孫彥花

探討利用無人機(jī)航測技術(shù)測量土石方量的方法

孫彥花

（山東省煤田地質(zhì)局物探測量隊(duì)，山東 濟(jì)南 250104）

介紹如何運(yùn)用無人機(jī)航攝測量技術(shù)快速獲取測區(qū)高程地形數(shù)據(jù)，并基于地形數(shù)據(jù)成果做土方量計(jì)算分析。土石方量計(jì)算是利用無人機(jī)獲取的測區(qū)數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)DEM與設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，計(jì)算出土石方的填挖方量。這種方法利用了無人機(jī)航測測量技術(shù)比較靈活、不受地形限制等優(yōu)勢，對(duì)工程的實(shí)施有著重要的實(shí)際應(yīng)用意義。該方法能同時(shí)獲取影像數(shù)據(jù)，從而更加精確地界定土石方的計(jì)算范圍，提高了計(jì)算結(jié)果的精確度。

無人機(jī)；航攝測量；土方量計(jì)算；DEM

1 引言

在城區(qū)規(guī)劃、房屋、大橋、水庫等新建時(shí)，必然會(huì)計(jì)算土石方量。因此，土石方量測量是許多工程中不可缺少的工作。傳統(tǒng)的工程土石方量測量方式包括全站儀測量、GPS測量等。全站儀測量方法操作簡單，適合通視條件比較好、范圍小的區(qū)域。GPS測量是目前測量土石方量的主要方法。采用GPS測量有自身的優(yōu)勢，不需要搬站、不用考慮通視性等問題。但是，當(dāng)測區(qū)地形特別復(fù)雜，例如有很多陡坎、荊棘、GPS信號(hào)不好時(shí)，采用此方法則不利于測量。因此，急需一種高效安全且比較經(jīng)濟(jì)的測量方法。隨著科技的發(fā)展，無人機(jī)航測技術(shù)應(yīng)用到了很多工程領(lǐng)域。其中，無人機(jī)航測技術(shù)利用新的搭載平臺(tái)能夠?qū)崟r(shí)、高效地獲得地面的空間信息[1-2]，從而計(jì)算土石方量，對(duì)工程實(shí)施有著實(shí)際的推進(jìn)性作用。

2 技術(shù)路線

項(xiàng)目實(shí)施基于對(duì)項(xiàng)目區(qū)域獲取高分辨率的航空影像數(shù)據(jù)，對(duì)測區(qū)內(nèi)的地形進(jìn)行先外業(yè)后內(nèi)業(yè)的航測成圖方式。先收集控制點(diǎn)、地形數(shù)據(jù)、測區(qū)范圍等數(shù)據(jù)，然后利用航攝數(shù)據(jù)，在攝影測量系統(tǒng)中利用光束法平差對(duì)外業(yè)像控點(diǎn)進(jìn)行加密，從而生成DOM和DEM數(shù)據(jù)，并對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯，最后利用軟件進(jìn)行土方挖填計(jì)算分析，作業(yè)流程如圖1所示。

圖1 作業(yè)流程圖

2.1 數(shù)字?jǐn)z影測量數(shù)據(jù)采集

2.1.1 無人機(jī)介紹

這次數(shù)據(jù)采集的無人機(jī)平臺(tái)采用FY-1型固定翼，無人機(jī)在數(shù)據(jù)采集時(shí)具有靈活機(jī)動(dòng)、高危地區(qū)探測風(fēng)險(xiǎn)小等優(yōu)點(diǎn)。FY-1無人機(jī)性能指標(biāo)如表1所示。

表1 FY-1無人機(jī)性能指標(biāo)

翼展2.60 m最高爬升6 000 m 機(jī)長2.1 m續(xù)航時(shí)間4.0 hr 最大升降速度6 m/s巡航速度最大10 m/s 巡航速度110～130 km/h轉(zhuǎn)速1 500～9 000 環(huán)境溫度﹣20～40 ℃抗風(fēng)能力5級(jí) 降落方式傘降控制方式自動(dòng)降落

2.1.2 攝影相機(jī)

航攝相機(jī)采用佳能5DS相機(jī)數(shù)碼航攝儀。相機(jī)焦距：35 mm；像幅大?。?688×5792 pixels；像元分辨率：4.14 μm；相機(jī)檢校參數(shù)如表2所示。

表2 相機(jī)檢校參數(shù)

項(xiàng)目參數(shù) 相機(jī)類型CanonEOS5DS_35.0_8688x5792 像幅8 688×5 792像素 像素大小4.14 um 最大有效像素2 110萬 快門速度1/8 000 s

2.2 像控點(diǎn)選擇及采集

像控點(diǎn)布設(shè)方案與測區(qū)要求的精度有關(guān)，同時(shí)還與測區(qū)復(fù)雜程度和采用的數(shù)據(jù)處理軟件有關(guān)。像控點(diǎn)布設(shè)應(yīng)盡可能均勻分布于測區(qū)內(nèi)。像控點(diǎn)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況轉(zhuǎn)刺在影像清晰、目標(biāo)明顯的目標(biāo)點(diǎn)上，實(shí)地選擇的目標(biāo)要小，而且影像清晰。

2.3 航攝數(shù)據(jù)采集

根據(jù)此次需要量算土石方量要求，參照航攝及測繪相關(guān)規(guī)范，完成數(shù)據(jù)采集工作，具體實(shí)施流程如圖2所示。

圖2 實(shí)施流程圖

根據(jù)現(xiàn)場情況，以及計(jì)算土石方量要求的精度，此次數(shù)字?jǐn)z影數(shù)據(jù)采集按照1∶500地形圖航測規(guī)范要求實(shí)施。本次數(shù)據(jù)采集時(shí)設(shè)計(jì)航向重疊度60%，旁向重疊度40%。

2.4 航攝數(shù)據(jù)處理

INPHO為高精度、高效率、高速度的快速航測數(shù)據(jù)處理軟件。該軟件可以極大地加快對(duì)大尺度空間進(jìn)行數(shù)字化的速度，有很多步驟可以采用分布式并行處理，大大提升了數(shù)據(jù)處理的速度。

在DSM數(shù)據(jù)生成后，利用DTMaster對(duì)DSM數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯，去除植被、房屋等數(shù)據(jù)，去除噪點(diǎn)，以獲取高精度的DEM數(shù)據(jù)，如圖3所示。

圖3 生成的DEM數(shù)據(jù)

2.5 土方量計(jì)算分析

DEM數(shù)據(jù)有多種表現(xiàn)形式。但是，土石方量計(jì)算是利用DEM生成的TIN進(jìn)行擬合計(jì)算的。由于無人機(jī)搭載的非量測相機(jī)會(huì)造成影像畸變[3]，建模前需要利用正確的相機(jī)檢校文件對(duì)原始影像進(jìn)行畸變差改正[4]。首先利用ArcGIS勾繪出填挖方量范圍，并將需要計(jì)算填方量范圍內(nèi)數(shù)據(jù)導(dǎo)出，然后利用工具箱內(nèi)Surface Volume工具計(jì)算填方量。

3 精度分析

此次項(xiàng)目精度分析采用對(duì)比法。利用編輯好的DEM數(shù)據(jù)計(jì)算測區(qū)的土石方量，與實(shí)測的土石方量進(jìn)行對(duì)比。在對(duì)比過程中，先對(duì)比在測區(qū)內(nèi)測的32個(gè)特征點(diǎn)水平及高程坐標(biāo)，再對(duì)比兩種方法獲得土石方量。將其差值占實(shí)測填方量比值進(jìn)行比較分析，結(jié)果顯示，采用無人機(jī)航測得到的土石方量精度可以滿足土石方量計(jì)算的一般工程測量規(guī)范要求，可用于工程項(xiàng)目土石方量計(jì)算。

4 結(jié)語

本次研究通過無人機(jī)航測技術(shù)進(jìn)行土石方量的計(jì)算，速度快、精度高，完全滿足項(xiàng)目生產(chǎn)的需要，整體來看采用該方法有諸多優(yōu)勢：①用無人機(jī)進(jìn)行土石方量計(jì)算時(shí)不受通視條件的影響，在陡崖等環(huán)境復(fù)雜區(qū)域都可以使用，使用起來更加方便；②處理速度更快，以前需要幾周時(shí)間才能準(zhǔn)確量算土石方量，現(xiàn)在從數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)處理幾天時(shí)間即可完成；③獲取多種類似數(shù)據(jù)，可以得到DOM和DSM數(shù)據(jù)，通過編輯可以得到DEM數(shù)據(jù)，不僅可以讓測區(qū)數(shù)據(jù)在二維環(huán)境下展示分析，而且可以在三維環(huán)境下進(jìn)行展示分析。這樣能夠更加精確界定土石方的計(jì)算范圍，使計(jì)算結(jié)果更加 精準(zhǔn)。

［1］李德仁，李明.無人機(jī)遙感系統(tǒng)的研究進(jìn)展與應(yīng)用前景［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（信息科學(xué)版），2014，39（5）：505-513.

［2］尹杰，楊魁.基于無人機(jī)低空遙感系統(tǒng)的快速處理技術(shù)研究［J］.測繪通報(bào)，2011（12）：15-17.

［3］何敬，李永樹，魯恒，等.無人機(jī)影像的質(zhì)量評(píng)定及幾何處理研究［J］.測繪通報(bào)，2010（4）：22-24.

［4］曹正響.基于PixelGrid軟件的無人機(jī)數(shù)據(jù)處理方法和技術(shù)探討［J］.測繪通報(bào)，2012（Suppl 1）：436-437.

2095－6835（2020）06－0146－02

TE822

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.06.059

孫彥花（1986—），女，碩士研究生，工程師，現(xiàn)從事測繪方面工作。

〔編輯：辛霞〕