無人機航測技術(shù)在土方測量中的應(yīng)用研究

鄧虎

摘要：無人機航測技術(shù)的發(fā)展，豐富了高精度地形地貌數(shù)據(jù)的獲取手段，提升了數(shù)據(jù)質(zhì)量和工作效率，也為土方精確測量開辟了新思路。本文結(jié)合無人機航測技術(shù)，提出了一種基于DTM快速計算土方測量的方法，為相關(guān)工作提供借鑒[1]。

關(guān)鍵詞：無人機;土方測量

引言

土方測量和計算是工程建設(shè)中的重要環(huán)節(jié)，其計算效率與精度取決于地形測量點位的精度和密度。本文針對傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方式效率低、作業(yè)復(fù)雜等問題，對基于無人機傾斜攝影測量技術(shù)的土石方測算方法進行了研究。研究表明，該技術(shù)在外業(yè)數(shù)據(jù)采集效率及內(nèi)業(yè)處理方面均有較大提升，土石方計算的精度能滿足要求，驗證了該技術(shù)在土石方測算中的適用性與可行性，為日后在土地平整規(guī)劃、土方工程量快速測算中提供了一種有效途徑[2]。

1概述

隨著城市經(jīng)濟的發(fā)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(xiàn)場的土方填挖量。土方量計算的本質(zhì)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(shè)計表面。傳統(tǒng)的土方測量方法一般是采用全站儀和GPS來獲取數(shù)據(jù)，但是這種測量方法會受現(xiàn)場地形的復(fù)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(fù)雜程度增加而呈現(xiàn)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(shù)據(jù)的采集，雖然三維激光掃描儀在采集數(shù)據(jù)上有著密度大、精度高的優(yōu)勢，但是內(nèi)業(yè)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(shù)據(jù)的精度，另外，對于站點的架設(shè)也需要人員成本的投入。

2土方計算方法

2.1方格網(wǎng)法

方格網(wǎng)法是將計算區(qū)域劃分成若干個正方形單元格網(wǎng)，然后計算每個格網(wǎng)交點位置原始地形和完工地形的高差，每個單元格網(wǎng)內(nèi)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(wǎng)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(wǎng)法的精度與方格網(wǎng)的寬度取值有關(guān)，理論上是，方格網(wǎng)寬度取值越小，計算精度越高。但是在實際應(yīng)用中，我們還要根據(jù)計算區(qū)域的面積來設(shè)定方格網(wǎng)寬度取值。因為方格網(wǎng)的四角高程為附近高程內(nèi)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(fù)雜起伏較大的區(qū)域不適合。

2.2三角網(wǎng)法

三角網(wǎng)法是通過地形表面的三個不同坐標(biāo)點構(gòu)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(gòu)成一個三維三角網(wǎng)，三維三角網(wǎng)就是反應(yīng)地形的一個三維面，三維三角網(wǎng)與現(xiàn)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(wǎng)構(gòu)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。三角網(wǎng)法對于地形起伏變化大的情況適用，但是內(nèi)業(yè)軟件生產(chǎn)的三角網(wǎng)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(wǎng)使之貼合現(xiàn)狀地形，這個過程比較繁瑣，需要作業(yè)員對現(xiàn)狀地形非常熟悉。

3數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)

3.1無人機飛行規(guī)劃

精靈4RTK作為大疆一款“平民化”小型多旋翼高精度航測無人機，操作簡單，起飛前只需進行簡單機體安裝。在航線規(guī)劃時，應(yīng)對測區(qū)進行充分踏勘，在保證飛行安全和數(shù)據(jù)精度的前提下，設(shè)定合適的飛行高度。起飛點選擇在視野開闊、地面空曠的區(qū)域，避開地磁干擾和強電場區(qū)。飛行路徑調(diào)節(jié)時，盡可能保證航線數(shù)少;同時適當(dāng)調(diào)整方向，使航線兩端與起飛點之間距離差盡可能小，便于無人機在低電量時調(diào)整返航點，提高無人機單架次的工作效率。在飛行過程中盡可能將遙控器天線對著飛行器的方向，并保證遙控器網(wǎng)絡(luò)連接，避免遙控器斷網(wǎng)和飛行器失聯(lián)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)測量精度降低，甚至引起飛行器失聯(lián)返航。

3.2數(shù)據(jù)處理要求

精靈4RTK采集的航片，在EXIF中存儲了相關(guān)坐標(biāo)和姿態(tài)信息，坐標(biāo)系與飛行任務(wù)設(shè)置需要保持一致。當(dāng)需要轉(zhuǎn)換坐標(biāo)時，可通過大疆智圖或編寫程序，導(dǎo)出航片POS信息，進行轉(zhuǎn)換后，再寫入航片中，利用PIX4D進行空中三角測量。出現(xiàn)質(zhì)量問題時，應(yīng)調(diào)整參與計算的航片，適當(dāng)添加聯(lián)接點或刪除存在偏差的航片?？杖郎y量后，進行點云加密和分類操作，由于測區(qū)存在少許耕地和林地，造成點云未落在地面上，影響土方計算精度，針對這種情況，應(yīng)參考實地測量植被高度，對點云進行分類降高處理。

3.3空三解算

結(jié)合記錄的外方位元素，采取由粗到精的金字塔匹配策略，在每級影像上進行同名點自動匹配和自由網(wǎng)光束法平差，得到同名點匹配結(jié)果。同時建立連接點、連接線、控制點坐標(biāo)、POS輔助數(shù)據(jù)的多視影像自檢校區(qū)域網(wǎng)平差的誤差方程，通過聯(lián)合解算，保證平差結(jié)果的精度。

3.4成三維模型及密集點云數(shù)據(jù)

空中三角測量優(yōu)化完畢，滿足精度要求后進行多視影像密集匹配，在匹配過程中充分考慮冗余信息，快速準(zhǔn)確地獲取多視影像上的同名點坐標(biāo)，進而獲取地面的三維信息，生成三維點云數(shù)據(jù)及三維模型。

3.5點云數(shù)據(jù)分類

密集匹配生成的點云數(shù)據(jù)為地表點云，存在房屋、植被等非地面點，基于傾斜攝影處理技術(shù)構(gòu)建的地形點云數(shù)據(jù)中含有漂浮物、植被和房屋等地物。在土方計算中，這些地物不在地形的表面，會影響到土方量計算。因此，需要將點云分類，植被、房屋等地表突出物踏平至地面，獲取純凈的地形表面，提高土方量計算的精度。

結(jié)語

應(yīng)用無人機開展土方精確測量工作，通過精度檢測，保證整體技術(shù)參數(shù)符合相關(guān)規(guī)定要求，論證了無人機航測技術(shù)在土方測量項目中應(yīng)用的可行性，可作為土方精確測量的一種有效手段。但因未在其他不同區(qū)域開展相關(guān)工作，是否能夠應(yīng)用此項技術(shù)全面解決土方測量工作，還有待驗證[3]。

參考文獻：

[1]張濤學(xué).基于ArcGIS土方量計算系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].建材發(fā)展導(dǎo)向，2017，15（12）：209-210.

[2]姜華.基于消費級無人機的1∶500地形圖的制作[J].測繪與空間地理信息，2020，43（6）：179-181.

[3]金偉，葛宏立，杜華強，等.無人機遙感發(fā)展與應(yīng)用概況[J].遙感信息，2009（1）：88-92.