程圓娥，呂志慧，袁春琦，張 凱，時(shí) 斐，赫春曉

（1.江蘇省測繪研究所，江蘇 南京 210013；2.北方信息控制研究院集團(tuán)有限公司，江蘇 南京 211153）

土石方工程作為工程建設(shè)項(xiàng)目中的基礎(chǔ)工程之一，在工程建設(shè)中具有極其重要的作用。土石方工程量算作為公路、隧道、橋梁等工程建設(shè)過程中控制工程投資、工程預(yù)算、施工安排的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，對(duì)工程進(jìn)度和工程預(yù)算具有直接的影響。要想客觀公正地進(jìn)行土方工程的費(fèi)用預(yù)算，以達(dá)到對(duì)成本和工期的有效控制，必須進(jìn)行快速準(zhǔn)確的土石方工程量算。傳統(tǒng)的土石方量算主要是采用全站儀或GPS-RTK等測量儀器，獲取地面點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行量測，不僅工作量大，而且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，特別是對(duì)于地形復(fù)雜的地區(qū)，外業(yè)數(shù)據(jù)的量測過程將會(huì)更加困難，因此選擇高效的外業(yè)數(shù)據(jù)采集方式十分重要[1]。

近年來，隨著無人機(jī)技術(shù)和計(jì)算機(jī)處理技術(shù)的快速發(fā)展，傾斜攝影行業(yè)迎來了一個(gè)新的浪潮，利用無人機(jī)進(jìn)行測繪數(shù)據(jù)采集成為熱門趨勢。與傳統(tǒng)測量方法采集單點(diǎn)數(shù)據(jù)不同，無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)可以大面積獲取目標(biāo)表面數(shù)據(jù)，具有數(shù)據(jù)獲取效率高、采集范圍廣、數(shù)據(jù)源準(zhǔn)確性高、安全性高以及自動(dòng)化程度高等優(yōu)勢，已廣泛應(yīng)用于地形圖測繪、實(shí)景三維建模等領(lǐng)域[2]。

目前，國內(nèi)外專家學(xué)者在將無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用于土方工程計(jì)算問題中，眾多研究人員已展開了一些研究，也取得了很大的進(jìn)展。文獻(xiàn)[3]通過無人機(jī)技術(shù)采集的影像生成數(shù)字高程模型，并結(jié)合相關(guān)軟件進(jìn)行兩期工程量計(jì)算；文獻(xiàn)[4]采用無人機(jī)傾斜攝影測量的作業(yè)方式，通過航攝影像解算三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行土石方量計(jì)算；文獻(xiàn)[5]通過無人機(jī)影像對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，并結(jié)合GIS技術(shù)對(duì)土方量進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)土方工程的動(dòng)態(tài)監(jiān)測。隨著無人機(jī)的續(xù)航能力與相機(jī)分辨率不斷提升，無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)越來越多地應(yīng)用于土方工程項(xiàng)目中，如何快速精確地進(jìn)行高精度土方量計(jì)算仍然值得深入研究。

綜合考慮測量精度、工程效率等方面，本文基于無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)研究了一種高效可行的小微水體清淤土方量計(jì)算方法。首先利用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)對(duì)小微水體清淤前后的地形分別進(jìn)行測量，獲取清淤前后小微水體的影像數(shù)據(jù)及POS數(shù)據(jù)；然后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入ContextCapture軟件中，快速生成清淤前后兩次三維地形模型，接著采用DP-Modeler軟件對(duì)生成的三維地形模型進(jìn)行處理，以去除小微水體周圍的植被等地物對(duì)土方量計(jì)算的影響及精確獲取其邊界線；最后采用Acute3D Viewer軟件對(duì)清淤前后小微水體的土方量進(jìn)行計(jì)算分析。通過計(jì)算清淤前后數(shù)字表面模型的差值，實(shí)現(xiàn)小微水體清淤的土方量計(jì)算。

1 實(shí)現(xiàn)方法

本文方法主要包括三維模型建立、三維模型修飾以及土石方量計(jì)算3個(gè)部分，具體的技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 本文技術(shù)流程

1.1 三維模型建立

1.1.1 無人機(jī)傾斜攝影測量

無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)是測繪遙感領(lǐng)域近年發(fā)展起來的一項(xiàng)高新技術(shù)，以大范圍、高精度、高清晰的方式全面感知復(fù)雜場景，其改變了傳統(tǒng)航測遙感 影像只能從垂直方向進(jìn)行拍攝的限制，傾斜攝影測量技術(shù)利用多臺(tái)傳感器從不同的角度對(duì)數(shù)據(jù)采集，高效快速地獲取海量的數(shù)據(jù)信息，真實(shí)可靠地反映地面的客觀情況，滿足人們對(duì)三維信息的需要。

傾斜攝影測量技術(shù)通過5個(gè)角度對(duì)地面情況進(jìn)行拍攝，獲得的三維數(shù)據(jù)可以真實(shí)地反映地物的本來面貌，客觀地再現(xiàn)地物的外觀、結(jié)構(gòu)以及高度等屬性，該技術(shù)通過數(shù)據(jù)預(yù)處理、空中三角測量、影像密集匹配、構(gòu)建TIN模型等自動(dòng)化過程生成三維模型，以真實(shí)表達(dá)地表物體的尺寸、外觀等屬性，展示出真實(shí)的地面場景。傾斜攝影測量技術(shù)在數(shù)據(jù)獲取效率、采集范圍、采集精度上都具有很大的優(yōu)勢，數(shù)據(jù)后處理自動(dòng)化程度高，對(duì)于數(shù)據(jù)更新十分有利，且確保了外業(yè)作業(yè)的安全性和工作效率。

傾斜攝影測量技術(shù)通過一定的內(nèi)業(yè)處理能夠獲得高精度高分辨率的數(shù)字表面模型，能同時(shí)輸出具有空間位置信息的正攝影像數(shù)據(jù)，傾斜攝影測量技術(shù)通常包括影像預(yù)處理、多視影像聯(lián)合平差、多視影像密集匹配、數(shù)字表面模型生產(chǎn)和三維建模等關(guān)鍵內(nèi)容。傾斜影像測量的關(guān)鍵技術(shù)：

1）多視影像聯(lián)合平差。多視影像包含垂直攝影和傾斜攝影數(shù)據(jù)，在處理獲取影像的過程中，多數(shù)空三測量系統(tǒng)無法準(zhǔn)確完成，因而需要通過多幅影像聯(lián)合平差的方法來處理傾斜攝影測量影像。結(jié)合POS系統(tǒng)提供的多視影像外方位元素，結(jié)合金字塔影像匹配策略，在每級(jí)影像上進(jìn)行同名點(diǎn)自動(dòng)匹配和聯(lián)合平差，得到較好的同名點(diǎn)匹配結(jié)果。

2）多視影像密集匹配。影像匹配是攝影測量中的關(guān)鍵問題，多視影像具有覆蓋范圍廣，分辨率高的特點(diǎn)，單獨(dú)利用一種匹配基元或匹配策略往常無法獲得建模需要的同名點(diǎn)。因此，近幾年來，伴隨著計(jì)算機(jī)視覺發(fā)展起來的多基元、多視影像匹配，逐漸變?yōu)槿藗冄芯康闹攸c(diǎn)。

3）數(shù)字表面模型生成。利用多視影像密集匹配方法可生成高精度、高分辨率的數(shù)字表面模型（DSM），實(shí)現(xiàn)地形起伏變化的可視化表達(dá)。為解決多角度傾斜影像間差異和陰影以及遮擋帶來的問題，可先依據(jù)自動(dòng)空三測量計(jì)算出各個(gè)影像的外方位元素，繼而選擇合適的影像匹配單元與之前計(jì)算出來的外方位元素進(jìn)行特征匹配和像素級(jí)的密集匹配，并引入并行算法，提高計(jì)算效率。

在對(duì)獲取的無人機(jī)傾斜攝影測量影像進(jìn)行處理后，可基于測繪建模軟件生成傾斜攝影測量三維模型。

1.1.2 無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)流程

1）外業(yè)數(shù)據(jù)采集。根據(jù)現(xiàn)場踏勘確定測區(qū)范圍，對(duì)航高和航線進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定航向和旁向重疊度，對(duì)飛行參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，通過在多旋翼無人機(jī)上搭載多鏡頭相機(jī)從多視角進(jìn)行地表數(shù)據(jù)同步采集，并利用無人機(jī)上搭載的POS/IMU平臺(tái)獲取飛行過程中的實(shí)時(shí)位置信息。

2）數(shù)據(jù)預(yù)處理。檢查影像數(shù)據(jù)的可靠性與完整性，將五鏡頭數(shù)據(jù)分別按照下視、前視、后視、左視、右視進(jìn)行分類存放，各文件夾內(nèi)的影像數(shù)量應(yīng)為一致，若存在照片數(shù)量不一致的情況，應(yīng)及時(shí)檢查文件命名，刪除錯(cuò)誤像片，同時(shí)將曝光過度、重復(fù)、模糊和范圍外的影像進(jìn)行刪除。

3）三維模型建立。通過將外業(yè)采集數(shù)據(jù)導(dǎo)入ContextCapture軟件中，通過計(jì)算機(jī)圖形計(jì)算，結(jié)合POS信息進(jìn)行傾斜影像空中三角測量，多視影像密集匹配生成點(diǎn)云，點(diǎn)云構(gòu)成TIN格網(wǎng)，通過自動(dòng)紋理映射生成三維模型。

1.2 三維模型修飾

由于原始三維模型中測區(qū)周圍會(huì)存在一些樹木等物體對(duì)其產(chǎn)生遮擋，影響土方量的計(jì)算，故采用 DP-Modeler軟件對(duì)三維模型進(jìn)行修飾，主要是刪除或踏平遮擋物以及精確獲取測區(qū)的邊界。

在采用DP-Modeler軟件對(duì)三維模型進(jìn)行修飾前，需要先準(zhǔn)備相關(guān)數(shù)據(jù)。首先在ContextCapture軟件中完成三維模型的生成后，導(dǎo)出空三文件、無畸變影像及OSGB、OBJ兩種格式模型，然后在DPSlnManager中進(jìn)行空三文件、影像以及OSGB、OBJ模型的配置，生成解決方案。

在DP-Modeler中打開解決方案文件，可顯示出三維模型。通過在OSGB修飾中，選擇需要修飾的地物邊界，采用刪除和踏平操作對(duì)地物進(jìn)行修飾，在遮擋物修飾完成之后，通過勾畫出測區(qū)邊界，將整個(gè)測區(qū)的影像導(dǎo)出。

1.3 土方量計(jì)算

原始地形地貌和清淤后地貌的準(zhǔn)確表達(dá)是土方計(jì)算的關(guān)鍵。在Acute3D Viewer中打開修飾后的測區(qū)三維模型，通過土方量計(jì)算工具分別計(jì)算清淤前后測區(qū)三維模型表面到同一個(gè)高程面所形成的封閉區(qū)域的體積。然后將前后兩次的體積作為差值，結(jié)果即為所清淤的土方量。具體如圖2所示。

圖2 土方量計(jì)算示意圖

基于Acute3D Viewer計(jì)算清淤土方量的基本原理，應(yīng)用軟件進(jìn)行土方量計(jì)算的具體工作可歸納為以下幾個(gè)步驟：

1）數(shù)據(jù)準(zhǔn)備：準(zhǔn)備通過傾斜攝影測量建模和修飾后得到的清淤前后三維模型。

2）數(shù)據(jù)預(yù)處理：檢查清淤前后三維模型坐標(biāo)系統(tǒng)的一致性，確定清淤前后三維模型中同一地物點(diǎn)的高程作為起算高程面。

3）土方量計(jì)算：通過Acute3D Viewer中的體積計(jì)算工具，分別計(jì)算清淤前后三維模型表面到所選擇高程面所形成的封閉區(qū)域的體積，將二者體積作為差值，結(jié)果即為清淤的土方量。

2 工程實(shí)例

本研究以雨花臺(tái)區(qū)小微水體整治工程清淤量測量為例，基于無人機(jī)傾斜攝影測量獲取雨花臺(tái)區(qū)小微水體清淤的土方量。雨花臺(tái)區(qū)小微水體具有地形復(fù)雜，樹木叢生，建設(shè)形式多樣等特點(diǎn)。本次工程采用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)獲取對(duì)小微水體清淤前后的地形分別進(jìn)行測量，獲取清淤前后小微水體的影像數(shù)據(jù)及POS數(shù)據(jù)，再利用ContextCapture軟件快速生成清淤前后兩次三維地形模型，然后采用DP-Modeler軟件對(duì)生成的三維地形模型進(jìn)行修飾處理，最后采用Acute3D Viewer對(duì)清淤前后小微水體的土方量進(jìn)行計(jì)算分析，實(shí)現(xiàn)雨花臺(tái)區(qū)小微水體整治工程中所有11個(gè)小微水體清淤的土方量計(jì)算。

原始清淤前后小微水體三維模型數(shù)據(jù)顯示如圖3所示，小微水體周圍有房屋、道路、樹木等，經(jīng)過DP-Modeler軟件修飾后如圖4所示，可以看出經(jīng)過修飾后對(duì)其遮擋的樹木草叢已被刪除，然后通過勾畫出小微水體的邊界，將整個(gè)小微水體導(dǎo)出，如圖5所示。

圖3 清淤前后小微水體三維模型

圖4 小微水體邊界修飾

圖5 獲取精確邊界的小微水體三維模型

在獲取精確邊界的小微水體三維模型后，通過在Acute3D Viewer中打開修飾后的小微水體三維模型，通過土方量計(jì)算工具分別計(jì)算清淤前后小微水體三維模型表面到同一個(gè)高程面（這里采用清淤前后三維模型中同一個(gè)地物點(diǎn)的高程）所形成的封閉區(qū)域的體積。然后將前后兩次的體積作差值，結(jié)果即為所清淤的土方量。根據(jù)圖6中清淤前后小微水體三維模型到指定高程面所形成的封閉區(qū)域體積計(jì)算結(jié)果，可知清淤的土方量計(jì)算結(jié)果為：899.28m3–657.61m3=241.67m3。通過對(duì)RTK實(shí)測數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果和無人機(jī)傾斜攝影測量計(jì)算結(jié)果對(duì)比，挖填方量差值比為0.8%，滿足土方計(jì)算的規(guī)范要求[6]。因此，本文方法實(shí)現(xiàn)的土方量計(jì)算精度較高，準(zhǔn)確地反映了真實(shí)的地表信息，滿足工程土方量計(jì)算要求，且大大提高了測算效率。

圖6 清淤前后小微水體表面到同一高程面的土方量計(jì)算

3 結(jié) 語

傳統(tǒng)的土方計(jì)算方法存在計(jì)算量大、計(jì)算精度不高、數(shù)據(jù)量大等缺點(diǎn)，而利用“基于無人機(jī)傾斜攝影測量快速獲取測區(qū)數(shù)據(jù)-三維模型建立-模型修飾-土方量計(jì)算分析”的方法能夠?qū)崿F(xiàn)快速精確的土方量計(jì)算，并且能做到“實(shí)際與模型的精確對(duì)應(yīng)”和“所見即所得”。從模型建立到土方計(jì)算結(jié)果的獲得，人工成本和時(shí)間成本都將大大降低，同時(shí)測量的精度也達(dá)到了土方量計(jì)算的精度要求。工程實(shí)踐表明，無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在土方量計(jì)算中將發(fā)揮日益重要的作用。