基于无人机倾斜技术的土方量计算与精度分析

基于无人机倾斜技术的土方量计算与精度分析

王健

身份证：411521199204070973

摘  要：针对传统测量计算土方量效率低，成本高的弊端，将无人机倾斜技术应用于土方量计算中。文中详细叙述该技术应用于土方量计算的流程， 并以某工程土方量计算为实例，详细比较了与传统土方量计算方法，最终验证了无人机倾斜技术应用于土方量计算的适用性与可行性。

关键词：无人机，土方量计算，精度分析

0 引言

改革开放至今，我国经济总量不断提高。这几年国家在大力推进城镇化建设，在推行城镇化建设过程中，各种基础工程建设随之而来，其中就需要石方料来完成基础设施建设。全部采用外购产生大量施工成本。结合工程项目特点，采用部分自产，部分外购的模式大大节约了施工生产成本。随着施工进度的推移，需要经常根据已经生产的土方量计算需要外购的土方量。

当前的土方量计算主要是以全站仪或RTK获取轮廓特征的信息为数据获取方式，再结合南方CASS等成图软件进行土方量的计算。这种方式被各工程施工单位广泛使用，但是这种土方量计算方式存在数据采集速度慢、采样密度低、误差大、分析困难等不足之处，所以急需使用一种新的技术来代替[1]。其中无人机技术是最近几年兴起的一门高新技术，随着无人机硬件成本的降低以及续航能力的提高，将无人机技术引用于测量工程中是一件值得研究的事情。传统测绘受到工作环境、物力、人力成本的制约早已显得缺乏生机。无人机技术的普及为测量工作带来新鲜血液。相关文献研究了无人机应用于测绘大比例尺地形图，得到了精度与传统仪器相当的精度地形图。在三维建模和数字城市以及目前热门的BIM技术中，无人机都展现强大的优势，以高效、精确的服务为应急救援和城市管理部门的决策提供了坚实可靠的参考数据[2]；在电力部门的高压电线日常巡视中，无人机技术的成功应用大幅提高工作效率的同时，完全规避了常规人工巡检中的重大人身安全隐患。将无人机应用于碎石方测量也是这几年兴起的一门技术。

本文在吸取前人经验的基础之上，将无人机技术应用于土方量计算，结合Smart3D(ContextCapture)软件实现石方储量变化的可视化计算，利用某公路工程土方量计算实例验证了该组合技术应用于碎石方两变化监测，不仅形象直观，同时作业效率也能得到数倍至十数倍的提高。

1传统碎石方测量的弊端

传统土方量测量计算外业采集数据一般通过全站仪、水准尺、RTK等外业设备实现数据的获取。通过人工测量来实现碎石方计算不仅工作效率低，而且外业工作环境中常常发生危险，这就为测量工作者带来困扰。

2基于倾斜模型土方量计算技术路线

基于无人机倾斜模型土方量计算技术路线的步骤分为外业测量和内业数据处理两个部分。其中外业测量工作主要是像控点的布设和测量以及无人机外业低空倾斜摄影像片采集。内业数据处理工作主要是外业数据质量检查、像控点转刺、空三加密、点云匹配、三维建模、高程格网构建以及精度分析。

2.1倾斜摄影外业采集

进行无人机倾斜摄影外业采集应选择在合适的天气和气象条件下进行，一般应选择在天气晴好，风力不大的中午前后两小时左右为最优，以保证空气透视性好、像片色彩突出、清晰度高，同时能确保无人机在航摄过程中的姿态稳定。

无人机倾斜摄影外业采集参数设置：机载POS系统的存储间隔应与飞行速度和拍照间隔相匹配，一般由飞控软件自动控制，但应≤1秒。飞行速度由飞控软件根据拍照间隔确定上限，最大飞行速度不应大于8m/s，这样既能保证拍照间隔要求，也能充分保证无人机在这个航摄过程中姿态的稳定性。关于重叠率的设置，航向重叠率为70%，旁向重叠率为35%至45%。

2.2像控点测量

外业测量中有一项很重要的工作，就是像控点的选择与测量。其目的是通过像控点空三解算过程将像片坐标系转换成像控点所在坐标系统。理论计算中如果像控点足够密集，像片空三解算效果越好，但会大大增加外业工作劳动量与内业平差计算时间。一般施测像控点都会采用RTK按照图根级控制点要求进行，坐标系采用城市CORS系统。选择在测区周边及中心均匀分布一定间隔的像控点，可采用明显地物角点，或者制作标靶。一般选择像控点要满足如下几点条件：

（1）.为方便内业判读与刺点，一般像控点选择具有尖锐角的标志物之上；

（2）.作为像控点的目标物尺寸应适中，一般以40cm至70cm为宜，同时应详细注明像控点在目标物上具体方位；

2.3空三加密与三维模型重建

低空无人机技术相比于传统航飞而言，因数字摄影测量软件的日益成熟和完善，特别是影像识别技术的高速发展，使得“一键空三”成为可能。同时随着机载GNSS和惯导系统的应用普及，无人机内置的系统可实时获取每张像片的外方位元素，同时搭配与无人机配套商业建模软件，无需过多的人工干预，即可实现自动化空三解算与三维模型构建。

2.4高程采集

利用三维建模软件构建的石方场地三维模型，随后根据成图软件中高程点采集这一功能实现高密度高程点数据获取。为提高计算石方的准确性，在地貌变化明显地区重点采集，其中包括变坡处，坎上与坎下均需要错开采集高程；长斜坡中间增加高程点，以保持斜坡特性。只有这样，在构建三角网时不会出现坎下点与坎上点构网，抬高地势从而造成土方计算失真。

2.5碎石方计算

计算土方量常见方法如不规则三角网法，格网法，断面法等等。经比较发现不规则三角网法的适用范围较广并且建网灵活，精度又高，得到了广泛的认可和各项应用。

不规则三角网法通过外业获取高程点信息，内业通过建立不规则三角网来拟合地貌走势，

将每个三角形的三个顶点高程值求平均后乘上三角形面积，就可以得到每个三角形下的土方量（三棱柱体积），再对每个三棱柱体积进行求和就能得到该区域内的土石方量。不规则三角网法是通过在特定场地内建立一系列连续又不重叠的三角形来对地形地貌进行描述的，构建三角网的数据依据通常是一些离散点数据，这些离散点数据可以通过地图的数字化，野外实测，数据转换等方式获得。将每个三角形的三个顶点高程值求平均后乘上三角形面积，就可以得到每个三角形下的土方量（三棱柱体积），再对每个三棱柱体积进行求和就能得到该区域内的土石方量。

3工程实例

3.1项目实施情况

某改扩建工程标段内存在大量石质路堑，生产级配碎石底基层和水泥稳定基层的原材料一部分采用本项目开挖石方，一部分采用外购。为计算外购土方量，需计算已生产土方量。

本次石方量计算任务选用国产大疆MK300 RTK型号无人机，该无人机搭载一套五镜头航摄平台，可以一次航拍正射、前后和左右五个方向的像片，同时MK300搭载了高精度POS系统，无人机飞行平台在航摄中姿态保持性能较好。该飞机搭载双电池飞行，一次续航时间长至30分钟。本次航飞高度设置为80米，该飞行高度下的GSD优于3.0 cm；航摄中航向重叠率设置为80%，旁向重叠率设置为70%。

3.2精度分析与可行性验证

为验证土方量三维模型成图精度，依据《城市测量规范》（GB/T24356-2009）从三维模型采集高程值与等级水准高程点高程值进行精度比较统计，另一方面土方量利用三维模型高程数据与全野外实测高程计算土方量进行比较。

4结论

本文对目前传统碎石方测量的弊端进行了分析，提出利用无人机倾斜摄影测量技术进行土石方测量的方案，并对方案的流程设计和技术要求进行了分析，对无人机的航摄过程的注意事项进行了详细地阐述，并结合实际案例对利用无人机倾斜摄影测量技术进行土石方测量的精度与传统土石方测量进行了对比分析，得出利用无人机倾斜摄影测量技术进行土石方测量的方案在技术上完全成熟可行的，在精度上是完全可靠的，同时由于其作业效率高、成本低的优点，笔者认为在土石方测量中优势巨大，在国家大力发展BIM技术的今天是一个值得大力发展的方向。

参考文献

[1] 李博，徐敬海．无人机倾斜摄影测量碎石方计算及精度评定[J]．测绘通报， 2020( 2) : 102-106．

[2] 高利敏，冯耀楼．多旋翼无人机在工程方量测绘中的应用[J]．测绘通报， 2018( 4) : 155-158．