肖永東 朱勁松

云南能源職業(yè)技術(shù)學院，中國·云南 曲靖 655000

1 引言

近年來，由于國家及地方經(jīng)濟建設發(fā)展的需要，各種類型的基礎(chǔ)設施建設項目數(shù)量眾多，規(guī)模龐大。如中國云南省2020年“四個一百”重點建設項目計劃安排項目達500 多項，總投資超5 萬億元。這些項目在實施過程中，基本都涉及對地表的改造，所以對土方量的精準把握是控制項目成本、提高效率的一種有效措施。在測繪領(lǐng)域，如何快速、高效、動態(tài)地實現(xiàn)項目進行中土石方量的計算，并及時反饋給相關(guān)單位就顯得十分重要。

在傳統(tǒng)的測繪領(lǐng)域中，實現(xiàn)土石方計算的常用外業(yè)方法主要有水準儀法、全站儀法以及GPS 法等[1]，而計算的內(nèi)業(yè)方法則有方格網(wǎng)法、不規(guī)則三角網(wǎng)法以及斷面法等[4]。其中，水準儀法一般用于方格網(wǎng)計算，即需要事先在測區(qū)布設計算方格，然后直接測定其高程，這種方法實用性單一，一般用于場地整平等[2]，且要求原始地貌不能超出水準測量能夠?qū)崿F(xiàn)的范圍。全站儀法可以實時測出測區(qū)可視范圍內(nèi)任意點的坐標和高程，其數(shù)據(jù)可以靈活用于任一種內(nèi)業(yè)計算方法，但因其需要設站定向且頻繁搬站，外業(yè)效率低下。GPS-RTK方法相對于全站儀則更進一步，只要有需要，任何有信號的地方都可以直接測量，但如果有信號屏蔽的地方，則無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集。但以上方法都涉及人工外業(yè)數(shù)據(jù)采點，其好處是機動靈活，但主要問題在于如果要實現(xiàn)計算量精度的提高，其數(shù)據(jù)量需求將呈幾何級數(shù)增長，嚴重拉長外業(yè)數(shù)據(jù)采集時間，并加大外業(yè)人員的勞動強度。因此，一種能夠高精度、快速且高密度地實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)采集的方法將是今后建設等領(lǐng)域的硬核需求，而無人機航測技術(shù)的出現(xiàn)正好滿足了這種時代需求。

無人機攝影測量是指基于無人機平臺，綜合利用電子遙控、傳感器、通訊及GPS 差分定位等技術(shù)，可實現(xiàn)實時、快速、高精度的空間影像數(shù)據(jù)獲取，再通過內(nèi)業(yè)解算、空間建模等途徑獲得測區(qū)的數(shù)字地表模型數(shù)據(jù)的一種新型測繪技術(shù)[3]。相對于傳統(tǒng)空間數(shù)據(jù)獲取方法，其主要有操作簡便、成本低廉、獲取影像數(shù)據(jù)直觀有效、數(shù)據(jù)精度高、數(shù)據(jù)密度大等眾多優(yōu)點。在工程建設土方量計算領(lǐng)域，其主要工作路線如下：

（1）根據(jù)項目需要，利用無人機獲取測區(qū)原始地形影像以及施工期間或竣工后等多期影像。

（2）利用無人機影像數(shù)據(jù)處理平臺進行影像內(nèi)業(yè)計算處理，得到測區(qū)各期的點云數(shù)據(jù)。

（3）利用ARCGIS 等平臺軟件，處理項目各期的點云處理，將其轉(zhuǎn)換成TIN 或DEM 的數(shù)據(jù)[5]。

（4）利用兩期間的數(shù)據(jù)，算出其前后變動情況，即為期間的工程土石方量。

2 應用實例

本實例為中國云南省曲靖市沾益區(qū)某一工業(yè)區(qū)場平任務，面積約800 畝，采用大疆經(jīng)緯M600 Pro(攜帶2400 萬像素攝影相機）六旋翼無人機分別在施工前后兩期對其地表采集了影像數(shù)據(jù)，使用Pix4D 軟件進行了內(nèi)業(yè)航測數(shù)據(jù)處理，利用生成的點云數(shù)據(jù)通過ARCGIS 平臺進行了計算，具體過程如下：

（1）像控點布設：本項目為長方形規(guī)則形狀，前后兩期均使用撒石灰的方法在場地內(nèi)呈品字形均勻布置了約12 個平高控制點，以保證控制點密度達到要求規(guī)范，同時還額外布置了若干個檢查點，以便后期進行必要的精度檢查。

（2）航帶設計：根據(jù)測區(qū)實際地形情況，以及《低空數(shù)字航空攝影測量外業(yè)規(guī)范》中的相關(guān)要求，本項目設計了測區(qū)的相應航線，具體為：航向為南北方向，共9 條航線，相對行高100m，航向及旁向重疊度分別為75%和60%，地面分辨率約1.8CM，設置完成后，選擇合適時間點進行了影像數(shù)據(jù)采集。

（3）航測數(shù)據(jù)處理：外業(yè)飛行結(jié)束后，隨即下載了影像數(shù)據(jù)以及相應的POS 數(shù)據(jù)，利用Pix4D 平臺軟件進行了數(shù)據(jù)處理并得到模型數(shù)據(jù)，其處理流程如圖1所示[1]。

圖1 Pix4D 影像數(shù)據(jù)處理流程

（4）編輯點云數(shù)據(jù)：Pix4D 生成的點云數(shù)據(jù)中含有部分噪點，如房屋、植被等，在實際應用中需要將其剔除，從而獲得測區(qū)的數(shù)字高程模型DEM，如圖2所示。

圖2 項目二期間點云DEM 數(shù)據(jù)

（5）將編輯后的兩期點云數(shù)據(jù)導入ARCGIS 中，轉(zhuǎn)換成柵格DEM，利用ARCGIS 中的土方計算功能，得到最終工程量結(jié)果數(shù)據(jù)。計算得出該項目挖方量為1650473m3，填方為1094416m3。

3 效率及精度分析

為了比較分析使用六旋翼無人機攝影測量進行土石方量計算的效率及精確性，本生產(chǎn)項目同時保留了傳統(tǒng)的使用GPS-RTK 技術(shù)進行的測區(qū)兩期間的數(shù)據(jù)，在RTK 測量方法中，兩期外業(yè)測量各使用了6 臺思拓力S6 型RTK，每期測量使用時間為2.5 天，采集點約25000 點；無人機數(shù)據(jù)采集派出2 人，所用時間具體為做像控點4 個小時，飛行拍攝共一個架次約40 分鐘，在效率上明顯得到提高。在每期中，從RTK 數(shù)據(jù)中隨機抽取50 個點分別于相應的無人機點云數(shù)據(jù)對應位置進行高程對比，通過統(tǒng)計得到：原始地形高程中誤差為±3.2CM，第二期高程中誤差為±3.0CM，滿足相關(guān)測量規(guī)范的要求。另外，從計算量來看，原先RTK 測量數(shù)據(jù)使用了南方CASS9.2 軟件使用方格網(wǎng)法進行了工程量的計算，得到項目挖方為1637725m3，填方1106969m3，挖填兩項計算數(shù)據(jù)差值都控制在1%以內(nèi)。所以，采用無人機航測的方法替代傳統(tǒng)人工測量方式，不但使其效率得到大幅提升，其測量、計算精度也可滿足工程項目的需求。

4 結(jié)語

論文論述了使用多旋翼無人機航測技術(shù)進行的工程土石方量計算的基本方法和過程。結(jié)果表明，該技術(shù)為未來的工程建設土石方計算帶來了新的有效途徑，其靈活、快速、高精度、智能化的方法以及多維、高精度的產(chǎn)品格式，必將廣泛應用于眾多空間信息采集領(lǐng)域。隨著無人機航測技術(shù)的進一步發(fā)展，傳感器的不斷演進，LIDAR 等技術(shù)的進一步成熟，建模等平臺軟件的持續(xù)優(yōu)化，以及價格等進一步的親民化，其必將在測繪應用領(lǐng)域起到領(lǐng)軍的作用。