無人機在土方測量中的應用研究

莫師慧

（梧州市測繪地理信息院，廣西 梧州543002）

1 概述

隨著城市經濟的發展，基建項目越來越多，在許多建筑工程的施工中，通常需要計算現場的土方填挖量。土方量計算的本質就是開方前的三維曲面與開方后的三維曲面之差，這里所指的三維曲面可以是自然地表面，也可以是設計表面。傳統的土方測量方法一般是采用全站儀和GPS 來獲取數據，但是這種測量方法會受現場地形的復雜條件而受到阻礙和限制，尤其在荊棘雜草叢生的地方進行測量就比較困難，而且其精度也會隨著地形的復雜程度增加而呈現明顯下降的趨勢。

最近幾年有些工程采用三維激光掃描儀進行土方數據的采集，雖然三維激光掃描儀在采集數據上有著密度大、精度高的優勢，但是內業在每站的三維點云模型拼接上對人員要求較高，不同站的拼接融合誤差就直接影響了成果數據的精度，另外，對于站點的架設也需要人員成本的投入。

采用無人機技術對土方進行測量，不僅可以保證整個項目數據的一體性，獲取高精度的地形數據，而且效率高，能減輕作業人員的勞動程度。

2 土方計算方法

土方量的計算涉及眾多領域，露天礦山開采、土地利用開發整理、工程建設等，土方量計算的精度會直接影響到工程的經濟效益。一般的土方計算方法有方格網法、三角網法和斷面法三種。

2.1 方格網法

方格網法是將計算區域劃分成若干個正方形單元格網，然后計算每個格網交點位置原始地形和完工地形的高差，每個單元格網內的土石方工程量為四個交點位置的高差取平均值后乘以單個單元格網面積求得，最后匯總累加得到總填方量和總挖方量。從其計算原理上我們不難看出，方格網法的精度與方格網的寬度取值有關，理論上是，方格網寬度取值越小，計算精度越高。但是在實際應用中，我們還要根據計算區域的面積來設定方格網寬度取值[1]。

因為方格網的四角高程為附近高程內插而成，這種情況就會忽略考慮地形的特征性，所以這種方法使用于地表起伏不大的面狀地形，對于地形復雜起伏較大的區域不適合。

2.2 三角網法

三角網法是通過地形表面的三個不同坐標點構成一個三維的三角形，通過這些三維三角形來吻合實際地形的形狀，這些不同的三維三角形就構成一個三維三角網，三維三角網就是反應地形的一個三維面，三維三角網與現狀地形越吻合，其計算的精度就越高。它的計算原理就是采用開方前和開方后兩期的三角網構成一個三棱柱和三棱錐，最后通過累加每個空間立體的體積而計算得到土方量。

圖1 林漿紙業的堆土范圍

圖2 無人機土方測量的生產過程

三角網法對于地形起伏變化大的情況適用，但是內業軟件生產的三角網無法智能地吻合高低起伏的地形，這就需要人工修改三角網使之貼合現狀地形，這個過程比較繁瑣，需要作業員對現狀地形非常熟悉。

2.3 斷面法

斷面法是根據土石方計算范圍，將場地劃分為若干個橫斷面，按原始地面線與設計斷面線組成的斷面圖計算每個橫斷面所圍面積，然后取兩個相鄰斷面面積平均值乘以此兩斷面的里程間距，計算求得此兩個相鄰斷面間的土石方量，最后各個相鄰斷面間土石方量累加求和即為總土石方量[1]。

斷面法適合用于帶狀區域的土方量計算，例如公路、水渠和市政管線工程等等。它的計算精度與選取的斷面里程間距有關，斷面間距分割得越精細、精度就越高，斷面間距的選擇原理和三角網法原理一致，吻合地形是提高精度的重要因素，對于地形起伏較大的地方則需要減少里程間距，在地形高低處都應要有斷面。

3 工程案例

3.1 概況

本項目位于梧州市藤縣林漿紙業，開方前為現狀所堆成的土堆，開方后為設計方提供的一條范圍線，將這次范圍導入清華山維EPS，如圖1 可知。由此可見，該項目屬于地表起伏不大的面狀地形，故采用方格網法比較適應。

3.2 無人機在土方量中的應用

無人機在土方測量中主要有外業數據測量和內業數據處理兩個階段，詳細流程如圖2 所示。

外業數據獲取：通過收集測區已有的地形圖、正射影像圖等數據資料開展外業前期的數據收集。開展對這塊測區的攝影測量前，需要對測區及其周圍進行實地勘測，為起降場地的規劃與設計提供資料。這次的土方測量項目應用，開展無人機航空攝影測量，它的設計有以下幾點：

3.2.1 攝區內的平均高程影像位置分辨率高于2cm，其中最低點影像位置分辨率不得低于1.5cm。

3.2.2 航向重疊度為70%～80%，旁向重疊度為60%～70%，相機傾斜角度設計為40°～50°。

3.2.3 為保證攝區有效覆蓋，測區航向及旁向覆蓋均需超出測區邊界一個相對航高值的范圍。

3.2.4 本次測區布設的像控點總共20 個，點與點之前的距離分別控制在200m～300m 之間，需要在硬化地表上噴射20cm×20cm 的控制點標識。

業內數據處理：根據結合已經有的相控坐標數據，正射影像圖、POS 數據及其他參考文件，采用ContextCapture 軟件平臺參與生成實景三維模型。首先，在ContextCapture 平臺上添加這個測區中所有的控制點，其次，以光束法區域網整體平差為條件，通過中心投影的共線方程作為一個平差方程，一張影像組合的一束光線作為一個平差單元，對各光線束在空間進行旋轉和平移使得模型之間的公共光線實現最完美集合，從而使整體區域加載到控制點坐標系當中，最后生成測區實景三維模型。

3.3 精度評審

通過測區三維模型的構建，將其導入清華三維EPS 里面，先按50 米一個點提取高程點，然后再根據地形的變化復雜程度來添加點的個數，其中包括當地面起伏較大需要在現場中增加高程點、坎(坡)上、坎(坡)下等特征線高程錯開采集、草地中都需要適當增加些高程點來保證模型數據的準確性。

對提取的高程點數據進行第二次分析處理，剔除土方范圍里面出現錯誤的點，適當再次插入符合實際的散點，最后結合土方范圍線進行土方量的計算。

最后，通過下表1 計算比較得出實測與航測兩者的數據區別。

表1 實測與航測的數據比較

表2 土方分析結果表

從表1 可以看得出來，用實測的數據與飛機采集的數據來講，兩者之間的區別不大，中誤差為0.05cm，最大間隔誤差為10cm，完全滿足《城市測量規范》的技術要求；從表2 可以看得出來，實測與航測的挖方量保證在2%的平方米之內，兩者均能在《城市測量規范》中保證3%的重疊度。綜上所示，基本無人機航測的土方可以滿足需求，在一定的條件下具有較高的運用性。

4 結論

本文主要介紹了航測無人機進行土方量數據采取和處理方面的優越性，并且通過實測對比，它具有一定的可用性。

4.1 相對于傳統的測量而言，無人機航拍具有“上帝的視角”，一般在實地上無法測量的地方，無人機都能去到。另外，無人機大大減少了外業工作量的時間，除了實地部分有較高的雜物以為，其它都不需要人為去測量，作業方法更加智能。

4.2 現場能夠直接在三維模型中查漏補缺，一些地形比較復雜的地方可以通過三維模型直接點取其高程點出來。同時，從方格網中可以現場指出多少米一個點，而實測中難免會測漏從而導致計算不準確。

4.3 無人機航測功能客觀、真實，利用本文數據可以為土方計算提供高質量、高精度的成果數據。