太浩宇，夏永華

(1.昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093；2.云南高校高原山區(qū)空間信息測(cè)繪技術(shù)應(yīng)用工程研究中心，云南 昆明 650093)

1 引 言

計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為測(cè)繪帶來(lái)了更多的數(shù)據(jù)收集、提取和處理手段也給我們帶來(lái)了更多關(guān)于土方計(jì)算方法的思考[1]。隨著測(cè)繪技術(shù)的不斷更新，擁有了多種獲取測(cè)繪數(shù)據(jù)的方式方法，在工程建設(shè)過(guò)程中土方量算的方式變得多種多樣。傳統(tǒng)的土方測(cè)量方法工作量大，不易在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，不能有效利用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)[2]。在工程建設(shè)過(guò)程中土方量算精度是否準(zhǔn)確直接關(guān)系到工程建設(shè)中各方面經(jīng)濟(jì)利益，故要確保土方量算的準(zhǔn)確性。土方量算中常用的量算方法有DTM(Digital Terrain Model；數(shù)字地面模型)法、斷面法、方格網(wǎng)法和等高線(xiàn)法，不同的量算方法其量算結(jié)果也有差異。DTM法是利用所測(cè)土方特征點(diǎn)與高程點(diǎn)構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)進(jìn)行土方量算；數(shù)據(jù)所建立的不規(guī)則三角網(wǎng)模型能更好反映實(shí)際地形。斷面法主要是將實(shí)際地形以某分割路線(xiàn)分割若干橫斷面，通過(guò)計(jì)算橫斷面面積根據(jù)菱形體積計(jì)算方法量算土方量；斷面法更適用于沿縱向延伸及不規(guī)則地形土方量算。方格網(wǎng)法是利用一定邊長(zhǎng)正方形格網(wǎng)對(duì)土方量算區(qū)域分割，內(nèi)插計(jì)算各格網(wǎng)點(diǎn)高程及差值，通過(guò)高差擬合計(jì)算每個(gè)格網(wǎng)土方填挖方量，總和得到總土方填挖量；其計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單，適用性廣泛。等高線(xiàn)法是通過(guò)地形特征點(diǎn)形成一組地面高程等值線(xiàn)顯示地形，利用相鄰兩條閉合等高線(xiàn)內(nèi)插高程所圍成的面積與高差計(jì)算土方量。DSM(Digital Surface Model)即數(shù)字表面模型，它不同于DTM數(shù)字地形模型，其包含了地表建筑樹(shù)木等除地面信息以外的其他特征點(diǎn)信息；對(duì)于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量所建立的三維模型與無(wú)人機(jī)載激光雷達(dá)點(diǎn)云模型實(shí)則為數(shù)字表面模型，通過(guò)對(duì)數(shù)字表面模型直接范圍量算可獲取土方量。對(duì)土方進(jìn)行量算時(shí)，每種量算方法都有各自的優(yōu)點(diǎn)和局限性，考慮各方面因素選擇合適的量算方法，達(dá)到最優(yōu)的目的[3]。土方量算以外業(yè)實(shí)測(cè)特征離散點(diǎn)坐標(biāo)為基礎(chǔ)，通過(guò)建立相關(guān)土方計(jì)算模型來(lái)獲取土方量，因此，土方量的計(jì)算精度取決于所測(cè)量特征點(diǎn)位的精度和密度[4]。本文將對(duì)研究區(qū)域采用DTM法、方格網(wǎng)法與DSM直接量算法對(duì)土方量算及準(zhǔn)確性進(jìn)行分析。

對(duì)于土方數(shù)據(jù)采集，傳統(tǒng)采集方式主要是利用RTK(real time kinematic)技術(shù)或全站儀人工采集，測(cè)繪設(shè)備技術(shù)不斷更新后，基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)與無(wú)人機(jī)載激光雷達(dá)掃描技術(shù)的數(shù)據(jù)采集迅速興起。無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)以范圍廣、精度高等方式感知空間地理信息，建立的三維可視化數(shù)據(jù)更加真實(shí)地反映空間地理信息的地理位置、外觀(guān)、高度等屬性特征，從多方位、多角度地對(duì)地形地物進(jìn)行數(shù)據(jù)采集獲取更多三維信息。擁有“全要素、真紋理”的全息表達(dá)能力、高精度、豐富的可測(cè)性、低成本、高效率等優(yōu)勢(shì)[5]。無(wú)人機(jī)載激光雷達(dá)掃描技術(shù)通過(guò)對(duì)不規(guī)則、復(fù)雜地表進(jìn)行連續(xù)、快速、大面積、非接觸掃描，將單站掃描擴(kuò)展為整體掃描，無(wú)人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)掃描技術(shù)能將地表上的點(diǎn)、線(xiàn)、面體、地表三維模型等幾何數(shù)據(jù)快速重構(gòu)出來(lái)，可對(duì)調(diào)查對(duì)象的整體變化、細(xì)節(jié)特征進(jìn)行詳細(xì)了解[6]。

2 數(shù)據(jù)采集

本文以昆明市某高校的場(chǎng)地平整土方量算工程為例進(jìn)行土方數(shù)據(jù)外業(yè)采集，研究區(qū)域平場(chǎng)面積約 7 856 m2平場(chǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)高為 1 883 m，大部分區(qū)域?yàn)槁懵锻恋貛в辛阈侵脖?，研究區(qū)域現(xiàn)狀如圖1所示，研究區(qū)域分別通過(guò)RTK人工測(cè)量、無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量與無(wú)人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

圖1 研究區(qū)域概況及范圍線(xiàn)

2.1 人工RTK數(shù)據(jù)獲取

傳統(tǒng)土方外業(yè)數(shù)據(jù)獲取主要以RTK技術(shù)人工測(cè)繪的方法進(jìn)行地形點(diǎn)測(cè)量，需測(cè)量人員抵達(dá)每一個(gè)地形特征點(diǎn)，逐點(diǎn)采集獲取數(shù)據(jù)，其工作效率不高，地形特征點(diǎn)密度較低。本研究區(qū)域采用中海達(dá)RTK在已知3個(gè)地面控制點(diǎn)上進(jìn)行參數(shù)校正，對(duì)研究區(qū)域以 5 m一個(gè)地形特征點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

2.2 無(wú)人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)獲取

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是非接觸式的，外業(yè)數(shù)據(jù)采集具有速度快、效率高、精度高、范圍大的特點(diǎn)，采集得到的圖像分辨率高，經(jīng)過(guò)處理可以生成三維表面模型。研究區(qū)域采用DJI PHANTOM 4 PRO消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，外業(yè)數(shù)據(jù)采集流程如圖2所示。研究區(qū)域共布設(shè)了8個(gè)像控點(diǎn)，利用RTK以對(duì)中桿的形式對(duì)像控點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)采集，采用昆明87坐標(biāo)系。根據(jù)研究區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)情況為滿(mǎn)足土方量算精度需求，航線(xiàn)規(guī)劃步驟中無(wú)人機(jī)飛行高度設(shè)置為 60 m，采用單鏡頭飛五鏡頭飛行模式，航向重疊率為90%，旁向重疊率為80%，相機(jī)云臺(tái)俯仰角度正射為90°傾斜為45°，經(jīng)過(guò)對(duì)原始影像數(shù)據(jù)檢查篩選出 1 055張影像進(jìn)行研究區(qū)三維模型建立。

圖2 無(wú)人機(jī)外業(yè)數(shù)據(jù)采集流程圖

2.3 無(wú)人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取

激光雷達(dá)是新型激光傳感器。在對(duì)地觀(guān)測(cè)領(lǐng)域，其最初目的是為獲取高精度數(shù)字表面模型。經(jīng)點(diǎn)云去噪、濾波，獲得剔除植被、人工建筑等以后的數(shù)字地面模型。與傳統(tǒng)的測(cè)繪方法相比，激光雷達(dá)顯示出許多有前途的優(yōu)點(diǎn)，例如收集高密度和大規(guī)模點(diǎn)云的效率高，有利于地形的詳細(xì)表示[7]。研究區(qū)采用華測(cè)無(wú)人機(jī)載激光雷達(dá)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行采集數(shù)據(jù)下載、POS數(shù)據(jù)解算、點(diǎn)云數(shù)據(jù)解算和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的預(yù)處理，外業(yè)數(shù)據(jù)采集流程如圖3所示。

圖3 無(wú)人機(jī)載激光雷達(dá)外業(yè)數(shù)據(jù)采集流程圖

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方法

RTK技術(shù)人工測(cè)繪的土方外業(yè)數(shù)據(jù)采用南方CASS 10.1軟件進(jìn)行土方量算。為了對(duì)比不同數(shù)據(jù)的土方量精度的準(zhǔn)確性，采用DTM法與方格網(wǎng)法，邊界采樣間距以 2.5 m、5 m、10 m和 20 m進(jìn)行土方量算，量算結(jié)果如圖4所示。

圖4 RTK技術(shù)人工測(cè)繪土方內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理圖

3.2 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)處理方法

(1)三維傾斜模型建立

處理無(wú)人機(jī)航片數(shù)據(jù)時(shí)采用Context Capture軟件進(jìn)行三維傾斜模型建立。Context Capture實(shí)景建模軟件是一套不需太多人工干預(yù)的通過(guò)影像自動(dòng)生成高分辨率的三維模型軟件，模型建立可為后續(xù)模型修模提供支持。研究區(qū)域航片數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件中加載云臺(tái)相機(jī)參數(shù)并導(dǎo)入像控點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行影像刺點(diǎn)。刺點(diǎn)完成進(jìn)行空中三角測(cè)量如圖5所示，其目的是通過(guò)測(cè)量相應(yīng)的像控點(diǎn)等像點(diǎn)坐標(biāo)以解析或數(shù)字的形式建立三維立體模型并進(jìn)行數(shù)值解算。解算完成后進(jìn)行三維模型構(gòu)建，根據(jù)電腦運(yùn)行內(nèi)存研究區(qū)分為16個(gè)瓦片，設(shè)置其余參數(shù)后生成OSGB與OBJ格式的三維模型如圖5所示。

圖5 空中三角測(cè)量結(jié)果(左)與三維模型(右)圖

(2)模型土方量算

研究區(qū)域三維模型首先采用南方Cass 3D軟件進(jìn)行土方量算。對(duì)模型進(jìn)行地物特征點(diǎn)采集，同人工測(cè)繪的方法一致，對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行DTM法與方格網(wǎng)法的4種邊界采樣間距土方量算。建立的研究區(qū)域三維模型還可采用DSM直接量算法在Context Capture Viewer軟件土方量算如圖6所示。

圖6 DSM直接量算法傾斜模型土方量算

基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)構(gòu)建的三維模型中含有懸浮物碎片、植被等地物對(duì)DSM直接量算法所得土方量的準(zhǔn)確性產(chǎn)生較大干擾，因此利用DP-Modeler軟件對(duì)研究區(qū)域三維模型進(jìn)行干擾因素如植被的剔除。DP-Modeler模型修飾在OBJ格式三維模型上進(jìn)行，通過(guò)踏平、刪除、補(bǔ)洞及貼圖等操作，改善維懸浮物、道路凹凸、紋理拉花及水面缺失等問(wèn)題。在DP-Modeler工程中，首先分別導(dǎo)入OSGB和OBJ格式瓦片數(shù)據(jù)，然后在OBJ數(shù)據(jù)上進(jìn)行模型修飾，完成修飾的OBJ瓦片后再轉(zhuǎn)換成OSGB格式[8]。修改后的三維模型再進(jìn)行土方量算，模型修改前后如圖7所示。

圖7 模型植被剔除前(上圖)后(下圖)對(duì)比圖

3.3 無(wú)人機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理方法

對(duì)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)后處理采用CoProcess華測(cè)點(diǎn)云后處理軟件，對(duì)研究區(qū)域數(shù)據(jù)進(jìn)行分割刪除、噪點(diǎn)處理、壓縮采樣等。地面點(diǎn)分類(lèi)是將點(diǎn)云濾除地面以上的地物，如植被建筑物等僅保留地面的點(diǎn)云，是土方量算不可或缺的步驟，處理后點(diǎn)云模型如圖8所示。處理后的點(diǎn)云模型可直接進(jìn)行軟件土方量算。

圖8 處理后激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖

處理后的研究區(qū)域點(diǎn)云模型還可以輸出LAS點(diǎn)云格式，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Context Capture Viewer軟件進(jìn)行OSGB格式的三維模型的建立，建立的研究區(qū)域三維模型可采用DSM直接量算法土方量算，量算結(jié)果如圖9所示。輸出后三維模型再在Cass3D軟件上，同人工測(cè)繪的方法一致，對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行DTM法與方格網(wǎng)法的4種邊界采樣間距土方量算。

圖9 DSM直接量算法模型土方量算圖

4 精度分析

4.1 模型精度檢驗(yàn)

在研究區(qū)域選取的52個(gè)地物地貌特征點(diǎn)對(duì)人工測(cè)繪、無(wú)人機(jī)傾斜模型和機(jī)載點(diǎn)云生成的三維模型高程數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。根據(jù)《工程測(cè)量規(guī)范》(GB50026-2007)每幅圖檢測(cè)點(diǎn)數(shù)不少于20個(gè)且均勻分布，其高程中誤差公式為：

(1)

式中，Mh為模型的高程中誤差(m)；n為檢查點(diǎn)個(gè)數(shù)；△hi為檢測(cè)高程與模型高程較差(m)。其高程殘差精度統(tǒng)計(jì)圖如圖10所示。

圖10 高程殘差精度統(tǒng)計(jì)圖

人工測(cè)繪檢查數(shù)據(jù)與無(wú)人機(jī)傾斜模型數(shù)據(jù)高程中誤差計(jì)算得 0.050 016，人工測(cè)繪檢查數(shù)據(jù)與機(jī)載點(diǎn)云生成的三維模型數(shù)據(jù)高程中誤差計(jì)算得 0.065 691；根據(jù)GB50026-2007《工程測(cè)量規(guī)范》數(shù)字高程模型格網(wǎng)點(diǎn)的高程中誤差限差為1/3hd(hd為基本等高距；一般地區(qū))即研究區(qū)域高程中誤差限差為0.3，模型精度滿(mǎn)足規(guī)范要求。

4.2 土方量算精度分析

為分析不同數(shù)據(jù)采集的數(shù)據(jù)土方量精度的準(zhǔn)確性，通過(guò)Cass.10.1Cass3D軟件對(duì)多種模型進(jìn)行DTM法與方格網(wǎng)法的4種邊界采樣間距土方量算，其DTM法量算結(jié)果如表1所示，方格網(wǎng)法如表2所示。

DTM法不同邊界采樣間距土石方量算表 表1

方格網(wǎng)法不同邊界采樣間距土石方量算表 表2

由量算表格可知DTM法傾斜攝影測(cè)量模型最大挖方誤差率為1.4%，最大填方誤差率為3.5%，機(jī)載激光雷達(dá)模型最大挖方誤差率為0.7%，最大填方誤差率為2.2%；方格網(wǎng)法傾斜攝影測(cè)量模型最大挖方誤差率為1.5%，最大填方誤差率為3.3%，機(jī)載激光雷達(dá)模型最大挖方誤差率為1.9%，最大填方誤差率為3.9%滿(mǎn)足土方量算要求；通過(guò)兩種土方量算方法看出邊界采樣間距越小，模型量算越可靠。

而通過(guò)DSM模型直接量算法對(duì)無(wú)人機(jī)傾斜模型量算結(jié)果挖方量為 23 571.925 m3填方量為 1 923.186 m3，無(wú)人機(jī)載激光雷達(dá)模型量算結(jié)果挖方量為 23 537.354 m3，填方量為 1 938.500 m3；對(duì)模型進(jìn)行修飾、植被剔除后，土方直接量算精度可靠。

5 結(jié) 論

土方量算在工程建設(shè)過(guò)程中是必不可少的環(huán)節(jié)，土方量算精度是否準(zhǔn)確直接關(guān)系到工程建設(shè)中各方面經(jīng)濟(jì)利益。本文研究了基于多種測(cè)繪技術(shù)對(duì)同一土方量算方法，探討了不同數(shù)據(jù)模型在不同邊界采樣間距與模型直接量算的土方量算精度的準(zhǔn)確性，其中以DTM法所計(jì)算的 2.5 m邊界采樣間距的各類(lèi)模型土方量算精度最高。通過(guò)研究區(qū)域土方量算結(jié)果看出，基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)與無(wú)人機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的數(shù)據(jù)采集比傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方式其作業(yè)迅速，勞動(dòng)強(qiáng)度低，成本可控。在工程建設(shè)過(guò)程中以傳統(tǒng)技術(shù)手段與新興技術(shù)相結(jié)合為土方量算提供了高效的數(shù)據(jù)支撐。