無人機傾斜攝影在土方測量中的應(yīng)用研究

林金標(biāo)

（福建省地質(zhì)測繪院，福建 福州 350011）

0 引言

目前，采用無人機傾斜攝影技術(shù)對土方量進行測量，克服了傳統(tǒng)土方測量易受復(fù)雜地形條件影響，造成工作緩慢、成本提高的問題。無人機傾斜攝影具有高分辨率、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點，能保證整個項目數(shù)據(jù)的一體性，大大提高土方測量的速度與精度。

1 土方計算原理

一般采用南方CASS10.1軟件對土方進行計算，常用的土方計算方法有DTM法、斷面法、方格網(wǎng)法、等高線法等。

1.1 DTM法土方計算

DTM法適用于地形復(fù)雜、不規(guī)則形狀區(qū)域的計算，但不適合地勢變化較大區(qū)域的計算。因軟件生成的三角網(wǎng)不能與高低起伏的復(fù)雜地形地貌相吻合，要由人工對一小部分三角網(wǎng)進行修改，使之與高低起伏的地形地貌貼合。通過對開工前和填挖后兩期地面點坐標(biāo)和高程進行實測，利用軟件分別生成兩期三角網(wǎng)，將指定范圍分割為若干個三棱錐，并進行編號，計算每個三棱錐的體積，最后通過累加每個空間立體的體積，計算得到指定范圍內(nèi)的填（挖）方量。

1.2 斷面法土方計算

斷面法適用于地形狹長的帶狀區(qū)域，計算精度取決于各條橫斷面的里程間距，橫斷面間距越小，計算精度就越高。對高低起伏變化較大的地形，應(yīng)縮小橫斷面間距，增加橫斷面條數(shù)。通過獲取縱斷面線上每個里程處的實測橫斷面線與設(shè)計橫斷面線所組成的橫斷面圖，從而求出相鄰里程兩條橫斷面面積的平均值，再乘以這兩條橫斷面的間距，可計算出每兩條相鄰斷面間的土方量，匯總所有兩條相鄰斷面間的土方量，即可計算出該地塊的總填（挖）方量。

1.3 方格網(wǎng)法土方計算

方格網(wǎng)法適用于地勢平坦、起伏不大的地形或測區(qū)范圍大的區(qū)域，但不適合地形起伏變化較大的區(qū)域。方格網(wǎng)的寬度越小，計算精度就越高。通常情況下，方格網(wǎng)四個角點的高程是周邊點高程通過內(nèi)插的方式得來的，不考慮地形變化。通過預(yù)先輸入方格網(wǎng)邊長，將計算范圍劃分成一個個方格，把每個方格四個角的高程相加后取其平均值，并與設(shè)計標(biāo)高相減得出挖（填）高度，再把這個挖（填）高度乘以對應(yīng)方格的面積，從而計算出各個長方體的體積，最后對所有長方體的體積進行累加，即可計算出該地塊的總填（挖）方量。

1.4 等高線法土方計算

等高線法適用于土方概算、地形坡度大的區(qū)域，該方法可計算任意兩條等高線之間的土方量，但所選等高線必須閉合才有效。通過軟件自動求出相鄰兩條等高線所圍的面積，即可得到兩條等高線之間的高差，根據(jù)相鄰等高線所圍的面積乘以其高差，從而計算出每相鄰兩條等高線間的土方量，最后累加所有相鄰兩條等高線間的土方量，即可計算出該地塊的總填（挖）方量。

2 無人機傾斜攝影的應(yīng)用

本研究以福建省莆田市某地塊的土方測量為例，該地塊東西長約290 m，南北長約170 m（見圖1），該地塊現(xiàn)為旱地，植被稀疏低矮，地勢相對平坦，最低處高程約為21.0 m，最高處高程約為26.0 m，屬地勢平坦的地形，故采用方格網(wǎng)法來計算土方量。

2.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

2.1.1 外業(yè)像控點布設(shè)。在測區(qū)四個角點向外側(cè)約25 m處均布設(shè)像控點，其他區(qū)域按兩點間距為150～180 m均勻布設(shè)8個像控點。像控點一般布設(shè)在清晰的線狀地物交點處、明顯地物的折角頂點；在無明顯地物標(biāo)志的區(qū)域布點時，要在地面上埋設(shè)不小于30 cm×30 cm的水泥樁，且在水泥樁面上用紅油漆刷出“十”字形，十字中心要加噴直徑為4 cm的圓點作為像控點標(biāo)識。

2.1.2傾斜多視影像獲取。本研究采取無人機傾斜攝影方法進行外業(yè)影像數(shù)據(jù)的采集，設(shè)備采用大疆無人飛行器DJI Phantom 4RTK，相對航高值設(shè)為50 m，測區(qū)平均高程位置影像地面分辨率優(yōu)于1.5 cm，最低點影像分辨率優(yōu)于2.0 cm。按照五向航線進行飛行，航向重疊度設(shè)為85%，旁向重疊度設(shè)為70%。為確保所攝影像能全面覆蓋作業(yè)區(qū)域，航向及旁向覆蓋均超出測區(qū)邊界線一個相對航高值的范圍，共計獲取傾斜多視影像800多張。

2.1.3 像控點測量。像控點測量分為平面控制測量和高程控制測量，坐標(biāo)系采用2000國家大地坐標(biāo)系，高程基準(zhǔn)采用1985國家高程基準(zhǔn)。在無人機進行傾斜攝影時，大疆無人飛行器可同步獲取像控點的平面坐標(biāo)，在完成對像控點平面控制測量后，采用水準(zhǔn)儀按四等水準(zhǔn)精度進行高程控制測量。

2.2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

2.2.1 實景三維模型生產(chǎn)。將像控點坐標(biāo)數(shù)據(jù)、傾斜多視影像數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Context?Capture三維建模軟件平臺中，完成實景三維模型數(shù)據(jù)的生產(chǎn)。首先，在ContextCapture三維建模軟件中加載所有像控制點的坐標(biāo)數(shù)據(jù)和多視影像數(shù)據(jù)。其次，區(qū)域網(wǎng)整體平差以光束法為基礎(chǔ)，以中心投影的共線方程為一個平差基礎(chǔ)方程，一張影像組成的一束光線作為一個平差單元，再將各光線束在空間中進行平移和旋轉(zhuǎn)，使模型間的公共光線實現(xiàn)最佳交會，把全部區(qū)域納入到控制坐標(biāo)系里，進而利用影像密集匹配構(gòu)建三角網(wǎng)（TIN），將紋理映射到對應(yīng)的三角網(wǎng)格中，即可生成實景三維模型。

2.2.2 土方量測算。①高程點數(shù)據(jù)處理。基于生成的實景三維模型數(shù)據(jù)，通過軟件將其轉(zhuǎn)換為高密度的高程點數(shù)據(jù)，從而提高土方量計算的準(zhǔn)確性。判斷實景三維模型上的高程點數(shù)據(jù)是否滿足地形地貌的變化情況，如不滿足，應(yīng)補充采集明顯地貌變化處的高程。②土方量測算結(jié)果。該案例地勢平坦、起伏不大，適合采用南方CASS10.1軟件方格網(wǎng)法進行土方計算。經(jīng)計算得出，挖方量為180 493.6 m3，填方量為0.0 m3。

3 精度評估

為評估無人機傾斜攝影開展土方測量的可行性、可靠性，采用像控點平面坐標(biāo)、碎部點高程、土方量3個指標(biāo)對案例測量的精度進行比較驗證。采用華測RTK儀器測量的像控點平面坐標(biāo)值與傾斜攝影實景三維模型采集像控點的平面坐標(biāo)值進行比較（見表1）；采用圖根水準(zhǔn)測量的碎部點高程值與傾斜攝影實景三維模型采集碎部點的同點位的高程值進行比較（見表2）；采用方格網(wǎng)法土方計算方法、全野外數(shù)字化測量高程計算的土方量與傾斜攝影實景三維模型采集高程數(shù)據(jù)計算的土方量進行比較（見表3）。

表3 全野外數(shù)字化測量與實景三維測量的土方量比較

由表1可知，利用華測RTK測量像控點的平面坐標(biāo)值與傾斜攝影實景三維模型采集像控點的平面坐標(biāo)值之間較差的中誤差為±2.6 cm，最大為±3.6 cm，滿足規(guī)范規(guī)定點位中誤差不應(yīng)大于±5.0 cm的精度要求。

表1 華測RTK測量與實景三維采集像控點的坐標(biāo)值比較

由表2可知，利用圖根水準(zhǔn)測量的碎部點高程值與同點位實景三維采集的內(nèi)插高程值之間較差的中誤差為±4.1 cm，最大為±6.0 cm，滿足《城市測量規(guī)范》中土石方測量規(guī)定的檢測高程與原測內(nèi)插高程的平均較差應(yīng)在±10.0 cm內(nèi)的精度要求。

表2 圖根水準(zhǔn)測量與實景三維采集碎部點的高程值比較

由表3可知，采用同樣的土方計算方法，采用全野外數(shù)字化法測量的土方量與實景三維模型測量的土方量之間較差如下，填方量較差為0.0 m3、差值百分比為0%，挖方量較差為?4 210.2 m3、百分比較差為?2.33%，均滿足《城市測量規(guī)范》中規(guī)定的檢核計算成果與原計算成果的較差應(yīng)不大于原計算成果3%的精度要求。

綜上所示，采用無人機傾斜攝影實景三維模型進行土方測量的計算結(jié)果是可靠的，滿足實際需求，且具有較高的實用性。

4 技術(shù)優(yōu)點

與傳統(tǒng)的土方測量方式相比，無人機傾斜攝影在土方測量中具有靈活機動的優(yōu)點，且不受地形的限制，在平緩或陡峭地區(qū)均適用，除植被茂密、密集建筑群等區(qū)域外，一般不用人工去現(xiàn)場補充測量。外業(yè)測量轉(zhuǎn)為內(nèi)業(yè)解析，工作更加高效快捷，減少人員的投入，減少外業(yè)的工作量，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約生產(chǎn)成本。在地形地貌特征明顯變化處無標(biāo)注高程值時，可通過實景三維模型在地形地貌明顯特征變化處直接點取其高程值，有針對性地補充采集遺漏處的高程值，避免傳統(tǒng)土方測量方法容易出現(xiàn)高程點采集密度不夠的問題，從而對土方量計算的精度造成影響。無人機傾斜攝影模型數(shù)據(jù)客觀、真實，通過配套的軟件可進行高度、長度、面積、角度的量測，能提供高精度、高真實感的高密度三維點云、實景三維模型等多元可視化數(shù)據(jù)。可獲取DEM格式的高程點數(shù)據(jù)，可導(dǎo)入Civil 3D三維設(shè)計軟件中進行分析處理，減少中間作業(yè)環(huán)節(jié)，真正實現(xiàn)內(nèi)、外業(yè)一體化的作業(yè)流程。測量精度更可靠，處理環(huán)節(jié)更加簡便，軟件能對數(shù)據(jù)處理過程自動檢查，減輕作業(yè)人員的工作強度，避免人為造成的錯誤。

5 結(jié)語

本研究詳細介紹無人機傾斜攝影在土方測量中應(yīng)用的全過程，通過與全野外數(shù)字化測量在像控點坐標(biāo)、碎部點高程、土方量等3個方面的差值進行比較，驗證無人機傾斜攝影土方測量的精度滿足規(guī)范要求，計算結(jié)果是可靠的，且具有較高的實用性和可行性，在一定程度上能優(yōu)化土方測量及計算流程，提高土方量的計算精度，但對被茂密植被、高大建筑物遮擋區(qū)域?qū)o人機傾斜攝影土方測量計算精度的影響程度還要進一步研究。