基于傾斜攝影技術的土方計算在長沙冰雪世界項目的應用

呂基平，李 智，曾 波，李 璐

(中建五局第三建設有限公司，湖南 長沙 410004)

0 引言

數字高程模型(DEM)計算土方工程量，自動化程度高，計算精度高。但DEM數據采集耗費資源較多，實際應用難度較大。為滿足我國面向大量基礎設施項目建設的需求，長沙冰雪世界項目利用基于傾斜攝影測量技術的DEM法實現土方可視化計算，以推廣DEM法在工程實際中的應用。

1 工程概況

長沙冰雪世界項目坐落于深達百米的廢棄礦坑中，地形地質條件復雜，土石方挖填工作量大。每個單體工程進場前均需進行原始地貌收方，場內土方的外運、轉運工程量也非常大。

從平面看，該項目大體分為屋頂水上樂園區、上區水樂園、下區水樂園、雪樂園主體4個大區。除上區水樂園外，其余3個區域均位于礦坑內部，礦坑長440m，寬350m，深100m，是本次傾斜攝影重點量測的區域。項目俯視如圖1所示，基坑規劃如圖2所示。

圖1 無人機航拍俯視

圖2 基坑規劃

2 數字高程模型(DTM)法介紹

數字地面模型(DTM)是按一定結構組織在一起的數據組，代表地形特征的空間分布。以高程為特征值的DTM也稱為數字高程模型。DEM用數字形式x,y,z坐標表達區域內的地貌形態，以微縮的形式再現地表形態起伏變化特征，具有形象、直觀、精確等特點。DEM不僅能應用于各種工程規劃和地形分析，而且可直接用于土方工程量計算。

部分主體結構需嵌入周圍80°～90°的巖壁中，需開挖大量土石方，因此對石方工程量的計算精確度提出了相當高的要求。傳統的方格網法、等高線法及斷面法存在大量缺陷。因此如何高效地獲取原始地貌特征點的坐標數據是實現DEM法計算土方量技術成功運用的難點之一。

3 實施前準備

3.1 數據可靠性檢測

依據近地傾斜攝影測繪的原理，選取進行空中三角測量運算的軟件建立DEM模型。利用全站儀測定DEM模型部分點的空間坐標，并對其進行精度評價。

3.2 設備與空中三角測量運算軟件的選取

近地攝影測繪是依據近地影像中特征點的相對位置關系形成的一項測量技術，故對無人機的相機參數、飛行高度及無人機動態成像的穩定性有一定要求。甄選市面上的無人機，最后決定選用大疆精靈3標準版無人機。空中三角測量運算軟件選用Bentley公司的Context Capture軟件，完成數據的處理與輸出。

4 實施

礦坑生態修復利用工程(冰雪世界工程中的土方臨時堆場)原始地貌起伏變化較大，占地面積約為4 700m2，最大高差約10m。需進行土方外運，計算土方工程量。

通過高精度相機，完成影像資料處理，最終生成DOM文件；借助3D建模和偏差修正技術，建立3D數據庫模型；構建TIN模型，與3D模型整合，形成成果文件。

4.1 外業實施

4.1.1明確航拍任務

2016年11月1日，天氣晴朗，空氣濕度25%，風向為北風1.3級。擬定采用大疆精靈3標準版無人機進行航拍，航拍區域為屋頂雪樂園、下區水樂園和雪樂園區。

4.1.2試飛準備

對周邊場地進行調查，重點標記樹木和電線桿密集區域，在無人機飛行時需特別注意，避免墜機。在飛行區域設置4個觀測點，由專人負責看管，出現突發情況及時溝通。

飛行前，確認電池電量，機翼有無破損，并檢查無人機操作桿是否失靈。將無人機緩慢起飛至空中距離地面1m處，確保無人機的懸空穩定系統正常。

726 Separation and purification of extracellular vesicles in tissue microenvironment and its physiochemical characteristics

根據項目特點，在距離土方最高點10，20m高度設置航拍路線，每隔5m捕獲一張地面影像，相鄰照片影像重合率設定在60%～80%。累計捕獲10m段照片72張，20m段照片28張。

4.1.3正式飛行作業

一塊電池的平均飛行時間為20min(考慮無人機返航時間)，備用電池2個。平均完成一個區域數據采集的時間為10min。B區區域較大，分2次航拍，進行數據采集。具體飛行計劃為：①A區15：00—15：20；②B1區15：30—15：50，B2區16：00—16：20；③C區16：30—16：50。

傾斜攝影測繪飛行軌跡如圖3所示。

圖3 無人機航拍軌跡

在空中三角測量計算軟件Context Capture中進行圖形數據計算，輸出合成遙感圖像。將遙感圖像導入AutoCAD中，選取遙感影像中部分與DEM數字模型相關度高的影像特征點，利用全站儀復核其空間三維坐標。數字模型的生成與近地攝影的環境有極大相關性，在相對穩定的日光環境下建立3個數字模型，根據項目地形的特點，選取不同區域、不同高度及地形地勢變化較大的特征點，每個數字模型選取10個特征點，共計30個特征點。選用系統誤差為(2±2×10-6)mm的全站儀對特征點的空間三維坐標進行復核。復核計算結果如表1所示。

表1 控制點復核結果

4.2 內業實施

4.2.1無人機數據處理

選擇合適的無人機相機后，進行相機標定工作，確保無人機航拍的準確性和完整性。

航拍結束后，進行影像的預處理，然后開始影像匹配。完成空中三角測量后，進行DEM數據提取，完成DOM生成和拼接。

4.2.23D數據處理

完成高精度相機標定工作，進行多視角影像處理，對生成的幾何模型進行校正，整合偏差，確保三維影像資料的正確性，最終形成3D數據庫，處理流程如圖4所示。

圖4 傾斜攝影測量影像處理流程

4.2.33D模型構建

在CIL3D或犀牛軟件中，導入數據點，提交空中三角測量加密，生成點云數據，構建TIN模型與生成的3D模型整合，得到初步的數據模型(見圖5)。

圖5 建立數據模型

4.2.4模型整合及計算

整合模型，將無人機三維實景模型運用點云技術處理，結合現場實際情況，對實景模型扭曲處進行適當修正，得到實景3D模型，如圖6所示。

圖6 實景3D模型

整合模型，對A，B，C區的土方開挖量進行計算，并與全站儀通過方格網法測量的數據進行對比分析，結果如表2所示。

表2 土方量比較

由表2可知，基于無人機傾斜攝影測量的土方算量和全站儀外業測量的土石方精度差距很小；采用無人機傾斜攝影測量的土石方算量外業工作需4人工作1d，內業需1人工作2d；基于全站儀外業測量的土石方測量外業需2人工作7d，內業需1人工作2d。相對而言，采用無人機傾斜攝影測量的土石方算量效率優于全站儀測量。

5 結語

在各種工程建設如鐵路、公路、港口、城市規劃中,土方量計算是一項經常性的、不可缺少的工作,且在整個工程量中,土方工程常占有較大比例。土方工程量計算精度的高低直接影響整個項目的建設周期和經濟成本，高精度的土方工程量有利于土方資源調配，降低施工建造成本，縮短項目建設周期。利用傾斜攝影測量技術獲取原地貌的數字高程模型(DEM),對土方進行可視化計算具有一定優勢。