中圖分類號：U416.1*1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.01.007

文章編號：1673-4874（2025）01-0024-05

0 引言

在公路工程項目建設(shè)中，土石方量的測量和計算是關(guān)系到工程進(jìn)度和計量的重要而復(fù)雜的環(huán)節(jié)，能否選擇一種合適的測量方法，對于公路土石方測量的有效開展就顯得尤為重要。水準(zhǔn)儀測量法、全站儀測量法和RTK測量法是三種常見的傳統(tǒng)土石方測量方法1，但這些傳統(tǒng)測量方法受環(huán)境條件影響較大，測量效率不高，而采用無人機(jī)航測技術(shù)生成實景三維模型的方法則為公路土石方測量和計算另辟徑[2]。無人機(jī)航測作為一門新興的技術(shù)，具有靈活性強(qiáng)、受地形條件限制小、作業(yè)效率高等特點，已經(jīng)在房建項目施工過程測量、收方驗方等環(huán)節(jié)中成功應(yīng)用[3-4]。許多國內(nèi)外學(xué)者已開始嘗試將這項技術(shù)應(yīng)用于公路工程土石方量測量。該技術(shù)的優(yōu)點在于，受場地條件限制小且相對經(jīng)濟(jì)實惠。在土石方量的計量管理方面，由于減少了現(xiàn)場作業(yè)人員的數(shù)量及頻率，可以有效降低人員成本，同時顯著提升了測量人員的安全水平[5。本文重點研究基于無人機(jī)攝影測量的實景三維模型的構(gòu)建，以及與工程矢量數(shù)據(jù)結(jié)合，以橫斷面法計算得到公路工程路基土石方量的方法，為加強(qiáng)公路工程項目建設(shè)過程的計量管理提供一種行之有效的方法。

1實施技術(shù)路線

基于實景三維的公路土石方計算關(guān)鍵是獲得高精度實景三維模型，并與設(shè)計數(shù)據(jù)結(jié)合提取到所需的橫斷面線。其通過無人機(jī)傾斜攝影方法采集原始影像數(shù)據(jù)，根據(jù)現(xiàn)場已知控制點的坐標(biāo)值，求得轉(zhuǎn)換參數(shù)用于將無人機(jī)采集到的數(shù)據(jù)坐標(biāo)信息轉(zhuǎn)換為與工程項目一致的坐標(biāo)，再根據(jù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)建立高精度實景三維模型。采用機(jī)器學(xué)習(xí)清除三維實景模型中的雜物，得到優(yōu)化后的三維實景模型，與道路中心線等矢量數(shù)據(jù)結(jié)合，提取所需的橫斷面線，與設(shè)計橫斷面套合計算得到所需的土石方量。

1.1影像數(shù)據(jù)采集

使用精靈4RTK等自帶高精度定位功能，能實時獲取高精度位置信息的無人機(jī)，采集現(xiàn)場影像數(shù)據(jù)。在開始作業(yè)前，先觀察測區(qū)范圍及周邊的地形情況，選擇相對空曠、平整、周邊無高壓線等信號干擾源的區(qū)域為無人機(jī)起降點明，在地面站軟件中繪制測區(qū)并規(guī)劃好飛行航線本文所述方法對模型精度要求為1：500，故設(shè)置飛行高度為100m 左右，設(shè)置航向重疊率為 70%～80%，設(shè)置旁向重疊率為 60%～70%，設(shè)定云臺的俯仰角為45°～60°根據(jù)地形情況設(shè)置返航高度，確保在返航過程中不會與障礙物碰撞。參數(shù)設(shè)置完畢后上傳任務(wù)，無人機(jī)自主飛行，采集規(guī)劃區(qū)域內(nèi)的地形數(shù)據(jù)。

1.2坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

施工項目多用的是地方2000坐標(biāo)系，高程用的是1985黃海高程，而無人機(jī)采集影像數(shù)據(jù)為國家CGCS2000坐標(biāo)和大地高。將采集到的數(shù)據(jù)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為項目所用坐標(biāo)系：在測區(qū)四周獲取多組控制點的國家2000坐標(biāo)和大地高；基于項目提供的對應(yīng)點的地方2000坐標(biāo)和1985高的數(shù)據(jù)，采用布爾沙模型計算源坐標(biāo)系與目標(biāo)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)？，實現(xiàn)影像數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換公式如式（1）所示。

1.3建立實景三維模型

將采集到的影像數(shù)據(jù)預(yù)處理后導(dǎo)入實景三維建模軟件中，進(jìn)行像控點刺點及參數(shù)設(shè)置后，軟件自動進(jìn)行空三計算及模型構(gòu)建，生成三維模型后，基于現(xiàn)場布設(shè)的檢查點校核模型精度，滿足條件后導(dǎo)出實景三維模型。實景三維模型構(gòu)建流程如圖1所示。

1.4AI智能清表

針對施工現(xiàn)場三維模型中存在的植被、施工器械等，利用基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測和語義分割技術(shù)，對植被、施工器械等數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分類、提取及清除，實現(xiàn)地表算量影響因素的智能化清除。

（1）收集存在植被和施工器械的影像數(shù)據(jù)，然后通過空間數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)計算技術(shù)，將模型分類結(jié)果完整地映射到影像數(shù)據(jù)之中，得到影像樣本集。

（2）對樣本集進(jìn)行訓(xùn)練，得到具備相關(guān)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的模型庫，實現(xiàn)實景三維特征的自動提取及分類[8]。

（3）刪除提取的植被和施工機(jī)械等雜物，生成存在孔洞的三維實景網(wǎng)絡(luò)模型。

（4）采用徑向基函數(shù)方法對所述孔洞進(jìn)行補(bǔ)洞9，實現(xiàn)三維實景網(wǎng)絡(luò)模型的地表重建，得到優(yōu)化后的三維實景模型[1。實景三維清表流程如圖2所示。

1.5方量計算

將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和智能清表后的模型，與施工紅線、道路中心線等數(shù)據(jù)融合，基于道路中心線等矢量數(shù)據(jù)，對模型進(jìn)行剖切提取橫斷面線，并將其與設(shè)計橫斷面數(shù)據(jù)相匹配，使用橫斷面法進(jìn)行計算，最終得到土石方的準(zhǔn)確量。

1.5.1三維模型剖切

根據(jù)設(shè)計道路中心線定位到需要提取橫斷面線的位置，然后計算出橫斷面線在模型上的坐標(biāo)值，并進(jìn)一步得到橫斷面線上的三角面片坐標(biāo)值，然后使用基于八叉樹的區(qū)域查找算法進(jìn)行模型剖切[11?；诎瞬鏄涞膮^(qū)域查找算法流程如圖3所示。

1.5.2生成橫斷面

通過設(shè)置剖切精度和剖切間隔等參數(shù)剖切計算生成橫斷面線后，根據(jù)橫斷面線所對應(yīng)的里程樁號找到對應(yīng)設(shè)計橫斷面，以路基設(shè)計中心線（即中樁點）處高程為對照點，將剖切生成的橫斷面線套合到設(shè)計橫斷面上，得到橫斷面圖。

1.5.3土石方量計算

根據(jù)公路工程標(biāo)準(zhǔn)工程量清單計量規(guī)則，路基土石方量的計算通常采用橫斷面法。已施工部分面積為模型提取的橫斷面線、原地面線及設(shè)計橫斷面線三者圍成的面積值，計算得到每個橫斷面的填挖方面積后，根據(jù)里程文件得到各橫斷面間的距離，相鄰斷面平均面積與斷面間距相乘得到填挖方量。

2 應(yīng)用案例

2.1項目概況

武忻高速公路六分部起點為 ，終點為K100+320 ，路線經(jīng)過合山市嶺南鎮(zhèn)、忻城縣果遂鎮(zhèn)，全長為 14.46k m（ 包括長鏈段 。主要工程內(nèi)容為：路基挖方 ，填方 ，主線橋梁6座/3.83km，隧道3.5座/4. 893k m ，橋隧比為 61.7% 。

2.2 精度驗證

選定該項目右幅 Y1lt;94+800-Y1lt;94+900 段為路基土石方驗證段，分別使用傳統(tǒng)方法和本文提出的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和計算，獲得兩組計算結(jié)果，然后進(jìn)行對比，以驗證本文提出的土石方計算方法更符合精度要求。

2.2.1傳統(tǒng)土石方計算方法

（1）用GNSS接收機(jī)按 一個橫斷面，測出每一 個橫斷面上變坡點的偏距和高程，橫斷面變坡點測量值 見表1。

（2）在設(shè)計橫斷面上，根據(jù)測量點的橫偏和測量 H 值，以對應(yīng)里程樁號的設(shè)計橫斷面線和道路中心線交點為基準(zhǔn)，畫出項目實測橫斷面如圖4所示。

（3）當(dāng)期地面線與設(shè)計橫斷面線和道路中心線的交點，即為本期土石方計算面積，測量得到每個橫斷面的相應(yīng)面積，然后使用橫斷面法進(jìn)行計算，從而得出土石方的量。

2.2.2本文所述方法

（1）在現(xiàn)場采集3個以上已知點國家2000坐標(biāo)值，如表2所示。通過計算得到轉(zhuǎn)換參數(shù)為 -265. 030 465 681 381 77， 216 969. 636439031 92， 438.608 168 240 171， -78. 470 082 982 893 98， -8. 625 836 011 752 43， 544 366 902 135 714， 625.285 188 3587578。

（2）根據(jù)所測范圍，用無人機(jī)規(guī)劃航跡采集影像數(shù)據(jù)，提取影像中的位置信息，通過求解得到的轉(zhuǎn)換參數(shù)轉(zhuǎn)換為當(dāng)前坐標(biāo)系下的位置信息，導(dǎo)入DP-Smart軟件建立實景三維模型，然后對施工范圍內(nèi)少量植被、施工器械及臨建設(shè)施進(jìn)行智能清除，得到最后用于提取橫斷面線的實景三維模型（如圖5所示）。

（3）將施工紅線和道路中心線等矢量數(shù)據(jù)與實景三維模型套合，以施工紅線為橫向邊界，以設(shè)置的起止樁號為縱向邊界，以道路中心線上的樁號示意線為各樁號橫斷面線提取位置，提取計算邊界內(nèi)的橫斷面線；然后根據(jù)樁號和中心點高程逐一套合到相應(yīng)橫斷面上，獲得每個橫斷面面積（如圖6所示）；最后通過橫斷面法計算得到土石方量。

2.2.3兩種方法計算結(jié)果對比

兩種方法計算結(jié)果對比如表3所示。采用傳統(tǒng)方式計算的結(jié)果為 ，本文方法計算結(jié)果為 ，兩者偏差約為 0.3% ，可見本文方法精度與傳統(tǒng)方法基本一致，滿足項目收方精度要求。

2.3全線土石方量計算

使用本文方法對項目全線進(jìn)行土石方量計算。項目全長13. 52k m ，全線路基段數(shù)據(jù)采集耗時約4h，數(shù)據(jù)處理耗時約 6h，得到計算結(jié)果如表4所示。由表4可知，填方量為 ，挖方量為26 。

2.4 效率分析

經(jīng)在 試驗段測試，得到傳統(tǒng)GNSS測量方式和無人機(jī)測量方式的計算效率對比情況如表5所示。由表5可知，在小范圍土石方量計算時，無人機(jī)測量方式效率上不占優(yōu)勢，但隨著土石方量計算范圍越大，無人機(jī)測量方式的優(yōu)勢越明顯。本案例中，對全線進(jìn)行土石方量計算時，無人機(jī)測量較GNSS測量效率提升了8倍，而在高邊坡和大體積石頭山等地形復(fù)雜區(qū)域，由于人工測量難度大，不受地形條件限制的無人機(jī)測量方式的優(yōu)勢更為明顯。

3結(jié)語

本文方法經(jīng)在項目試驗驗證，其精度與傳統(tǒng)GNSS測量方式偏差約為 0.3% ，滿足項目土石方量測算要求。從效率方面來說，在大范圍及地形復(fù)雜測量場景下，無人機(jī)測量方式效率提升明顯。本文案例中，無人機(jī)測量方式較GNSS測量方式效率提升了8倍，且測量范圍越大、地形環(huán)境越復(fù)雜，無人機(jī)測量方式的優(yōu)勢越明顯。同時，土石方計算數(shù)據(jù)三維可視化留底，可重復(fù)量測驗證，有效減少與勞務(wù)隊伍的糾紛，減少潛在經(jīng)濟(jì)損失，并提升管理透明度。綜上，本文方法應(yīng)用于路基土石方量測算，在保證精度的同時，效率方面有較大提升，為加強(qiáng)土石方計量管理提供了有效的數(shù)據(jù)支撐。

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