無人機(jī)三維建模在土方計(jì)量中的應(yīng)用

摘" 要：該文基于湘潭荷塘交通樞紐項(xiàng)目，通過對(duì)比無人機(jī)測(cè)繪與傳統(tǒng)RTK測(cè)繪方式對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行土方量測(cè)繪計(jì)量的效果，探究無人機(jī)測(cè)繪用于土方計(jì)量的可行性及優(yōu)勢(shì)。試驗(yàn)結(jié)果表明，無人機(jī)測(cè)繪能夠滿足土方計(jì)量要求，縮短測(cè)圖時(shí)間，快速生成三維影像地圖。與傳統(tǒng)的土方計(jì)量方式相比，無人機(jī)測(cè)繪具有自動(dòng)化程度高、快速高效、精細(xì)準(zhǔn)確可存檔等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)攝影測(cè)量;三維建模;土方計(jì)量;交通樞紐項(xiàng)目;測(cè)繪方式

中圖分類號(hào)：TU74 " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）18-0188-05

Abstract： Based on the Xiangtan Hetang Transportation Hub Project， this paper investigates the feasibility and advantages of UAV surveying and mapping by comparing the effects of the UAV method and traditional RTK methods for earthwork measurement in the survey area. The test results show that UAV surveying and mapping can meet the requirements of earthwork measurement， shorten mapping time and quickly generate three-dimensional image map. Compared with the traditional earthwork measurement method， UAV surveying and mapping has the advantages of high degree of automation， high speed and efficiency， fine and accurate archiving and so on.

Keywords： UAV photogrammetry; 3D modeling; earthwork measurement; transportation hub project; surveying and mapping mode

工程土方測(cè)繪與計(jì)量是編制工程概預(yù)算、招標(biāo)控制價(jià)、投標(biāo)報(bào)價(jià)、合同價(jià)及工程價(jià)款結(jié)算最基本依據(jù)之一。工程量的多少?zèng)Q定著工程造價(jià)的高低，因此工程土方測(cè)繪與計(jì)量工程是投資控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。土方工程選用不同的計(jì)量方法，計(jì)量結(jié)果存在差異，往往會(huì)引起參建各方的異議。因此，工程土方測(cè)繪和計(jì)量也是確保工程順利進(jìn)行的保障。工程建設(shè)中，特別是在復(fù)雜施工條件下，通常需要根據(jù)建設(shè)要求進(jìn)行填方、挖方。那么，如何準(zhǔn)確計(jì)算工程量，如何精準(zhǔn)地填方、挖方至關(guān)重要[1-3]。

孫允聰?shù)萚4]用斷面法測(cè)量高速公路土方時(shí)，發(fā)現(xiàn)對(duì)于地形狹長、起伏較大且不規(guī)則地段、挖方深度大，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際相差甚遠(yuǎn)?？镏就5]指出方格網(wǎng)法在土方測(cè)量雖具備直觀、易驗(yàn)算等優(yōu)點(diǎn)，但忽略了地形要素，對(duì)于地形復(fù)雜地區(qū)，方格網(wǎng)法的計(jì)算誤差很容易超限。田建軍[6]研究表示當(dāng)?shù)乇砀卟顟沂?，?yīng)在測(cè)量線范圍內(nèi)增設(shè)其他測(cè)量點(diǎn)，控制誤差、保證土方計(jì)量的準(zhǔn)確性。但外業(yè)采集點(diǎn)量增加，導(dǎo)致了外業(yè)工作量加大。

從以往的研究看來，傳統(tǒng)的工程土方測(cè)繪與計(jì)量，是一項(xiàng)困難略帶危險(xiǎn)性的工作。往往先要進(jìn)行長久的外業(yè)測(cè)量采樣，對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，測(cè)制地形圖，進(jìn)行土方計(jì)算。內(nèi)業(yè)計(jì)算過程繁重且復(fù)雜，勞動(dòng)效率低下，計(jì)算精度差，并且無法提供三維影像地圖。外業(yè)地形測(cè)量需要大量測(cè)繪人員，成本較高，耗時(shí)較長，實(shí)施受地形、氣候限制[7-10]。因此，如何提高工程土方測(cè)繪與計(jì)量的精度，減少內(nèi)、外業(yè)勞動(dòng)量是現(xiàn)今土方測(cè)繪與計(jì)量研究的重點(diǎn)。

楊彥波[11]通過對(duì)CASS方格法和DTM法2種土方測(cè)量及計(jì)算方法進(jìn)行剖析，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)測(cè)量在革新，新型設(shè)備是未來發(fā)展趨勢(shì)。楊海賓[12]提到房建工程測(cè)量技術(shù)已經(jīng)取得了很大的發(fā)展，各種新型的測(cè)量技術(shù)促進(jìn)了房建工程發(fā)展，提高了施工效率，保證了質(zhì)量。肖彬[13]研究表示，傳統(tǒng)的測(cè)繪技術(shù)已經(jīng)無法滿足日益發(fā)展工程測(cè)量的要求，遙感技術(shù)、攝影技術(shù)、地理信息技術(shù)和GNSS技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，提高了工程測(cè)量效率。

在保證工程項(xiàng)目的施工質(zhì)量和安全的前提下，如何利用三維模型實(shí)現(xiàn)土方測(cè)量和土方計(jì)量，以縮短工程項(xiàng)目的工期，減少工程項(xiàng)目的成本，是現(xiàn)今土方測(cè)繪計(jì)量施工技術(shù)研究的重點(diǎn)。

1" 無人機(jī)測(cè)繪計(jì)量應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

無人機(jī)系統(tǒng)第一次進(jìn)入測(cè)繪領(lǐng)域是1979年[14]。隨著科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，無人機(jī)技術(shù)和數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)方面也在不斷進(jìn)步，越來越多的工程采用無人機(jī)進(jìn)行測(cè)繪和計(jì)量。李博[15]通過無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)獲取城市三維模型，應(yīng)用于城市規(guī)劃。程圓娥等[16]利用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)獲取場(chǎng)地?cái)?shù)據(jù)建立土方模型，采用軟件對(duì)模型進(jìn)行完善，從而獲得精準(zhǔn)土石方量。石雪飛等[17]考慮橋梁施工測(cè)量的特點(diǎn)和無人機(jī)攝影測(cè)量的原理，提出了橋梁線型無人機(jī)測(cè)量的技術(shù)框架和測(cè)量控制參數(shù)。

綜上所述，無人機(jī)測(cè)繪計(jì)量與方格網(wǎng)法、等高線法、平均高程法等傳統(tǒng)土方測(cè)繪和計(jì)量方式相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)。無人機(jī)測(cè)繪與計(jì)量土方施工技術(shù)，通過操作無人機(jī)進(jìn)行航拍獲取土方圖像，經(jīng)過影像處理獲得項(xiàng)目土方三維影像數(shù)據(jù)，依據(jù)這些數(shù)據(jù)在三維模型上快速精準(zhǔn)地完成測(cè)繪和土方計(jì)量工作，減少了人、材、機(jī)的投入，提高了測(cè)繪與計(jì)量工作效率，加快了施工進(jìn)程[18-21]。無人機(jī)測(cè)繪與計(jì)量施工技術(shù)優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1.1" 自動(dòng)化程度高、勞動(dòng)強(qiáng)度低

利用無人機(jī)搭載全方位攝像頭，在高空中實(shí)現(xiàn)大角度、全方位的拍攝，進(jìn)行地理信息測(cè)量。對(duì)于地形復(fù)雜無法直接觀察到的地形，通過無人機(jī)技術(shù)也可方便快捷獲得影像數(shù)據(jù)，基于這些數(shù)據(jù)建立模型，完成三維地形信息測(cè)繪和生成三維影像模型。

無人機(jī)測(cè)繪與計(jì)量技術(shù)，可減少外業(yè)工作量，提高了外業(yè)工作人員安全性。采用無人機(jī)測(cè)繪，具有自動(dòng)化程度高、外業(yè)操作簡(jiǎn)單、獲取數(shù)據(jù)快且準(zhǔn)、人工投入少和節(jié)約資金等優(yōu)點(diǎn)。

1.2" 高清攝像

無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)與地理信息技術(shù)能完美融合，無人機(jī)遙感憑借無人機(jī)高度上的優(yōu)勢(shì)，對(duì)像元進(jìn)行計(jì)算，然后在相機(jī)中進(jìn)行聚焦，這樣能夠?qū)o人機(jī)的高度與比例尺的大小確定得更加精準(zhǔn)。并且，無人機(jī)航拍技術(shù)捕捉地面景象真實(shí)準(zhǔn)確，同時(shí)能對(duì)原始景象的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，獲得完美的顯示效果，方便人眼識(shí)別，可直接使用。

1.3" 精確可靠

首先，無人機(jī)拍攝的照片是用高清相機(jī)拍攝的，然后再進(jìn)行地理圖像信息坐標(biāo)的測(cè)繪，最后實(shí)現(xiàn)地理信息圖像的有效融合。這樣所形成的三維全景圖會(huì)更加的精確和直觀，也更具科學(xué)性。因此，通過無人機(jī)數(shù)據(jù)采集建立三維模型是精確可靠的，這個(gè)模型的地理信息與影像有高度融合性，并且在融合過程中地理信息坐標(biāo)會(huì)被融合選取，這樣兩者之間融合的定位精準(zhǔn)度會(huì)更高。

2" 無人機(jī)測(cè)繪在土方計(jì)量中的應(yīng)用

2.1" 工程概況

湘潭荷塘交通樞紐項(xiàng)目位于湖南省湘潭市東部岳塘經(jīng)開區(qū)，北二環(huán)路與團(tuán)竹路之間，毗鄰長株潭城際鐵路荷塘站用地，規(guī)劃用地面積43 348.16 m2，總建筑面積40 264.93 m2。測(cè)量土方如圖1所示。

項(xiàng)目選用裝備大疆精靈4RTK多旋翼無人機(jī)進(jìn)行航拍（配云臺(tái)，GPS地面站），無人機(jī)參數(shù)配置見表1，航測(cè)定位精度高于1 cm。高質(zhì)量單反相機(jī)、像控點(diǎn)畫圖材料（白石灰）、專業(yè)繪圖及計(jì)量軟件Context Capture、3D Max，A4大小標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定紙一張。

2.2" 數(shù)據(jù)采集

2.2.1" 像控點(diǎn)的布設(shè)

依據(jù)湘潭荷塘交通樞紐項(xiàng)目，對(duì)需測(cè)定土方進(jìn)行分析并劃分區(qū)域，設(shè)計(jì)合理的路線。結(jié)合土方區(qū)域特征，科學(xué)合理布置地面控制點(diǎn)，加強(qiáng)地面控制，全面精確測(cè)量土方量，從而提高無人機(jī)航測(cè)的精度?？刂泣c(diǎn)采用對(duì)比度較大的顏色，形狀以十字叉（X），可最高精度選取該點(diǎn)。

2.2.2" 參數(shù)設(shè)置

設(shè)定行高100～120 m，可保證覆蓋0.2～0.4個(gè)平方千米的面積，同時(shí)保證1∶500地形圖的精度。設(shè)定航向重疊度為80%，旁向重疊度為70%。一次飛行可以拍攝5～10個(gè)相對(duì)的照片，確保工作效率。

2.2.3" 航攝飛行

按照設(shè)定的航行規(guī)劃起飛，起飛和降落時(shí)應(yīng)保證四周視野開闊，周邊障礙物的高度角不能大于15°，并且對(duì)GPS信號(hào)接收不產(chǎn)生影響。

2.3" 三維模型建立

本文采用無人機(jī)航飛實(shí)景三維建模軟件（ContextCapture Center）建模，操作步驟如圖2所示，操作示意圖3所示。

在刺點(diǎn)空中三角測(cè)量過程中導(dǎo)入【篩選合格照片】和【POS文件】及【像控點(diǎn)坐標(biāo)】3個(gè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行像控點(diǎn)定向作業(yè)。

在【計(jì)算坐標(biāo)】這一項(xiàng)里面查看標(biāo)準(zhǔn)偏差和殘差，以便估計(jì)精度。定向結(jié)果通過軟件分析，判定為ok，表示精度優(yōu)秀，定向結(jié)果良好。由圖4可知，無人機(jī)測(cè)繪的精度保證厘米級(jí)，滿足1∶500的精度需求。

建立模型，用多邊形線劃取，需要建模的區(qū)域，點(diǎn)擊【自動(dòng)測(cè)量表面】功能。設(shè)置試驗(yàn)間隔為1 m，點(diǎn)擊確定，開始自動(dòng)解算。1 m的間隔，一共計(jì)算出11 205點(diǎn)的數(shù)據(jù)量，然后貼圖，賦予每個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)以RGB坐標(biāo)，建立真實(shí)模型如圖5所示。

2.4" 土方計(jì)量對(duì)比

湘潭荷塘交通樞紐項(xiàng)目基礎(chǔ)工程挖填方量也就是體積計(jì)算，根據(jù)建立的土方測(cè)繪模型計(jì)算體積，只需要選中建立好的模型，點(diǎn)擊體積計(jì)算功能，全部工作自動(dòng)完成。

目前使用最多的土方計(jì)量方法是斷面法、DTM法、方格網(wǎng)法，其中方格網(wǎng)法適用平坦地形，故湘潭荷塘交通樞紐項(xiàng)目因?yàn)檩^平坦，所以采用常用的方格網(wǎng)法（10 m）。采用RTK均勻布點(diǎn)方式進(jìn)行地面數(shù)據(jù)采集，利用南方CASS9.0中的方格網(wǎng)法（10 m）進(jìn)行土方計(jì)算（如圖6所示），對(duì)無人機(jī)測(cè)繪土方量進(jìn)行準(zhǔn)確性驗(yàn)證，其計(jì)算結(jié)果見表2。

通過試驗(yàn)對(duì)比可知：

1）采用無人機(jī)測(cè)量并建立實(shí)景三維建模計(jì)算土方，節(jié)省內(nèi)外業(yè)工作時(shí)間，提高了工作效率。該項(xiàng)目地勢(shì)較為平坦且體量較小，無人機(jī)測(cè)繪的優(yōu)勢(shì)不是特別明顯，對(duì)于大型項(xiàng)目、地勢(shì)起伏較大的項(xiàng)目，無人機(jī)將更有優(yōu)勢(shì)。

2）無人機(jī)測(cè)量與RTK實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相比，挖方量差值比為1.105 5%，滿足土方計(jì)算的規(guī)范要求。

3）無人機(jī)測(cè)繪計(jì)量可以生成三維計(jì)量模型，真實(shí)準(zhǔn)確可存檔。

3" 結(jié)束語

本文依托湖南省湘潭市荷塘交通樞紐項(xiàng)目，結(jié)合土方測(cè)量的特點(diǎn)和精度要求，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)探討無人機(jī)測(cè)繪在土方計(jì)量可行性，同時(shí)與傳統(tǒng)土方計(jì)量方法進(jìn)行對(duì)比。研究成果如下。

1）無人機(jī)測(cè)繪用于土方計(jì)量，可快速生成三維影像地圖，縮短測(cè)圖時(shí)間，項(xiàng)目面積越大優(yōu)勢(shì)越明顯，并且無須深入測(cè)區(qū)，安全性高、勞動(dòng)強(qiáng)度低。

2）無人機(jī)測(cè)繪用于土方計(jì)量，可以生成三維土方計(jì)量模型，與傳統(tǒng)的土方計(jì)量方式相比具有自動(dòng)化程度高、快速高效、精細(xì)準(zhǔn)確可存檔等優(yōu)點(diǎn)。

3）無人機(jī)測(cè)繪用于土方計(jì)量，可節(jié)材、節(jié)能環(huán)保，節(jié)約工程成本。

4）無人機(jī)測(cè)繪用于土方計(jì)量仍存在不足之處，還值得繼續(xù)深入探究。無人機(jī)飛行機(jī)身不平穩(wěn)，易受天氣、外部環(huán)境影響;無人機(jī)無法自動(dòng)避開障礙，比如說細(xì)小物體，對(duì)技術(shù)人員的技術(shù)有一定要求;拍攝的畫面、采集的數(shù)據(jù)會(huì)有些許差別;對(duì)體量較大的工程，拍攝畫面、整體數(shù)據(jù)量大，那么數(shù)據(jù)處理起來相對(duì)復(fù)雜。

參考文獻(xiàn)：

[1] 季朝亮，李宗聚，馬學(xué)民.關(guān)于幾種土方量計(jì)算方法的研究[J].測(cè)繪與空間地理信息，2010，33（3）：219-222，226.

[2] 程飛，金澤林.土方量計(jì)算方法研究與應(yīng)用[J].測(cè)繪與空間地理信息，2021，44（1）：176-180.

[3] 王果，張祥祥，孟靜，等.利用三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的土方量計(jì)算方法[J].河南工程學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018，30（1）：49-52.

[4] 孫允聰，張婷婷，郭藝.斷面法在高速公路土方測(cè)量與計(jì)算中的應(yīng)用[J].科技與創(chuàng)新，2021（9）：85-88.

[5] 匡志威.土方測(cè)量中考慮地形要素的方格網(wǎng)法[J].城市勘測(cè)，2021（3）：173-176.

[6] 田建軍.復(fù)雜地形路基土方測(cè)量探析[J].交通世界（中旬刊），2018（11）：97-98.

[7] 袁紅，張亞峰，王剛.無人機(jī)航測(cè)技術(shù)在土方測(cè)量中的應(yīng)用[J].測(cè)繪與空間地理信息，2021，4（Z1）：293-296.

[8] 張高全.無人機(jī)遙感技術(shù)在測(cè)繪工程測(cè)量中的應(yīng)用[J].江西建材，2022（1）：119-120.

[9] 徐文斌，顧士征.無人機(jī)攝影測(cè)量在高邊坡測(cè)量中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2020（29）：167-168.

[10] 杜海軍.土方測(cè)量立體布爾運(yùn)算方法[J].測(cè)繪地理信息系統(tǒng)，2021，46（3）：47-49.

[11] 楊彥波.方格網(wǎng)法與DTM法土方計(jì)算剖析及數(shù)字化測(cè)量發(fā)展方向[J].四川建筑，2021，41（6）：291-292.

[12] 楊海賓.房建工程測(cè)量放線控制[J].建材與裝飾，2019（29）：207-208.

[13] 肖彬.現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)在工程測(cè)量中的應(yīng)用研究[J].工程設(shè)計(jì)與建設(shè)，2021（24）：105-107.

[14] 劉遠(yuǎn).基于無人機(jī)影像建模的土方監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2020.

[15] 李博.無人機(jī)傾斜攝影模型在城市規(guī)劃中應(yīng)用研究[J].江西建材，2021（7）：79-80.

[16] 程圓娥，呂志慧，袁春琦，等.基于無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的土石方量[J].地理空間信息，2021，19（8）：70-73，5.

[17] 石雪飛，許琪，馬海英.橋梁施工線形無人機(jī)測(cè)量方法與參數(shù)優(yōu)化[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2022，50（1）：32-41.

[18] 太浩宇，夏永華.多種測(cè)繪技術(shù)對(duì)同一土方量算方法研究及精度分析[J].城市勘測(cè)，2022（2）：110-114.

[19] 相詩堯，王甲勇，李振江，等.無人機(jī)傾斜攝影精細(xì)格網(wǎng)土方計(jì)算研究[J].公路，2020，65（5）：42-46.

[20] FARHEY D N. Integrated virtual instrumentation and wireless monitoring for infrastructure diagnostics[J].Structural Health Monitoring， 2006，5（1）：29-43.

[21] 陳志華，張俊賢，張克銘，等.云南高速公路無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量實(shí)景三維模型建立方法改進(jìn)及精度提高[J].測(cè)繪通報(bào)，2019（S1）：275-279.