呂基平，李 智，曾 波，李 璐

(中建五局第三建設(shè)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

0 引言

數(shù)字高程模型(DEM)計(jì)算土方工程量，自動(dòng)化程度高，計(jì)算精度高。但DEM數(shù)據(jù)采集耗費(fèi)資源較多，實(shí)際應(yīng)用難度較大。為滿足我國(guó)面向大量基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目建設(shè)的需求，長(zhǎng)沙冰雪世界項(xiàng)目利用基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的DEM法實(shí)現(xiàn)土方可視化計(jì)算，以推廣DEM法在工程實(shí)際中的應(yīng)用。

1 工程概況

長(zhǎng)沙冰雪世界項(xiàng)目坐落于深達(dá)百米的廢棄礦坑中，地形地質(zhì)條件復(fù)雜，土石方挖填工作量大。每個(gè)單體工程進(jìn)場(chǎng)前均需進(jìn)行原始地貌收方，場(chǎng)內(nèi)土方的外運(yùn)、轉(zhuǎn)運(yùn)工程量也非常大。

從平面看，該項(xiàng)目大體分為屋頂水上樂(lè)園區(qū)、上區(qū)水樂(lè)園、下區(qū)水樂(lè)園、雪樂(lè)園主體4個(gè)大區(qū)。除上區(qū)水樂(lè)園外，其余3個(gè)區(qū)域均位于礦坑內(nèi)部，礦坑長(zhǎng)440m，寬350m，深100m，是本次傾斜攝影重點(diǎn)量測(cè)的區(qū)域。項(xiàng)目俯視如圖1所示，基坑規(guī)劃如圖2所示。

圖1 無(wú)人機(jī)航拍俯視

圖2 基坑規(guī)劃

2 數(shù)字高程模型(DTM)法介紹

數(shù)字地面模型(DTM)是按一定結(jié)構(gòu)組織在一起的數(shù)據(jù)組，代表地形特征的空間分布。以高程為特征值的DTM也稱為數(shù)字高程模型。DEM用數(shù)字形式x,y,z坐標(biāo)表達(dá)區(qū)域內(nèi)的地貌形態(tài)，以微縮的形式再現(xiàn)地表形態(tài)起伏變化特征，具有形象、直觀、精確等特點(diǎn)。DEM不僅能應(yīng)用于各種工程規(guī)劃和地形分析，而且可直接用于土方工程量計(jì)算。

部分主體結(jié)構(gòu)需嵌入周?chē)?0°～90°的巖壁中，需開(kāi)挖大量土石方，因此對(duì)石方工程量的計(jì)算精確度提出了相當(dāng)高的要求。傳統(tǒng)的方格網(wǎng)法、等高線法及斷面法存在大量缺陷。因此如何高效地獲取原始地貌特征點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)是實(shí)現(xiàn)DEM法計(jì)算土方量技術(shù)成功運(yùn)用的難點(diǎn)之一。

3 實(shí)施前準(zhǔn)備

3.1 數(shù)據(jù)可靠性檢測(cè)

依據(jù)近地傾斜攝影測(cè)繪的原理，選取進(jìn)行空中三角測(cè)量運(yùn)算的軟件建立DEM模型。利用全站儀測(cè)定DEM模型部分點(diǎn)的空間坐標(biāo)，并對(duì)其進(jìn)行精度評(píng)價(jià)。

3.2 設(shè)備與空中三角測(cè)量運(yùn)算軟件的選取

近地?cái)z影測(cè)繪是依據(jù)近地影像中特征點(diǎn)的相對(duì)位置關(guān)系形成的一項(xiàng)測(cè)量技術(shù)，故對(duì)無(wú)人機(jī)的相機(jī)參數(shù)、飛行高度及無(wú)人機(jī)動(dòng)態(tài)成像的穩(wěn)定性有一定要求。甄選市面上的無(wú)人機(jī)，最后決定選用大疆精靈3標(biāo)準(zhǔn)版無(wú)人機(jī)。空中三角測(cè)量運(yùn)算軟件選用Bentley公司的Context Capture軟件，完成數(shù)據(jù)的處理與輸出。

4 實(shí)施

礦坑生態(tài)修復(fù)利用工程(冰雪世界工程中的土方臨時(shí)堆場(chǎng))原始地貌起伏變化較大，占地面積約為4 700m2，最大高差約10m。需進(jìn)行土方外運(yùn)，計(jì)算土方工程量。

通過(guò)高精度相機(jī)，完成影像資料處理，最終生成DOM文件；借助3D建模和偏差修正技術(shù)，建立3D數(shù)據(jù)庫(kù)模型；構(gòu)建TIN模型，與3D模型整合，形成成果文件。

4.1 外業(yè)實(shí)施

4.1.1明確航拍任務(wù)

2016年11月1日，天氣晴朗，空氣濕度25%，風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)1.3級(jí)。擬定采用大疆精靈3標(biāo)準(zhǔn)版無(wú)人機(jī)進(jìn)行航拍，航拍區(qū)域?yàn)槲蓓斞?lè)園、下區(qū)水樂(lè)園和雪樂(lè)園區(qū)。

4.1.2試飛準(zhǔn)備

對(duì)周邊場(chǎng)地進(jìn)行調(diào)查，重點(diǎn)標(biāo)記樹(shù)木和電線桿密集區(qū)域，在無(wú)人機(jī)飛行時(shí)需特別注意，避免墜機(jī)。在飛行區(qū)域設(shè)置4個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，由專(zhuān)人負(fù)責(zé)看管，出現(xiàn)突發(fā)情況及時(shí)溝通。

飛行前，確認(rèn)電池電量，機(jī)翼有無(wú)破損，并檢查無(wú)人機(jī)操作桿是否失靈。將無(wú)人機(jī)緩慢起飛至空中距離地面1m處，確保無(wú)人機(jī)的懸空穩(wěn)定系統(tǒng)正常。

726 Separation and purification of extracellular vesicles in tissue microenvironment and its physiochemical characteristics

根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)，在距離土方最高點(diǎn)10，20m高度設(shè)置航拍路線，每隔5m捕獲一張地面影像，相鄰照片影像重合率設(shè)定在60%～80%。累計(jì)捕獲10m段照片72張，20m段照片28張。

4.1.3正式飛行作業(yè)

一塊電池的平均飛行時(shí)間為20min(考慮無(wú)人機(jī)返航時(shí)間)，備用電池2個(gè)。平均完成一個(gè)區(qū)域數(shù)據(jù)采集的時(shí)間為10min。B區(qū)區(qū)域較大，分2次航拍，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。具體飛行計(jì)劃為：①A區(qū)15：00—15：20；②B1區(qū)15：30—15：50，B2區(qū)16：00—16：20；③C區(qū)16：30—16：50。

傾斜攝影測(cè)繪飛行軌跡如圖3所示。

圖3 無(wú)人機(jī)航拍軌跡

在空中三角測(cè)量計(jì)算軟件Context Capture中進(jìn)行圖形數(shù)據(jù)計(jì)算，輸出合成遙感圖像。將遙感圖像導(dǎo)入AutoCAD中，選取遙感影像中部分與DEM數(shù)字模型相關(guān)度高的影像特征點(diǎn)，利用全站儀復(fù)核其空間三維坐標(biāo)。數(shù)字模型的生成與近地?cái)z影的環(huán)境有極大相關(guān)性，在相對(duì)穩(wěn)定的日光環(huán)境下建立3個(gè)數(shù)字模型，根據(jù)項(xiàng)目地形的特點(diǎn)，選取不同區(qū)域、不同高度及地形地勢(shì)變化較大的特征點(diǎn)，每個(gè)數(shù)字模型選取10個(gè)特征點(diǎn)，共計(jì)30個(gè)特征點(diǎn)。選用系統(tǒng)誤差為(2±2×10-6)mm的全站儀對(duì)特征點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)進(jìn)行復(fù)核。復(fù)核計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 控制點(diǎn)復(fù)核結(jié)果

4.2 內(nèi)業(yè)實(shí)施

4.2.1無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理

選擇合適的無(wú)人機(jī)相機(jī)后，進(jìn)行相機(jī)標(biāo)定工作，確保無(wú)人機(jī)航拍的準(zhǔn)確性和完整性。

航拍結(jié)束后，進(jìn)行影像的預(yù)處理，然后開(kāi)始影像匹配。完成空中三角測(cè)量后，進(jìn)行DEM數(shù)據(jù)提取，完成DOM生成和拼接。

4.2.23D數(shù)據(jù)處理

完成高精度相機(jī)標(biāo)定工作，進(jìn)行多視角影像處理，對(duì)生成的幾何模型進(jìn)行校正，整合偏差，確保三維影像資料的正確性，最終形成3D數(shù)據(jù)庫(kù)，處理流程如圖4所示。

圖4 傾斜攝影測(cè)量影像處理流程

4.2.33D模型構(gòu)建

在CIL3D或犀牛軟件中，導(dǎo)入數(shù)據(jù)點(diǎn)，提交空中三角測(cè)量加密，生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)，構(gòu)建TIN模型與生成的3D模型整合，得到初步的數(shù)據(jù)模型(見(jiàn)圖5)。

圖5 建立數(shù)據(jù)模型

4.2.4模型整合及計(jì)算

整合模型，將無(wú)人機(jī)三維實(shí)景模型運(yùn)用點(diǎn)云技術(shù)處理，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)實(shí)景模型扭曲處進(jìn)行適當(dāng)修正，得到實(shí)景3D模型，如圖6所示。

圖6 實(shí)景3D模型

整合模型，對(duì)A，B，C區(qū)的土方開(kāi)挖量進(jìn)行計(jì)算，并與全站儀通過(guò)方格網(wǎng)法測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如表2所示。

表2 土方量比較

由表2可知，基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的土方算量和全站儀外業(yè)測(cè)量的土石方精度差距很?。徊捎脽o(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的土石方算量外業(yè)工作需4人工作1d，內(nèi)業(yè)需1人工作2d；基于全站儀外業(yè)測(cè)量的土石方測(cè)量外業(yè)需2人工作7d，內(nèi)業(yè)需1人工作2d。相對(duì)而言，采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的土石方算量效率優(yōu)于全站儀測(cè)量。

5 結(jié)語(yǔ)

在各種工程建設(shè)如鐵路、公路、港口、城市規(guī)劃中,土方量計(jì)算是一項(xiàng)經(jīng)常性的、不可缺少的工作,且在整個(gè)工程量中,土方工程常占有較大比例。土方工程量計(jì)算精度的高低直接影響整個(gè)項(xiàng)目的建設(shè)周期和經(jīng)濟(jì)成本，高精度的土方工程量有利于土方資源調(diào)配，降低施工建造成本，縮短項(xiàng)目建設(shè)周期。利用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)獲取原地貌的數(shù)字高程模型(DEM),對(duì)土方進(jìn)行可視化計(jì)算具有一定優(yōu)勢(shì)。