李 俊 杜傳良 劉偉榮 黃 宇 嚴(yán)海波 汪和方
(中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,浙江 杭州 311122)
污水處理項(xiàng)目工程組成以大量的半地下池體建筑和地下管線工程為主,大規(guī)模的地下工程會(huì)導(dǎo)致大量土方開(kāi)挖、回填發(fā)生,是污水處理項(xiàng)目施工的一大特點(diǎn)。在已了解各施工作業(yè)面土方開(kāi)挖和回填設(shè)計(jì)方量的條件下,在有限的空間范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)大量的土方調(diào)運(yùn)和臨時(shí)中轉(zhuǎn)堆放的合理安排,避免出現(xiàn)臨時(shí)堆土場(chǎng)中轉(zhuǎn)土料超過(guò)設(shè)計(jì)容量的情況,充分利用有限的臨時(shí)設(shè)施,落實(shí)“綠色施工”中有效使用臨時(shí)設(shè)施用地的要求[1],保證工程施工的順利開(kāi)展,對(duì)工程建設(shè)管理者的管理方法是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn),其關(guān)鍵在于現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)、快速地掌握現(xiàn)場(chǎng)各臨時(shí)堆土中轉(zhuǎn)區(qū)域的實(shí)際使用情況。
隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展,因其數(shù)據(jù)采集的便捷性、及時(shí)性和低應(yīng)用成本的優(yōu)勢(shì),已開(kāi)始為各個(gè)行業(yè)提供無(wú)人機(jī)三維測(cè)量服務(wù),并開(kāi)始進(jìn)入市政污水處理工程。鑒于無(wú)人機(jī)技術(shù)的數(shù)據(jù)提取環(huán)節(jié)復(fù)雜[2-4],以及市政污水土方測(cè)量數(shù)據(jù)提取質(zhì)量無(wú)需達(dá)到測(cè)繪行業(yè)成果所要求的精度級(jí)別的特殊性,使無(wú)人機(jī)使用人員常因行業(yè)知識(shí)不足限制其在市政污水處理工程中的應(yīng)用。本文結(jié)合筆者在多個(gè)項(xiàng)目的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),以仙居縣污水處理二期工程為例,將無(wú)人機(jī)在污水處理工程土方快速測(cè)量技術(shù)的環(huán)節(jié)和數(shù)據(jù)質(zhì)量與影響因子關(guān)系進(jìn)行了分析和介紹。
仙居縣污水處理二期工程位于浙江省臺(tái)州市仙居縣,所在區(qū)域地貌屬丘陵山地地貌。工程為新建工程,污水處理工藝采用“粗格柵及進(jìn)水提升泵房+細(xì)格柵及旋流沉砂池+調(diào)節(jié)池+厭氧水解池+改良A2/O生化池+二沉池+高密度沉淀池+反硝化濾池+提升泵房+垂直流濕地+水平流濕地+轉(zhuǎn)盤(pán)濾池+接觸消毒池+表流濕地”,設(shè)計(jì)污水處理能力為4萬(wàn)m3/d,用地面積147 010.83 m2,總建筑面積為4 320.01 m2,綠地率為42.7%。
根據(jù)污水處理項(xiàng)目土方工程實(shí)際施工組織情況,利用民用旋翼式無(wú)人機(jī),在不同飛行高度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)航拍,利用獲取的低空航拍影像,提取現(xiàn)場(chǎng)三維點(diǎn)云、DEM數(shù)字高程模型、等高線、臨時(shí)堆土方量測(cè)算、正射影像圖生成等。
以大疆系列旋翼式無(wú)人機(jī)為平臺(tái),采集在航向和側(cè)向重疊度均不小于60%、飛行高度不超過(guò)120 m的低空航拍影像,利用Agisoft軟件根據(jù)影像拍攝點(diǎn)記錄的空間位置,利用傾斜攝影測(cè)量技術(shù),快速獲取臨時(shí)設(shè)施中中轉(zhuǎn)料場(chǎng)的三維點(diǎn)云和數(shù)字高程模型、等高線、正射影像圖,最終計(jì)算出堆放土方量。同時(shí)通過(guò)設(shè)置A,B兩組對(duì)照實(shí)驗(yàn),分析航高、影像重疊度等影響因子與成果數(shù)據(jù)質(zhì)量的關(guān)系。其中A組為相同飛行高度、不同影像重疊度實(shí)驗(yàn);B組為不同飛行高度、相同影像重疊度實(shí)驗(yàn)。
經(jīng)計(jì)算堆土坡腳邊界曲面長(zhǎng)為430.45 m,投影面積12 527.26 m2。其堆土區(qū)坡腳邊界三維剖面特征見(jiàn)圖1。
根據(jù)圖1可知:堆土區(qū)坡腳邊界為不規(guī)則形狀,無(wú)人機(jī)獲取堆土區(qū)表面標(biāo)高后,計(jì)算堆土體積時(shí),需要確定計(jì)算基底標(biāo)高。實(shí)際估算堆土清運(yùn)總土方量時(shí),常用場(chǎng)平最終標(biāo)高作為土方測(cè)算的基底高程將決定最終的土方清運(yùn)量。在軟件計(jì)算時(shí),需根據(jù)地面最終形狀或后期土地處理方式概化為幾何體,以此為依據(jù)選擇計(jì)算方法。目前,多種GIS軟件可以提供不同場(chǎng)平最終標(biāo)高類(lèi)型相對(duì)應(yīng)的算法,以無(wú)人機(jī)行業(yè)常用的Agisoft軟件為例,提供了三種常用的基底起算方式:?jiǎn)我粯?biāo)高、平均標(biāo)高、擬合標(biāo)高。單一標(biāo)高是場(chǎng)平最終標(biāo)高為單一值時(shí)的情況,即堆土區(qū)使用完畢后統(tǒng)一場(chǎng)平至同一標(biāo)高的土方體積測(cè)算方式。平均標(biāo)高是場(chǎng)平后地面最終標(biāo)高為不同值且可形成一個(gè)近似均勻坡面的土方體積測(cè)算方式。擬合標(biāo)高是場(chǎng)平后最終地面標(biāo)高為多個(gè)不同值且無(wú)規(guī)律的情況,如堆土區(qū)為臨時(shí)借地且使用完畢后按照原地形恢復(fù)即可的情況。因本工程堆土區(qū)使用完畢后,場(chǎng)平最終標(biāo)高將統(tǒng)一平整至180.00 m,基底類(lèi)型選擇適用于單一標(biāo)高的土方體積測(cè)算方式。此時(shí),將最終場(chǎng)平標(biāo)高作為土方測(cè)量基底高程即可。
本工程在Agisoft軟件volume計(jì)算選項(xiàng)中,選擇Above custom level模式輸入場(chǎng)平標(biāo)高,可得出需要清運(yùn)的土方量為20 443 m3。土方數(shù)量測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。
表1 起算基底標(biāo)高與土方量表
使用無(wú)人機(jī)在某一固定范圍內(nèi)測(cè)量時(shí),同一飛行高度下,不同影像重疊度時(shí),采集的影像總數(shù)量會(huì)不同,進(jìn)而在提取最終成果過(guò)程中導(dǎo)致累計(jì)誤差量不同;同時(shí),不同飛行高度、不同航線主要飛行方向、風(fēng)速及能見(jiàn)度等影響也會(huì)造成影像分辨率、影像均方誤(RMS)的不同變化。為研究飛行高度、影像重疊度對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果質(zhì)量關(guān)系,設(shè)置了兩組實(shí)驗(yàn):A組為相同飛行高度、不同影像重疊度實(shí)驗(yàn);B組為不同飛行高度、相同影像重疊度實(shí)驗(yàn)。
1)不同高度下影像數(shù)據(jù)與成果數(shù)據(jù)質(zhì)量。
相同航高下,生成的正射影像在分辨率上無(wú)顯著差異。從RMS值上來(lái)看,影像像元位置準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性較高,但在生成的數(shù)據(jù)Z值方向上的誤差值會(huì)存在差異。
表2 相同航高、不同影像重疊度實(shí)驗(yàn)結(jié)果表
由表2中數(shù)據(jù)可知:在Z值誤差上,隨著影像重疊度降低,誤差逐漸增大。根據(jù)本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果,當(dāng)影像航向和側(cè)向重疊度小于70%時(shí),有可能導(dǎo)致高程誤差范圍超過(guò)1 m,對(duì)市政工程有可能導(dǎo)致土方施工組織會(huì)出現(xiàn)較大偏差。而在航向和側(cè)向重疊度均大于70%的情況下,未出現(xiàn)大于1 m的誤差。因此,在野外作業(yè)時(shí),應(yīng)考慮風(fēng)力和能見(jiàn)度影響的不確定性,在民用無(wú)人機(jī)測(cè)量時(shí)宜避免使用70%以下的重疊度,以免因再次補(bǔ)測(cè)而增加外業(yè)工作量。
2)不同高度下、相同影像重疊度與成果數(shù)據(jù)質(zhì)量。
由表3中數(shù)據(jù)可知:對(duì)于同一地塊,在相同影像重疊度下,隨著高度增加會(huì)在影像分辨率上會(huì)出現(xiàn)顯著差異。隨著飛行高度增加,圖像分辨率由2.33 cm降低至5.91 cm,呈逐漸下降趨勢(shì);同時(shí)正射影像圖的RMS值也逐漸呈現(xiàn)上升趨勢(shì),并超出1個(gè)像元。在風(fēng)力和能見(jiàn)度條件較好時(shí),對(duì)于提取土方體積較為關(guān)鍵的Z值誤差都能夠保持較高的精度。但是,在規(guī)劃航線時(shí),由于飛行器飛行方向、圖像X方向與當(dāng)?shù)丶撅L(fēng)方向保持一致的條件下,飛行器飛行姿態(tài)受風(fēng)速和無(wú)差分GPS定位誤差的雙重原因影響,該方向上的誤差值范圍隨著高度增加而逐漸增加;而在Y方向上由于與季風(fēng)方向垂直而始終能保持較高精度。因此,在一般精度條件下的土方量測(cè)定時(shí),宜選擇較低的飛行高度,以降低風(fēng)力和能見(jiàn)度對(duì)無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)和成像清晰度的影響。
表3 不同航高、相同影像重疊度實(shí)驗(yàn)結(jié)果表
本文以常用的無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件Agisoft為例介紹了市政污水工程中提取土方量的常規(guī)流程和方法,同時(shí)針對(duì)不同條件下的土方量計(jì)算基底高程選擇條件,以及數(shù)據(jù)質(zhì)量與無(wú)人機(jī)飛行高度、影像重疊度設(shè)置的關(guān)系進(jìn)行了分析,結(jié)論如下:
1)市政污水工程土方量計(jì)算基底高程可根據(jù)堆土區(qū)設(shè)計(jì)標(biāo)高和后續(xù)利用方式分別選取單一標(biāo)高、平均標(biāo)高、擬合標(biāo)高等三種方式進(jìn)行計(jì)算。
2)同一飛行高度下,隨著影像重疊度的降低,影像成果提取的數(shù)據(jù)質(zhì)量會(huì)呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。在使用普通民用無(wú)人機(jī)進(jìn)行市政污水工程土方測(cè)算時(shí),不宜選擇航向、側(cè)向重疊度均小于70%的設(shè)置。
3)同一影像重疊度條件下,隨著飛行高度的增加,采集影像數(shù)量會(huì)減小,有利于節(jié)省計(jì)算機(jī)計(jì)算時(shí)間,但數(shù)據(jù)精度特別是分辨率會(huì)逐步下降,在航向和側(cè)向重疊度為85%的條件下,飛行高度不宜超過(guò)147 m。