無人機傾斜攝影技術在垃圾填埋場堆體開挖管控中的應用

摘要：隨著城市發展進程的加快，垃圾填埋場治理與生態修復類型工程實施的市場需求進入集中爆發期。以海南省澄邁縣老城鎮顏春嶺生活垃圾填埋場環境治理和生態修復項目為研究對象，通過無人機傾斜攝影技術取得實時現場變化數據，生成三維實景模型，計算出垃圾堆體開挖工程量，實現對堆體開挖進度、工程量以及開挖深度（或高程）的有效監管，并將無人機用于監測開挖邊坡穩定性。通過案例研究和技術探討，為實際應用提供可行性和有效性的指導。

關鍵詞：傾斜攝影測量；填埋場環境治理；工程量監管；邊坡穩定性

中圖分類號：X705 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）12-00-0310

Application of Unmanned Aerial Vehicle Oblique Photography Technology in the Construction Control of Garbage Dump Excavation

YU Pengyuan， JU Hao， TIAN Wenwu

（POWERCHINA Construction Group Ltd.， Beijing 100032， China）

Abstract： With the acceleration of urban development， the market demand for landfill management and ecological restoration projects has entered a period of concentrated outbreak. The environmental governance and ecological restoration project of Yanchunling municipal solid waste landfill in Laocheng town， Chengmai county， Hainan province is taken as the research object. Real time on-site change data is obtained through unmanned aerial vehicle oblique photography technology， and a three-dimensional real scene model is generated to calculate the excavation quantity of the garbage heap. Effective supervision of the excavation progress， quantity， and depth （or elevation） of the heap is achieved， and the unmanned aerial vehicle is used to monitor the stability of the excavation slope. Provide feasible and effective guidance for practical applications through case studies and technical discussions.

Keywords： oblique photography; landfill environmental management; quantity supervision; slope stability

目前，傾斜攝影技術廣泛應用于我國工程領域，相較于傳統的勘察設計手段，它具備三維可視化及參數化等顯著優勢。傾斜攝影測量技術通過精細的分割與組合流程，生成三維仿真模型[1]。此外，該技術可以綜合評估項目現場的地質條件。在超容垃圾堆體開挖的監測場景中，傾斜攝影技術不僅能迅速處理分析數據，還能確保信息準確無誤[2-3]，對于提高堆體開挖的安全監測水平具有至關重要的作用。

1 工程概況

顏春嶺垃圾填埋場位于海南省澄邁縣老城鎮顏春嶺，該填埋場總占地面積約為68.27 hm2。影像采集區域為垃圾堆體，地勢起伏不平，相鄰地貌高差較大，建筑物及樹木較少，地物特征明顯，適合進行傾斜攝影三維建模。

2 研究流程

應用研究流程包括數據的采集與處理、三維模型的構建、計算垃圾堆體開挖工程量、監測開挖邊坡穩定性。數據采集與處理的質量對三維模型的精準度具有直接影響；三維模型的構建主要涉及建模軟件的操作，涵蓋空中三角測量與三維重建等步驟；垃圾堆體開挖工程量計算與開挖邊坡穩定性監測等能夠檢驗所建模型成果。

2.1 建模前數據的采集與處理

一是區域設定。在谷歌地球上設定飛行區域，標記區域范圍并保存為KMZ文件。飛行作業人員接收到任務指派后，在無人機地面站導入KMZ文件，可直觀獲取飛行區域位置。

二是參數配置與航線規劃。在選定區域并設定好系統參數后，系統會自動完成航線規劃。同時，在指定區域內均勻布設像控點，以確保精度。

三是影像數據采集。將大疆御3行業應用版無人機與地面站進行聯調，啟動攝影直至整個區域被完整拍攝，共獲得影像4 531張。

2.2 三維模型的構建

軟件構建三維模型的工作流程為空三測量、像控點刺點、三維重建以及模型精度分析。實例采用的軟件為ContextCapture建模軟件。

一是空中三角測量。在導入數據并完成所有參數設置后，啟動空中三角測量任務。該測量過程的質量決定最終三維模型的質量，由于ContextCapture軟件具備高度的自動化特性，其數據處理和建模流程通常無須人工直接干預，僅能查看最終結果[4]。

二是像控點刺點。有效的像控點集合應至少包含3個像控點，且每個像控點需在兩張或更多影像上進行精確標記（即刺點）。完成所有刺點操作后，需重新提交進行空中三角測量。

三是三維重建。在設置頁面選擇三維網格生成三維模型，選擇OSGB格式，限定三維重建范圍后，將空間參考系統設置為本項目所需的2000國家大地坐標系（中央子午線111°E）。配置完成后，軟件即可自動生成無人機傾斜攝影測量的三維模型。所構建的顏春嶺填埋場項目的三維實景模型如圖1所示。

四是模型精度評估。空中三角測量流程生成的精度報告可以直接驗證數據處理的有效性與準確性。空中三角測量影像校準精度高達95.46%，保證了研究區域數據質量。為更直觀地展現模型的精度，將模型中地磅房頂點坐標的測量結果與RTK測量結果進行了對比驗證。結果顯示，水平坐標差異為0.015 m，高程差異為0.021 m，充分證明了模型的高精確度。

至此，完成顏春嶺填埋場三維實景模型的建立，模型內置坐標、高程信息，精度能夠滿足開挖深度（或高程）的有效監管。

2.3 垃圾堆體開挖工程量計算

在CASS軟件中安裝CASS 3D插件，打開測區實景三維模型，并在模型上選取測區范圍面，選取完成后提取模型表面高程點，選點過程中應盡量避免選取非地面點。完成高程點提取后，自動生成數據文件，使用高程點數據文件和原地貌文件計算土方量，即可得到垃圾堆體開挖工程量。本過程完成后即可實現對堆體開挖進度、工程量的監管。

以施工日志記錄噸數驗證無人機建模計算數據的準確性，驗證結果如表1所示，其中模型提取方量轉化為垃圾堆體開挖工程量時的堆體平均密度取1.2 g/cm3。

經驗證，無人機模型提取數據與實際開挖累計工程量誤差最大為10.26萬 t，最小為1.55萬t，因垃圾堆體成分復雜，堆體內密度隨垃圾成分而變化，產生一些誤差，但影響較小，模型垃圾堆體開挖工程量計算結果整體可以滿足開挖進度、工程量監控所需。

2.4 開挖邊坡穩定性監測

2.4.1 無人機傾斜攝影技術穩定性監測優勢與不足

在垃圾挖掘與處理的過程中，挖機產生的振動、垃圾堆體自然沉降都會影響邊坡穩定性。邊坡失穩會造成工程事故，影響工程實施進度，而且覆蓋層破裂會導致有害氣體如硫化氫、甲烷等外溢，影響周邊居民環境安全。因此，監測邊坡穩定性至關重要。基于無人機傾斜攝影測量技術和逆向建模技術的變形分析方法與常規測量相比，能夠在短時間內實現全方位、多角度的數據采集，從而更全面地了解開挖邊坡變形狀況，但是無法達到變形監測所要求的毫米級精度。

2.4.2 精度提升試驗

影響無人機攝影測量定位精度的因素有兩個方面。一方面是無人機全球定位系統（Global Positioning System，GPS）模塊定位精度。另一方面是無人機圖像誤差，天氣狀況、地表干濕程度等因素都會影響無人機照片影像質量。從圖像誤差角度出發，提高圖片的地面分辨率和影像質量能夠顯著提高成圖精確度。本研究提出兩種優化思路：選擇在空氣潔凈、光照充足、風力較小的時間段進行影像采集工作；縮小影像采集區域并提升照片的重疊度，包括航向重疊度和旁向重疊度，能夠有效減少對照片邊緣部分的利用，從而最大限度減少在影像畸變校正過程中的誤差。為進一步提升傾斜攝影技術成圖的精確度，在進行航線任務時，適當地將航向重疊度提升至70%～75%，旁向重疊提升至70%～75%，經對比發現，為此方法可顯著提高空中三角測量平差精度。

2.4.3 穩定性監測結果

晴朗無風天氣下，對堆體西面邊坡進行小范圍三維建模，設置航向重疊度75%，旁向重疊度75%，提取模型表面高程點，獲得所設點位變形數據。

經數據驗證，x坐標中誤差為0.71 cm，y坐標中誤差為0.24 cm，高程中誤差為0.29 cm。由此證明，在天氣情況滿足無人機影像質量的情況下，以小范圍開挖區域臨近邊坡為采樣區域，適當降低飛行高度，提高航向及旁向重疊度，可以滿足垃圾堆體開挖邊坡穩定性監控的需要。但受無人機衛星誤差等因素影響，在大范圍的垃圾堆體區域內，測量數據無法滿足變形監測等精密測量結果，僅可作為全站儀、全球導航衛星系統（Global Navigation Satellite System，GNSS）變形監測儀等變形監測等測量設備的輔助措施[5]。

至此，無人機傾斜攝影技術已能夠有效監管堆體開挖進度、工程量以及開挖深度（或高程），并實現開挖邊坡穩定監測。

3 結論

通過對傾斜攝影技術在生活垃圾填埋場開挖過程中的應用展開，從外業影像數據獲取到實景三維模型建立，最后到模型的各種應用，降低了人工與時間成本，而且各種坐標、土方計算結果的精度達到了規范要求。工程實踐表明，無人機傾斜攝影測量技術可應用于垃圾填埋場治理項目的開挖工程量、進度、高程監管。但是，在利用無人機傾斜攝影測量技術監測邊坡穩定性時，測區范圍、像控點密度能夠影響穩定性監測的結果，如何選擇合適的測區范圍、像控點布設方案有待于進一步研究。

參考文獻

1 丁 波.消費級無人機傾斜攝影空中三角測量及三維模型精度分析[D].北京：北京建筑大學，2020.

2 曹 琳.基于無人機傾斜攝影測量技術的三維建模及其精度分析[D].西安：西安科技大學，2016.

3 陳明杰.無人機傾斜攝影測量三維建模及模型可視化研究[D].西安：西安科技大學，2019.

4 劉 洋.無人機傾斜攝影測量影像處理與三維建模的研究[D].撫州：東華理工大學，2016.

5 李 博，徐敬海.無人機傾斜攝影測量土方計算及精度評定[J].測繪通報，2020（2）：102-106.

作者簡介：于鵬遠（1990—），男，北京人，工程師。研究方向：工程數字化。