莫師慧

（梧州市測繪地理信息院，廣西 梧州543002）

1 概述

隨著城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，基建項(xiàng)目越來越多，在許多建筑工程的施工中，通常需要計(jì)算現(xiàn)場的土方填挖量。土方量計(jì)算的本質(zhì)就是開方前的三維曲面與開方后的三維曲面之差，這里所指的三維曲面可以是自然地表面，也可以是設(shè)計(jì)表面。傳統(tǒng)的土方測量方法一般是采用全站儀和GPS 來獲取數(shù)據(jù)，但是這種測量方法會(huì)受現(xiàn)場地形的復(fù)雜條件而受到阻礙和限制，尤其在荊棘雜草叢生的地方進(jìn)行測量就比較困難，而且其精度也會(huì)隨著地形的復(fù)雜程度增加而呈現(xiàn)明顯下降的趨勢。

最近幾年有些工程采用三維激光掃描儀進(jìn)行土方數(shù)據(jù)的采集，雖然三維激光掃描儀在采集數(shù)據(jù)上有著密度大、精度高的優(yōu)勢，但是內(nèi)業(yè)在每站的三維點(diǎn)云模型拼接上對人員要求較高，不同站的拼接融合誤差就直接影響了成果數(shù)據(jù)的精度，另外，對于站點(diǎn)的架設(shè)也需要人員成本的投入。

采用無人機(jī)技術(shù)對土方進(jìn)行測量，不僅可以保證整個(gè)項(xiàng)目數(shù)據(jù)的一體性，獲取高精度的地形數(shù)據(jù)，而且效率高，能減輕作業(yè)人員的勞動(dòng)程度。

2 土方計(jì)算方法

土方量的計(jì)算涉及眾多領(lǐng)域，露天礦山開采、土地利用開發(fā)整理、工程建設(shè)等，土方量計(jì)算的精度會(huì)直接影響到工程的經(jīng)濟(jì)效益。一般的土方計(jì)算方法有方格網(wǎng)法、三角網(wǎng)法和斷面法三種。

2.1 方格網(wǎng)法

方格網(wǎng)法是將計(jì)算區(qū)域劃分成若干個(gè)正方形單元格網(wǎng)，然后計(jì)算每個(gè)格網(wǎng)交點(diǎn)位置原始地形和完工地形的高差，每個(gè)單元格網(wǎng)內(nèi)的土石方工程量為四個(gè)交點(diǎn)位置的高差取平均值后乘以單個(gè)單元格網(wǎng)面積求得，最后匯總累加得到總填方量和總挖方量。從其計(jì)算原理上我們不難看出，方格網(wǎng)法的精度與方格網(wǎng)的寬度取值有關(guān)，理論上是，方格網(wǎng)寬度取值越小，計(jì)算精度越高。但是在實(shí)際應(yīng)用中，我們還要根據(jù)計(jì)算區(qū)域的面積來設(shè)定方格網(wǎng)寬度取值[1]。

因?yàn)榉礁窬W(wǎng)的四角高程為附近高程內(nèi)插而成，這種情況就會(huì)忽略考慮地形的特征性，所以這種方法使用于地表起伏不大的面狀地形，對于地形復(fù)雜起伏較大的區(qū)域不適合。

2.2 三角網(wǎng)法

三角網(wǎng)法是通過地形表面的三個(gè)不同坐標(biāo)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)三維的三角形，通過這些三維三角形來吻合實(shí)際地形的形狀，這些不同的三維三角形就構(gòu)成一個(gè)三維三角網(wǎng)，三維三角網(wǎng)就是反應(yīng)地形的一個(gè)三維面，三維三角網(wǎng)與現(xiàn)狀地形越吻合，其計(jì)算的精度就越高。它的計(jì)算原理就是采用開方前和開方后兩期的三角網(wǎng)構(gòu)成一個(gè)三棱柱和三棱錐，最后通過累加每個(gè)空間立體的體積而計(jì)算得到土方量。

圖1 林漿紙業(yè)的堆土范圍

圖2 無人機(jī)土方測量的生產(chǎn)過程

三角網(wǎng)法對于地形起伏變化大的情況適用，但是內(nèi)業(yè)軟件生產(chǎn)的三角網(wǎng)無法智能地吻合高低起伏的地形，這就需要人工修改三角網(wǎng)使之貼合現(xiàn)狀地形，這個(gè)過程比較繁瑣，需要作業(yè)員對現(xiàn)狀地形非常熟悉。

2.3 斷面法

斷面法是根據(jù)土石方計(jì)算范圍，將場地劃分為若干個(gè)橫斷面，按原始地面線與設(shè)計(jì)斷面線組成的斷面圖計(jì)算每個(gè)橫斷面所圍面積，然后取兩個(gè)相鄰斷面面積平均值乘以此兩斷面的里程間距，計(jì)算求得此兩個(gè)相鄰斷面間的土石方量，最后各個(gè)相鄰斷面間土石方量累加求和即為總土石方量[1]。

斷面法適合用于帶狀區(qū)域的土方量計(jì)算，例如公路、水渠和市政管線工程等等。它的計(jì)算精度與選取的斷面里程間距有關(guān)，斷面間距分割得越精細(xì)、精度就越高，斷面間距的選擇原理和三角網(wǎng)法原理一致，吻合地形是提高精度的重要因素，對于地形起伏較大的地方則需要減少里程間距，在地形高低處都應(yīng)要有斷面。

3 工程案例

3.1 概況

本項(xiàng)目位于梧州市藤縣林漿紙業(yè)，開方前為現(xiàn)狀所堆成的土堆，開方后為設(shè)計(jì)方提供的一條范圍線，將這次范圍導(dǎo)入清華山維EPS，如圖1 可知。由此可見，該項(xiàng)目屬于地表起伏不大的面狀地形，故采用方格網(wǎng)法比較適應(yīng)。

3.2 無人機(jī)在土方量中的應(yīng)用

無人機(jī)在土方測量中主要有外業(yè)數(shù)據(jù)測量和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理兩個(gè)階段，詳細(xì)流程如圖2 所示。

外業(yè)數(shù)據(jù)獲?。和ㄟ^收集測區(qū)已有的地形圖、正射影像圖等數(shù)據(jù)資料開展外業(yè)前期的數(shù)據(jù)收集。開展對這塊測區(qū)的攝影測量前，需要對測區(qū)及其周圍進(jìn)行實(shí)地勘測，為起降場地的規(guī)劃與設(shè)計(jì)提供資料。這次的土方測量項(xiàng)目應(yīng)用，開展無人機(jī)航空攝影測量，它的設(shè)計(jì)有以下幾點(diǎn)：

3.2.1 攝區(qū)內(nèi)的平均高程影像位置分辨率高于2cm，其中最低點(diǎn)影像位置分辨率不得低于1.5cm。

3.2.2 航向重疊度為70%～80%，旁向重疊度為60%～70%，相機(jī)傾斜角度設(shè)計(jì)為40°～50°。

3.2.3 為保證攝區(qū)有效覆蓋，測區(qū)航向及旁向覆蓋均需超出測區(qū)邊界一個(gè)相對航高值的范圍。

3.2.4 本次測區(qū)布設(shè)的像控點(diǎn)總共20 個(gè)，點(diǎn)與點(diǎn)之前的距離分別控制在200m～300m 之間，需要在硬化地表上噴射20cm×20cm 的控制點(diǎn)標(biāo)識(shí)。

業(yè)內(nèi)數(shù)據(jù)處理：根據(jù)結(jié)合已經(jīng)有的相控坐標(biāo)數(shù)據(jù)，正射影像圖、POS 數(shù)據(jù)及其他參考文件，采用ContextCapture 軟件平臺(tái)參與生成實(shí)景三維模型。首先，在ContextCapture 平臺(tái)上添加這個(gè)測區(qū)中所有的控制點(diǎn)，其次，以光束法區(qū)域網(wǎng)整體平差為條件，通過中心投影的共線方程作為一個(gè)平差方程，一張影像組合的一束光線作為一個(gè)平差單元，對各光線束在空間進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和平移使得模型之間的公共光線實(shí)現(xiàn)最完美集合，從而使整體區(qū)域加載到控制點(diǎn)坐標(biāo)系當(dāng)中，最后生成測區(qū)實(shí)景三維模型。

3.3 精度評(píng)審

通過測區(qū)三維模型的構(gòu)建，將其導(dǎo)入清華三維EPS 里面，先按50 米一個(gè)點(diǎn)提取高程點(diǎn)，然后再根據(jù)地形的變化復(fù)雜程度來添加點(diǎn)的個(gè)數(shù)，其中包括當(dāng)?shù)孛嫫鸱^大需要在現(xiàn)場中增加高程點(diǎn)、坎(坡)上、坎(坡)下等特征線高程錯(cuò)開采集、草地中都需要適當(dāng)增加些高程點(diǎn)來保證模型數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

對提取的高程點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行第二次分析處理，剔除土方范圍里面出現(xiàn)錯(cuò)誤的點(diǎn)，適當(dāng)再次插入符合實(shí)際的散點(diǎn)，最后結(jié)合土方范圍線進(jìn)行土方量的計(jì)算。

最后，通過下表1 計(jì)算比較得出實(shí)測與航測兩者的數(shù)據(jù)區(qū)別。

表1 實(shí)測與航測的數(shù)據(jù)比較

表2 土方分析結(jié)果表

從表1 可以看得出來，用實(shí)測的數(shù)據(jù)與飛機(jī)采集的數(shù)據(jù)來講，兩者之間的區(qū)別不大，中誤差為0.05cm，最大間隔誤差為10cm，完全滿足《城市測量規(guī)范》的技術(shù)要求；從表2 可以看得出來，實(shí)測與航測的挖方量保證在2%的平方米之內(nèi)，兩者均能在《城市測量規(guī)范》中保證3%的重疊度。綜上所示，基本無人機(jī)航測的土方可以滿足需求，在一定的條件下具有較高的運(yùn)用性。

4 結(jié)論

本文主要介紹了航測無人機(jī)進(jìn)行土方量數(shù)據(jù)采取和處理方面的優(yōu)越性，并且通過實(shí)測對比，它具有一定的可用性。

4.1 相對于傳統(tǒng)的測量而言，無人機(jī)航拍具有“上帝的視角”，一般在實(shí)地上無法測量的地方，無人機(jī)都能去到。另外，無人機(jī)大大減少了外業(yè)工作量的時(shí)間，除了實(shí)地部分有較高的雜物以為，其它都不需要人為去測量，作業(yè)方法更加智能。

4.2 現(xiàn)場能夠直接在三維模型中查漏補(bǔ)缺，一些地形比較復(fù)雜的地方可以通過三維模型直接點(diǎn)取其高程點(diǎn)出來。同時(shí)，從方格網(wǎng)中可以現(xiàn)場指出多少米一個(gè)點(diǎn)，而實(shí)測中難免會(huì)測漏從而導(dǎo)致計(jì)算不準(zhǔn)確。

4.3 無人機(jī)航測功能客觀、真實(shí)，利用本文數(shù)據(jù)可以為土方計(jì)算提供高質(zhì)量、高精度的成果數(shù)據(jù)。