基于PPK 技術，無人機在土石方工程中的應用

王立爭 朱厚琪 牛宗磊

（遼寧省交通高等?？茖W校，遼寧 沈陽 110000）

土石方量計算是工程項目核心環節之一。為了能合理安排項目進度，準確計算工程量并節約費用，通常需要高效、準確地計算土石方量。因此選擇合適的測繪方法十分重要。

在二十世紀七八十年代，土石方的計算是有工程人員先在圖紙上剖面數據，在米格紙上畫好剖面圖，然后再依照剖面圖上計算的要求運用求積儀或者其他的一些方法在剖面圖上求得面積，最后再計算出土石方量。但是這種工作程序相當繁瑣，工作量大、精確度不高、消耗大量的時間。

隨著如今計算機技術和測量儀器技的發展和完善，特別是基于AUTOCAD 二次開發的CASS、FASTIFT 等軟件的出現，不僅大縮短了計算的時間，而且得出的結果更加客觀、精確。土石方工程中測繪工作包含外業觀測和內業的數據處理計算。計算機根據外業觀測數據選取一種特定的方法計算土石方。

無人機PPK 技術是無人機數據采集完畢后對其記載的數據與基站觀測的數據進行事后差分解算從而獲取厘米級的精度。如果再利用坐標轉換軟件對解算后的數據進行坐標轉換進而可得直接到地方坐標系的成果，工作效率大大提高。

以DJIPHANTOM4RTK 無人機PPK 套裝為例，其體積小、重量輕，因此攜帶方便，能輕易進入人不宜進入的各種惡劣環境。在土木工程測量領域，以它自身優點應用廣泛，在土石方計算中，它較傳統水準儀、全站儀、GPS 等有獨特的優勢，人工的現場測量威脅生命安全，消耗人力、財力，受擾因素眾多。

1 工作流程

DJI PHANTOM 4 RTK 無人機土石方計算主要分為外業和內業兩部分。外業通過布設些許像控點及采集坐標、對無人機進行規劃（也可在谷歌地圖中確定測區范圍，生成kml 文件）、Ubase 架設。內業通過無人機土石數據處理軟件（PISHON E-view），導入外業數據，進行PPK 解算，得到POS 數據，第一次空三，刺像控點，第二次空三，建模，土石方計算。

2 數據采集

2.1 像控點布設及采集

像控點的密度和平面位置精度直接影響無人機PPK 技術工程土石方算量成果的挖填數據。因此，像控點布設要在整個測區均勻分布，選點要盡量選擇固定、平整、清晰易識別、無陰影、無遮擋區域。像控點需選擇較尖銳的標志物，盡量選擇平坦的地方，避免樹下、房角等容易遮擋的地方。像控點需要與周邊的色彩形成鮮明的對比。像控點的布設還要考慮地形和精度的要求，如起伏大、地貌復雜，需增設像控點數量。采集像控點時可進行多次平滑采集，采集其CGCS2000坐標，用于影像位置的糾正和控制。像控點采集的精度直接影響土石方計算成果資料。

2.2 無人機的規劃

在進行無人機的規劃中，要注重重疊率的設置，若重疊率過低會導致空中三角測量失??；若重疊率過高會增加數據處理時間。飛行高度也會對建模成果造成影響，飛行高度若過高則會影響建模的清晰程度，飛行高度若過低則容易出現碰撞故障。故無人機規劃飛行時，飛行高度一般在100-120米之間，航向重疊率不大于80%，采集方式采用正射，旁向重疊率不大于80%，飛行速度不大于6m/s。

3 數據處理

3.1 建模流程

首先進行后差分解算，運用PISHONE-view 軟件進行外業數據處理，進行PPK 解算，得到POS 數據。PPK 解算完畢后，自動跳轉空三建模界面，進行自動空三建模。模型建立成果后，通過已知范圍進行土石方計算，得到土石方計算最終成果。

3.2 建模及土石方計算常見問題分析處理

三維實景模型建模軟件PISHON E-view 在實際應用過程中，出現很多問題，影響建模。

3.2.1 GNS 讀取失敗

在建模生產過程中，GNS 讀取失敗如圖1 所示。這種情形，非常影響建模時間，因為只有把數據全部導入之后才可發現，造成重復生產。

圖1

針對此問題，若是在UBase 讀取錯誤信息情況下出現，我們要在UBase 中進行正確修改，具體可見圖2 對比。

圖2

3.2.1.1 設置參數不正確

在進行手鋪與UBase 連接時，差分接收數據鏈設置錯誤，無法正常采集正確信息，使得無人機飛行時，UBase 收集照片坐標不準確。

3.2.1.2 UBase 發生位置移動

無人機在空中飛行時，由于外界因素使UBase 產生了位置偏移，這樣使UBase 收集坐標信息與空中無人機照片信息不匹配，使之產生錯誤。

3.2.2 導入像控點時的偏差過大

在導入像控點后，像控點坐標位置與實際測得像控點位置偏差過大，有時會偏移地面，使得建模產生變形。如圖3 所示。導入像控點時的偏差過大的原因有采集像控點時坐標系統中參數設置錯誤、采集時儀器桿還沒有居中就采集這兩種原因。

圖3

3.2.2.1 坐標系統參數設置錯誤

若發現手簿中坐標系統發生錯誤，要及時改正，重新測取坐標。常見坐標系錯誤有兩種：一種為中央子午線設置錯誤，另一種能夠為坐標系設置錯誤。

3.2.2.2 采集時儀器桿沒有居中

針對此問題，要在采集時重點注意儀器桿水平氣泡，保證氣泡盡量集中。也可以采集平滑測量，進行人為錯誤產生的糾正。

3.2.3 刺點位置不精確

當像控點刺點不正確時，直接影響建模時的準確度，導致最終土石方量計算誤差過大，影響工程的進一步進行，如圖4 所示。

圖4

3.2.3.1 像控點布設符合要求，像控點標志物尺寸應大于70cm，并且不易出現方向錯誤感，明顯現實是標志物的哪一部分。

3.2.3.2 軟件操作刺點過程中，準確找點位置，刺點照片數適量增加。

4 空三加密結果常見問題分析處理

4.1 地面不平

經過照片刺點以及兩次空三之后，完成三維建模模塊。模型的地面有時會凹凸不平，和實際情況有嚴重的偏差。如圖5。

圖5

試驗對比分析證明，影響建模因素主要原因為像控點位置不夠準確，還有硬件配置、空三、瓦片劃分等因素。

（1）首先要檢查刺點位置，力求精準。加密控制點刺點個數。

（2）采用瞰景Smart3D 實現了空三一遍過，空三只跑一遍大大減少了人力，以及減少了在空三上的工作時間。

（3）KML 范圍建模時可使用KML 范圍進行約束，KML約束較為邊緣工整，無參差現象。在進行規劃KML 范圍時應減少延伸，延伸多會降低建模速度。

4.2 高程點密度不足

在進行解算土石方量中，要和工程中還未開發前的一期高程以及工程完事之后的二期高程進行計算，在計算時，非常容易出現高程點不足現象，導致無法進行土石方計算，如圖6。

圖6

針對高程點不足的問題，通常按以下三個方面進行修改（圖7-8）。

圖7

（1）一期高程不足。當在提取一期高程數據時過于稀疏，無法和二期高程進行解算，因此，要在提起一期高程點時盡可能間隔小，密度大。

（2）二期高程不足。當在提取二期高程數據時過于稀疏，無法和一期高程進行解算，因此，要在提起二期高程點時盡可能間隔小，密度大。

（3）提取一期、二期高程點時進行高程點加密。在陡峭地方、位置相差過大的地方，高程點數據自動提取過于稀疏，我們要進行高程點加密，以滿足土石方量計算的進行。

圖8

5 結論

在無人機PPK 土石方解算中運用數字化測量新技術可通過對工程場地全方位進行拍攝影像數據的采集，并能高精度、高效率獲得相關數據，還能通過軟件技術生成三維實景模型，真實客觀的將地面地物以及地形變化反映出來。

在實際應用過程中，在進行外業數據采集時應特別注意相片重疊度不宜過低，同時也應注意像控點精度不宜過差，若沒有注意這些問題會給內業帶來一些不必要的麻煩，外業也需要進行補飛或復測像控點。

在內業數據處理時也應特別注意空三質量是否合格，若不合格應及時尋找問題并解決，空三質量不合格會使得后續的工作都或多或少出現一些問題，這樣會增加成本，也會增加一些負擔。

DJI PHANTOM 4 RTK 無人機數字正射影像與三維影像采集，面對復雜地形也可以高效靈活完成測繪任務；應注意的是在采集特征點時應多角37 度旋轉，避免出現坐標偏移。對與遮擋物較多的情況下不可強行采集特征點，這樣很容易造成特征點坐標的偏移，對于遮擋物多的地形應采取其他軟件進行采集特征點。數字化測量新技術完全實現了土石方量計算的目標，節約了大量人力，保證了測繪質量，同時提高了其工作效率。