研究市政工程無(wú)人機(jī)土方快速測(cè)量技術(shù)

王祥 代華

【摘要】隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，在實(shí)際的市政工程中無(wú)人機(jī)土方快速測(cè)量技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。本文以實(shí)際的市政污水處理工程為案例，以無(wú)人機(jī)攝影原理為切入點(diǎn)，綜合分析該工程實(shí)施期間無(wú)人機(jī)土方快速測(cè)量技術(shù)的具體應(yīng)用情況，包括對(duì)土方數(shù)據(jù)的采集、提取以及輸出等各個(gè)環(huán)節(jié)，同時(shí)還著重研究了數(shù)據(jù)質(zhì)量以及其相關(guān)影響因子。

【關(guān)鍵詞】市政工程;無(wú)人機(jī);土方快速測(cè)量技術(shù)

現(xiàn)階段我國(guó)無(wú)人機(jī)技術(shù)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，由于該技術(shù)在數(shù)據(jù)采集方面優(yōu)勢(shì)十分明顯，不僅非常方便快捷，而且使用成本相對(duì)較低，因此無(wú)人機(jī)測(cè)量技術(shù)在各行各業(yè)廣泛應(yīng)用，尤其是在市政工程中。但是對(duì)于無(wú)人機(jī)土方快速測(cè)量技術(shù)來(lái)說(shuō)，其數(shù)據(jù)處理方面相對(duì)比較復(fù)雜，而且在實(shí)際的市政工程中對(duì)于土方測(cè)量數(shù)據(jù)精度要求相對(duì)較高，這就會(huì)導(dǎo)致無(wú)人機(jī)使用人員由于其專業(yè)知識(shí)不熟練而出現(xiàn)一系列問(wèn)題。本文作者結(jié)合多年的市政項(xiàng)目工作經(jīng)驗(yàn)，以實(shí)際的污水處理工程為案例，綜合分析無(wú)人機(jī)土方快速測(cè)量技術(shù)在市政工程上的具體應(yīng)用情況。

1、無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量工作原理

1.1無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量系統(tǒng)的組成

對(duì)于無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量系統(tǒng)而言，其主要由硬件和軟件系統(tǒng)兩部分組成，無(wú)人機(jī)作為硬件系統(tǒng)中至關(guān)重要的一部分，其中機(jī)載遙感設(shè)備是用來(lái)獲取地面數(shù)據(jù)信息的重要監(jiān)測(cè)設(shè)備，數(shù)據(jù)的傳輸要由通訊系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，航線設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)使用過(guò)軟件系統(tǒng)來(lái)制定的，可以根據(jù)實(shí)際的工程需要設(shè)定所需要監(jiān)測(cè)的區(qū)域范圍，同時(shí)還可以根據(jù)工程所需要的數(shù)據(jù)精度、分辨率、以及測(cè)量參數(shù)等數(shù)據(jù)信息來(lái)設(shè)定無(wú)人機(jī)的航線。綜上所述，無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量系統(tǒng)是由五部分組成的，其中包含地面監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)處理與傳輸、無(wú)人機(jī)控制、地面保障、無(wú)人機(jī)的發(fā)射與回收。

1.2無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量

對(duì)于無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量來(lái)說(shuō)，其可以根據(jù)實(shí)際的工作需要以及設(shè)定的一系列技術(shù)要求等，在無(wú)人機(jī)上安裝航測(cè)遙感裝置，通過(guò)相關(guān)技術(shù)人員需要提前設(shè)定好飛行區(qū)域，然后才可以實(shí)現(xiàn)對(duì)所在區(qū)域的拍攝得到相應(yīng)的影像數(shù)據(jù)。相關(guān)技術(shù)人員還需要利用影像和地面之間的數(shù)據(jù)傳輸關(guān)系，通過(guò)利用數(shù)據(jù)處理軟件將影像信息提煉出工程所需要的信息。同時(shí)在實(shí)際的市政工程項(xiàng)目中，利用無(wú)人機(jī)快速測(cè)量技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)范圍的放大縮小以及大比例尺航空攝影等功能，為我國(guó)各行各業(yè)的發(fā)展以及科技的進(jìn)步提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

現(xiàn)階段，隨著各種高新測(cè)量技術(shù)的突破性發(fā)展，尤其是RS、GPS、GIS等測(cè)量技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)、5G傳輸技術(shù)等，在市政工程土方測(cè)量工程項(xiàng)目中? ? ? 無(wú)線遙感測(cè)量技術(shù)越來(lái)越被工程所接受，尤其是無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)作為低空測(cè)量技術(shù)的代表被廣泛應(yīng)用于市政工程土方測(cè)量項(xiàng)目中，其主要應(yīng)用于測(cè)量區(qū)域相對(duì)較小、大比例尺以及工期相對(duì)比較緊張的項(xiàng)目中，無(wú)人機(jī)土方快速測(cè)量技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)所在，搶占了大量的市政工程測(cè)量市場(chǎng)。

2、項(xiàng)目概況

某省市需要對(duì)其現(xiàn)有的污水處理工程進(jìn)行改進(jìn)，該省市所在的區(qū)域的地形地貌表現(xiàn)為丘陵特征，其地勢(shì)相對(duì)比較平緩。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。該工程作為優(yōu)化建設(shè)，需要在原有的污水處理工程上增加新型的處理工藝，從而最大限度的達(dá)到城市的污水處理效果。最終要求所建成的污水處理能力一天可以達(dá)到5萬(wàn)立方米，其實(shí)際的用地面積為15萬(wàn)平方米，實(shí)際的建筑總面積是5300平方米，整體的綠地率需要在一半以上。

3、具體實(shí)施方案

3.1研究的內(nèi)容

根據(jù)實(shí)際的污水處理項(xiàng)目中土方施工的具體情況安排，本次工程項(xiàng)目中利用無(wú)人機(jī)快速測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)土方的測(cè)量，采用旋翼式無(wú)人機(jī)對(duì)整個(gè)污水處理工程項(xiàng)目區(qū)域在不同的高度進(jìn)行全方位的拍攝工作，從而得到航拍影像資料，然后對(duì)影像資料進(jìn)行綜合分析并利用數(shù)據(jù)處理軟件提取出工程建設(shè)所需信息，其中包括施工現(xiàn)場(chǎng)的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)數(shù)字高程模型、等高線分布情況以及正射影像圖等等，最終計(jì)算出土方堆放數(shù)據(jù)。

3.2研究方法

我們選擇旋翼式無(wú)人機(jī)作為測(cè)量平臺(tái)，對(duì)于所拍攝的低空影像來(lái)說(shuō)，應(yīng)控制器參數(shù)，其中航向和側(cè)向重疊度需要控制在60%以內(nèi)，飛行器的高度要控制在120米以內(nèi)。然后相關(guān)技術(shù)人員通過(guò)使用Agisoft軟件來(lái)綜合分析影像資料，使用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)及時(shí)的提取相關(guān)數(shù)據(jù)信息資料，包括三維點(diǎn)云、數(shù)字高程模型、等高線分布情況以及正射影像圖，從而最終計(jì)算出堆放土方量。除此之外，我們還設(shè)計(jì)了兩組對(duì)照實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步分析數(shù)據(jù)變化情況，主要是針對(duì)飛行器的飛行高度、影像重疊度以及提取數(shù)據(jù)的質(zhì)量三者之間的關(guān)系。A組對(duì)照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為在同一飛行高度下，影像重疊度不一致，而B(niǎo)組對(duì)照實(shí)驗(yàn)設(shè)置為在同一影像重疊度下，飛行高度不同。

4、結(jié)果與分析

4.1場(chǎng)平標(biāo)高的選擇和土方量測(cè)算之間的關(guān)系

通過(guò)實(shí)際的測(cè)算得到堆土坡腳最外圍總長(zhǎng)度為450米，其投影下來(lái)的總面積大約為15000平方米。堆土位置的坡腳邊界表現(xiàn)為不規(guī)則的形狀，無(wú)人機(jī)只有得到堆土的標(biāo)高才能合理的計(jì)算堆土的總體積，這就需要確定好基底的標(biāo)高。在實(shí)際的估計(jì)堆土運(yùn)輸總體積時(shí)，一般情況下，使用場(chǎng)平的最終標(biāo)高作為土方測(cè)算的基底高程，其測(cè)定值直接影響最終運(yùn)輸?shù)耐练娇偭?。在利用軟件?jì)算過(guò)程中，相關(guān)技術(shù)人員需要根據(jù)實(shí)際的地面情況來(lái)選擇計(jì)算方案?，F(xiàn)階段，有非常多的GIS軟件可以根據(jù)實(shí)際的場(chǎng)平情況來(lái)綜合分析選擇最佳標(biāo)高算法，例如在實(shí)際的無(wú)人機(jī)快速測(cè)量技術(shù)中，其最常使用的軟件就是Agisoft，該軟件可以提供3種最為常用的基底起算方案，其中包括單一、平均和擬合標(biāo)高。對(duì)于單一標(biāo)高來(lái)說(shuō)，其主要應(yīng)用于在場(chǎng)平后的最終標(biāo)高是單一值時(shí)，就是在堆土工作完成后進(jìn)行統(tǒng)一場(chǎng)平后，到達(dá)統(tǒng)一的標(biāo)高進(jìn)行體積測(cè)量的方案;對(duì)于平均標(biāo)高來(lái)說(shuō)，其主要應(yīng)用于在場(chǎng)平完成后地面的最終標(biāo)高的值不一致，但是可以大致看錯(cuò)成一個(gè)相對(duì)比較均勻的體積來(lái)進(jìn)行計(jì)算的方案;對(duì)于擬合標(biāo)高來(lái)說(shuō)，其主要應(yīng)用于在場(chǎng)平之后最終的標(biāo)高是無(wú)規(guī)律變化的情況。由于該污水處理工程在實(shí)際的堆土區(qū)使用完成后，場(chǎng)平之后將最終標(biāo)高統(tǒng)一設(shè)置為150米，這就符合單一標(biāo)高測(cè)算方案，因此基底的類型也需要根據(jù)單一標(biāo)高的體積測(cè)算方案來(lái)進(jìn)行合理的選擇，然后將最終場(chǎng)平標(biāo)高等價(jià)于基底高程就可以測(cè)算最終的土方體積。該工程項(xiàng)目在應(yīng)用Agisoft軟件過(guò)程中，在選擇volume中的選項(xiàng)時(shí)，需要在Abovecustomevel模式下輸入實(shí)際的場(chǎng)平標(biāo)高，這樣就可以得到最終的需要測(cè)量的土方總量。

4.2無(wú)人機(jī)飛行高度和影像重疊度對(duì)數(shù)據(jù)提取質(zhì)量的影響

對(duì)于無(wú)人機(jī)土方快速測(cè)量技術(shù)來(lái)說(shuō)，在同一區(qū)域范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量工作時(shí)，飛行高度一致的情況下，影像重疊度不同，相應(yīng)的收集到的影像數(shù)據(jù)總量也就會(huì)不一致，這就都會(huì)導(dǎo)致后續(xù)提取影像資料的質(zhì)量有很大差異;另外，飛行高度不一致的情況下，無(wú)人機(jī)的飛行方向、風(fēng)速的變化以及空氣能見(jiàn)度等情況從而影響重疊率，最終也會(huì)對(duì)影像數(shù)據(jù)提取的質(zhì)量產(chǎn)生很大影響。因?yàn)闉榱松钊敕治鰺o(wú)人機(jī)的飛行高度、影像重疊度對(duì)于最終提取數(shù)據(jù)質(zhì)量影響情況，我們進(jìn)行了兩組對(duì)照實(shí)驗(yàn)，一組是飛行高度一致的情況下，影像重疊度不一致的實(shí)驗(yàn)，另一組是飛行高度不一致的情況下，影像重疊度一致的實(shí)驗(yàn)。

（1）飛行高度一致的情況下，影像重疊度與提取數(shù)據(jù)質(zhì)量之間的關(guān)系

對(duì)于在無(wú)人機(jī)飛行高度一致的情況下來(lái)說(shuō)，其生成的正射影像在分辨率上并沒(méi)有很大的不同。但是根據(jù)該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，如果影像航向和側(cè)向重疊度在小于70%的情況下，這就可能出現(xiàn)比較嚴(yán)重的誤差，大約會(huì)在1m左右，這就會(huì)導(dǎo)致對(duì)土方體積的估算上產(chǎn)生非常大的偏差。但是航向和側(cè)向重疊度比70%大時(shí)，測(cè)量的精確度就相對(duì)較高。所以，在進(jìn)行無(wú)人機(jī)測(cè)量工作時(shí)，必須要充分考慮風(fēng)力大小以及空氣能見(jiàn)度的影響，盡可能的避免出現(xiàn)低于70%重疊度的情況。

（2）飛行高度不一致的情況下，相同的影像重疊度和提取數(shù)據(jù)質(zhì)量之間的關(guān)系

對(duì)于同一測(cè)量區(qū)域來(lái)說(shuō)，在相同的影像重疊度情況下，飛行高度與影響分辨率上成反比關(guān)系，即高度越高，采取到的圖像分辨率也會(huì)隨之降低，同時(shí)相應(yīng)的正射影像圖中的RMS值會(huì)隨著增加。但是，在實(shí)際的規(guī)劃無(wú)人機(jī)飛行航線時(shí)，其飛行方向、攝影方向同方向一致的情況下，飛行器的飛行情況受到風(fēng)速以及GPS定位誤差的影響，基本表現(xiàn)為正比關(guān)系。所以，在確保精度的情況下進(jìn)行無(wú)人機(jī)土方測(cè)量工作時(shí)，相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)該盡可能的降低飛行高度，同時(shí)還要選擇風(fēng)速較低以及能見(jiàn)度較高的環(huán)境下進(jìn)行測(cè)量。

結(jié)語(yǔ)：

綜上所述，本文作者結(jié)合了多年的市政項(xiàng)目的工作經(jīng)驗(yàn)，綜合分析了無(wú)人機(jī)土方快測(cè)量以在實(shí)際市政污水處理工程項(xiàng)目中應(yīng)用情況，合理的利用數(shù)據(jù)處理軟件來(lái)有效的提取土方相關(guān)數(shù)據(jù)信息。除此之外，我們還綜合分析了無(wú)人機(jī)飛行的高度與影像拍攝質(zhì)量和數(shù)據(jù)提取之間的關(guān)系、無(wú)人機(jī)飛行高度與影像重疊度之間的關(guān)系，最終得到如下結(jié)果：

（1）對(duì)于無(wú)人機(jī)飛行的高度與影像拍攝質(zhì)量和數(shù)據(jù)提取之間的關(guān)系而言，在相同的飛行高度下，影像的數(shù)據(jù)提取質(zhì)量與影像重疊度成正比關(guān)系存在。因此在實(shí)際的市政工程項(xiàng)目中選擇無(wú)人機(jī)土方快速測(cè)量技術(shù)時(shí)，盡可能的不要選擇航向和側(cè)向重疊度都小于70%的設(shè)置情況。

（2）對(duì)于無(wú)人機(jī)飛行高度與影像重疊度之間的關(guān)系而言，如果處于相同的影像重疊度時(shí)，采集的影像數(shù)據(jù)信息伴隨著飛行高度的升高而降低，而且其數(shù)據(jù)精度也會(huì)隨之下降，但是可以節(jié)省大量的處理數(shù)據(jù)時(shí)間。

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作者簡(jiǎn)介：

王祥（1995.08-），男，漢族，湖南婁底，本科，助理工程師，研究方向：工程測(cè)量。