肖永東 朱勁松

云南能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，中國(guó)·云南 曲靖 655000

1 引言

近年來(lái)，由于國(guó)家及地方經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展的需要，各種類型的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目數(shù)量眾多，規(guī)模龐大。如中國(guó)云南省2020年“四個(gè)一百”重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目計(jì)劃安排項(xiàng)目達(dá)500 多項(xiàng)，總投資超5 萬(wàn)億元。這些項(xiàng)目在實(shí)施過程中，基本都涉及對(duì)地表的改造，所以對(duì)土方量的精準(zhǔn)把握是控制項(xiàng)目成本、提高效率的一種有效措施。在測(cè)繪領(lǐng)域，如何快速、高效、動(dòng)態(tài)地實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目進(jìn)行中土石方量的計(jì)算，并及時(shí)反饋給相關(guān)單位就顯得十分重要。

在傳統(tǒng)的測(cè)繪領(lǐng)域中，實(shí)現(xiàn)土石方計(jì)算的常用外業(yè)方法主要有水準(zhǔn)儀法、全站儀法以及GPS 法等[1]，而計(jì)算的內(nèi)業(yè)方法則有方格網(wǎng)法、不規(guī)則三角網(wǎng)法以及斷面法等[4]。其中，水準(zhǔn)儀法一般用于方格網(wǎng)計(jì)算，即需要事先在測(cè)區(qū)布設(shè)計(jì)算方格，然后直接測(cè)定其高程，這種方法實(shí)用性單一，一般用于場(chǎng)地整平等[2]，且要求原始地貌不能超出水準(zhǔn)測(cè)量能夠?qū)崿F(xiàn)的范圍。全站儀法可以實(shí)時(shí)測(cè)出測(cè)區(qū)可視范圍內(nèi)任意點(diǎn)的坐標(biāo)和高程，其數(shù)據(jù)可以靈活用于任一種內(nèi)業(yè)計(jì)算方法，但因其需要設(shè)站定向且頻繁搬站，外業(yè)效率低下。GPS-RTK方法相對(duì)于全站儀則更進(jìn)一步，只要有需要，任何有信號(hào)的地方都可以直接測(cè)量，但如果有信號(hào)屏蔽的地方，則無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集。但以上方法都涉及人工外業(yè)數(shù)據(jù)采點(diǎn)，其好處是機(jī)動(dòng)靈活，但主要問題在于如果要實(shí)現(xiàn)計(jì)算量精度的提高，其數(shù)據(jù)量需求將呈幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)，嚴(yán)重拉長(zhǎng)外業(yè)數(shù)據(jù)采集時(shí)間，并加大外業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。因此，一種能夠高精度、快速且高密度地實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)采集的方法將是今后建設(shè)等領(lǐng)域的硬核需求，而無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的出現(xiàn)正好滿足了這種時(shí)代需求。

無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量是指基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)，綜合利用電子遙控、傳感器、通訊及GPS 差分定位等技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、快速、高精度的空間影像數(shù)據(jù)獲取，再通過內(nèi)業(yè)解算、空間建模等途徑獲得測(cè)區(qū)的數(shù)字地表模型數(shù)據(jù)的一種新型測(cè)繪技術(shù)[3]。相對(duì)于傳統(tǒng)空間數(shù)據(jù)獲取方法，其主要有操作簡(jiǎn)便、成本低廉、獲取影像數(shù)據(jù)直觀有效、數(shù)據(jù)精度高、數(shù)據(jù)密度大等眾多優(yōu)點(diǎn)。在工程建設(shè)土方量計(jì)算領(lǐng)域，其主要工作路線如下：

（1）根據(jù)項(xiàng)目需要，利用無(wú)人機(jī)獲取測(cè)區(qū)原始地形影像以及施工期間或竣工后等多期影像。

（2）利用無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)處理平臺(tái)進(jìn)行影像內(nèi)業(yè)計(jì)算處理，得到測(cè)區(qū)各期的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

（3）利用ARCGIS 等平臺(tái)軟件，處理項(xiàng)目各期的點(diǎn)云處理，將其轉(zhuǎn)換成TIN 或DEM 的數(shù)據(jù)[5]。

（4）利用兩期間的數(shù)據(jù)，算出其前后變動(dòng)情況，即為期間的工程土石方量。

2 應(yīng)用實(shí)例

本實(shí)例為中國(guó)云南省曲靖市沾益區(qū)某一工業(yè)區(qū)場(chǎng)平任務(wù)，面積約800 畝，采用大疆經(jīng)緯M600 Pro(攜帶2400 萬(wàn)像素?cái)z影相機(jī)）六旋翼無(wú)人機(jī)分別在施工前后兩期對(duì)其地表采集了影像數(shù)據(jù)，使用Pix4D 軟件進(jìn)行了內(nèi)業(yè)航測(cè)數(shù)據(jù)處理，利用生成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過ARCGIS 平臺(tái)進(jìn)行了計(jì)算，具體過程如下：

（1）像控點(diǎn)布設(shè)：本項(xiàng)目為長(zhǎng)方形規(guī)則形狀，前后兩期均使用撒石灰的方法在場(chǎng)地內(nèi)呈品字形均勻布置了約12 個(gè)平高控制點(diǎn)，以保證控制點(diǎn)密度達(dá)到要求規(guī)范，同時(shí)還額外布置了若干個(gè)檢查點(diǎn)，以便后期進(jìn)行必要的精度檢查。

（2）航帶設(shè)計(jì)：根據(jù)測(cè)區(qū)實(shí)際地形情況，以及《低空數(shù)字航空攝影測(cè)量外業(yè)規(guī)范》中的相關(guān)要求，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了測(cè)區(qū)的相應(yīng)航線，具體為：航向?yàn)槟媳狈较?，? 條航線，相對(duì)行高100m，航向及旁向重疊度分別為75%和60%，地面分辨率約1.8CM，設(shè)置完成后，選擇合適時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行了影像數(shù)據(jù)采集。

（3）航測(cè)數(shù)據(jù)處理：外業(yè)飛行結(jié)束后，隨即下載了影像數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的POS 數(shù)據(jù)，利用Pix4D 平臺(tái)軟件進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理并得到模型數(shù)據(jù)，其處理流程如圖1所示[1]。

圖1 Pix4D 影像數(shù)據(jù)處理流程

（4）編輯點(diǎn)云數(shù)據(jù)：Pix4D 生成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中含有部分噪點(diǎn)，如房屋、植被等，在實(shí)際應(yīng)用中需要將其剔除，從而獲得測(cè)區(qū)的數(shù)字高程模型DEM，如圖2所示。

圖2 項(xiàng)目二期間點(diǎn)云DEM 數(shù)據(jù)

（5）將編輯后的兩期點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入ARCGIS 中，轉(zhuǎn)換成柵格DEM，利用ARCGIS 中的土方計(jì)算功能，得到最終工程量結(jié)果數(shù)據(jù)。計(jì)算得出該項(xiàng)目挖方量為1650473m3，填方為1094416m3。

3 效率及精度分析

為了比較分析使用六旋翼無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量進(jìn)行土石方量計(jì)算的效率及精確性，本生產(chǎn)項(xiàng)目同時(shí)保留了傳統(tǒng)的使用GPS-RTK 技術(shù)進(jìn)行的測(cè)區(qū)兩期間的數(shù)據(jù)，在RTK 測(cè)量方法中，兩期外業(yè)測(cè)量各使用了6 臺(tái)思拓力S6 型RTK，每期測(cè)量使用時(shí)間為2.5 天，采集點(diǎn)約25000 點(diǎn)；無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)采集派出2 人，所用時(shí)間具體為做像控點(diǎn)4 個(gè)小時(shí)，飛行拍攝共一個(gè)架次約40 分鐘，在效率上明顯得到提高。在每期中，從RTK 數(shù)據(jù)中隨機(jī)抽取50 個(gè)點(diǎn)分別于相應(yīng)的無(wú)人機(jī)點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)位置進(jìn)行高程對(duì)比，通過統(tǒng)計(jì)得到：原始地形高程中誤差為±3.2CM，第二期高程中誤差為±3.0CM，滿足相關(guān)測(cè)量規(guī)范的要求。另外，從計(jì)算量來(lái)看，原先RTK 測(cè)量數(shù)據(jù)使用了南方CASS9.2 軟件使用方格網(wǎng)法進(jìn)行了工程量的計(jì)算，得到項(xiàng)目挖方為1637725m3，填方1106969m3，挖填兩項(xiàng)計(jì)算數(shù)據(jù)差值都控制在1%以內(nèi)。所以，采用無(wú)人機(jī)航測(cè)的方法替代傳統(tǒng)人工測(cè)量方式，不但使其效率得到大幅提升，其測(cè)量、計(jì)算精度也可滿足工程項(xiàng)目的需求。

4 結(jié)語(yǔ)

論文論述了使用多旋翼無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)進(jìn)行的工程土石方量計(jì)算的基本方法和過程。結(jié)果表明，該技術(shù)為未來(lái)的工程建設(shè)土石方計(jì)算帶來(lái)了新的有效途徑，其靈活、快速、高精度、智能化的方法以及多維、高精度的產(chǎn)品格式，必將廣泛應(yīng)用于眾多空間信息采集領(lǐng)域。隨著無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，傳感器的不斷演進(jìn)，LIDAR 等技術(shù)的進(jìn)一步成熟，建模等平臺(tái)軟件的持續(xù)優(yōu)化，以及價(jià)格等進(jìn)一步的親民化，其必將在測(cè)繪應(yīng)用領(lǐng)域起到領(lǐng)軍的作用。