數據提取質量的影響

對于無人機土方快速測量技術來說，在同一區域范圍內進行測量工作時，飛行高度一致的情況下，影像重疊度不同，相應的收集到的影像數據總量也就會不一致，這就都會導致后續提取影像資料的質量有很大差異;另外，飛行高度不一致的情況下，無人機的飛行方向、風速的變化以及空氣能見度等情況從而影響重疊率，最終也會對影像數據提取的質量產生很大影響。因為為了深入分析無人機的飛行高度、影像重疊度對于最終提取數據質量影響情況，我們進行了兩組對照實驗，一組是飛行高度一致的情況下，影像重疊度不一致的實驗，另一組是飛行高度不一致的情況下，影像重疊度一致的實驗。

（1）飛行高度一致的情況下，影像重疊度與提取數據質量之間的關系

對于在無人機飛行高度一致的情況下來說，其生成的正射影像在分辨率上并沒有很大的不同。但是根據該實驗結果表明，如果影像航向和側向重疊度在小于70%的情況下，這就可能出現比較嚴重的誤差，大約會在1m左右，這就會導致對土方體積的估算上產生非常大的偏差。但是航向和側向重疊度比70%大時，測量的精確度就相對較高。所以，在進行無人機測量工作時，必須要充分考慮風力大小以及空氣能見度的影響，盡可能的避免出現低于70%重疊度的情況。

（2）飛行高度不一致的情況下，相同的影像重疊度和提取數據質量之間的關系

對于同一測量區域來說，在相同的影像重疊度情況下，飛行高度與影響分辨率上成反比關系，即高度越高，采取到的圖像分辨率也會隨之降低，同時相應的正射影像圖中的RMS值會隨著增加。但是，在實際的規劃無人機飛行航線時，其飛行方向、攝影方向同方向一致的情況下，飛行器的飛行情況受到風速以及GPS定位誤差的影響，基本表現為正比關系。所以，在確保精度的情況下進行無人機土方測量工作時，相關技術人員應該盡可能的降低飛行高度，同時還要選擇風速較低以及能見度較高的環境下進行測量。

結語：

綜上所述，本文作者結合了多年的市政項目的工作經驗，綜合分析了無人機土方快測量以在實際市政污水處理工程項目中應用情況，合理的利用數據處理軟件來有效的提取土方相關數據信息。除此之外，我們還綜合分析了無人機飛行的高度與影像拍攝質量和數據提取之間的關系、無人機飛行高度與影像重疊度之間的關系，最終得到如下結果：

（1）對于無人機飛行的高度與影像拍攝質量和數據提取之間的關系而言，在相同的飛行高度下，影像的數據提取質量與影像重疊度成正比關系存在。因此在實際的市政工程項目中選擇無人機土方快速測量技術時，盡可能的不要選擇航向和側向重疊度都小于70%的設置情況。

（2）對于無人機飛行高度與影像重疊度之間的關系而言，如果處于相同的影像重疊度時，采集的影像數據信息伴隨著飛行高度的升高而降低，而且其數據精度也會隨之下降，但是可以節省大量的處理數據時間。

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作者簡介：

王祥（1995.08-），男，漢族，湖南婁底，本科，助理工程師，研究方向：工程測量。