基于無(wú)人機(jī)航測(cè)的土地開(kāi)發(fā)整理工程量復(fù)核方法研究*

劉 娟，?；⒘?，彭勁滔

(甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，甘肅 蘭州 730050)

近年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市各類重點(diǎn)發(fā)展區(qū)域、重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)、重大項(xiàng)目對(duì)建設(shè)用地的需求日益增加，土地供需矛盾日趨嚴(yán)重，土地開(kāi)發(fā)整理是增加耕地的主要途徑，也是實(shí)現(xiàn)區(qū)域耕地總量動(dòng)態(tài)平衡的重要途徑。采用測(cè)繪手段完成土地開(kāi)發(fā)整理項(xiàng)目工程量復(fù)核是最科學(xué)的選擇，特別是現(xiàn)代測(cè)繪手段能使復(fù)核成果更真實(shí)更全面。無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)能夠提供高精度、全面的數(shù)據(jù)，相對(duì)而言，復(fù)核成本低、效率高，適應(yīng)復(fù)核區(qū)域各種復(fù)雜的環(huán)境，成果完全能夠滿足工程量復(fù)核的要求。本次以蘭州市皋蘭縣石洞鎮(zhèn)陽(yáng)洼窯土地開(kāi)發(fā)整理項(xiàng)目為研究對(duì)象，基于飛馬V100無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)快速獲取復(fù)核區(qū)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)DEM、DOM、DSM數(shù)據(jù)的生產(chǎn)，并通過(guò)INPHO、PIX4D構(gòu)建單相機(jī)影像復(fù)核區(qū)實(shí)景三維模型，在此基礎(chǔ)上利用設(shè)計(jì)階段形成的BIM模型與實(shí)景三維模型融合，實(shí)現(xiàn)三維模式下土地開(kāi)發(fā)整理項(xiàng)目實(shí)施后的三維實(shí)景，對(duì)項(xiàng)目質(zhì)量和設(shè)計(jì)實(shí)施情況提供準(zhǔn)確的、直觀的數(shù)據(jù)支撐。

1 工程量復(fù)核理論

1.1 工程量復(fù)核概念

土地開(kāi)發(fā)整理項(xiàng)目工程量復(fù)核是通過(guò)項(xiàng)目設(shè)計(jì)與竣工工程量初步對(duì)比、基本工程量復(fù)核、工程現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核測(cè)繪，準(zhǔn)確測(cè)評(píng)土地平整工程、農(nóng)田水利工程、田間道路工程、農(nóng)田生態(tài)防護(hù)工程等竣工完成的數(shù)量、規(guī)格和質(zhì)量，計(jì)算工程量完成的增減比率，完善土地開(kāi)發(fā)整理項(xiàng)目的驗(yàn)收程序，確保項(xiàng)目驗(yàn)收質(zhì)量。

1.2 工程量復(fù)核程序

工程量復(fù)核工作是在土地開(kāi)發(fā)整理項(xiàng)目完成建設(shè)任務(wù)、提交竣工材料、完成變更工程審批及簽證結(jié)算完成的前提下進(jìn)行的。首先根據(jù)工程量復(fù)核技術(shù)方案，分析項(xiàng)目設(shè)計(jì)工程量、變更工程量和竣工報(bào)告完成工程量差異。其次是明確有審批文件的變更工程量，確定復(fù)核重點(diǎn)，對(duì)重大工程進(jìn)行重點(diǎn)復(fù)核。最后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核，針對(duì)新建工程進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)巡視，清點(diǎn)數(shù)量，采用測(cè)繪手段進(jìn)行空間數(shù)據(jù)采集，對(duì)項(xiàng)目建設(shè)范圍、土地平整開(kāi)發(fā)范圍、田間道路工程、農(nóng)田水利工程及建筑物等進(jìn)行測(cè)繪。

1.3 工程量復(fù)核方法

工程量復(fù)核一般采用綜合法進(jìn)行，主要包括資料查閱分析、外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理、工程量復(fù)核報(bào)告編寫及工程量復(fù)核圖件編制等，常采用幾種方法組合來(lái)進(jìn)行工程量復(fù)核：

(1)理論計(jì)算法，即對(duì)挖(填)方、客土、墊層等隱蔽工程依據(jù)設(shè)計(jì)量、竣工簽證量等結(jié)合測(cè)繪數(shù)據(jù)，計(jì)算新增耕地面積及工程量；

(2)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)法，即對(duì)土地開(kāi)發(fā)整理項(xiàng)目所有的工程采用測(cè)繪手段進(jìn)行全面的測(cè)繪，包括面積、長(zhǎng)度、工程點(diǎn)位，最后統(tǒng)計(jì)工程量；

(3)對(duì)比分析法，主要針對(duì)土地開(kāi)發(fā)整理項(xiàng)目土方測(cè)算，收集項(xiàng)目區(qū)實(shí)施前的影像和地形資料，疊加項(xiàng)目實(shí)施后的測(cè)繪成果，圈定項(xiàng)目實(shí)際實(shí)施區(qū)域，通過(guò)對(duì)比分析確定新增耕地面積和土方量；

(4)抽樣調(diào)查法，主要針對(duì)部分隱蔽工程實(shí)施的方法，重點(diǎn)為施工工藝、單個(gè)建筑、單個(gè)設(shè)備進(jìn)行抽樣調(diào)查。同時(shí)進(jìn)行針對(duì)明確工藝和質(zhì)量要求的工程和設(shè)備進(jìn)行破壞性試驗(yàn)，確保質(zhì)量達(dá)標(biāo)。

1.4 工程量復(fù)核內(nèi)容

土地開(kāi)發(fā)整理項(xiàng)目工程量復(fù)核主要內(nèi)容為：主要建設(shè)指標(biāo)(建設(shè)規(guī)模、新增耕地、新增耕地率)、土地平整工程(平整面積、土石方挖填、表土剝離等工程量)、灌溉與排水工程(溝渠、管道長(zhǎng)度、寬度；水工建筑物的位置、數(shù)量、尺寸；施工工藝等)、田間道路工程(田間道、生產(chǎn)路的長(zhǎng)度、斷面及施工工藝等)、農(nóng)田防護(hù)及生態(tài)環(huán)境保持工程以及其他工程。

2 工程量復(fù)核研究

2.1 研究區(qū)域概況

項(xiàng)目區(qū)位于蘭州市皋蘭縣石洞鎮(zhèn)陽(yáng)洼窯村，東面靠近小毛刺溝，西面緊鄰蘭州新區(qū)峴子村，南面靠近陽(yáng)洼窯村居民點(diǎn)，北面靠近毛刺溝山梁，地理坐標(biāo)為東經(jīng)103°51′50″～103°52′48″，北緯36°24′14″～36°25′12″，如圖1所示。項(xiàng)目建設(shè)規(guī)模128.01 hm2，其中，開(kāi)發(fā)面積97.72 hm2，整理面積39.29 hm2，主要建設(shè)工程包括土地平整工程、灌溉與排水工程、田間道路工程和生態(tài)環(huán)境保護(hù)工程，其中土地平整工程為主體，也是工程量復(fù)核的核心工作。

項(xiàng)目區(qū)為低山區(qū)，最大高差為114 m。為了研究方法的可靠性，本次同時(shí)采用傳統(tǒng)手段和新技術(shù)手段。

2.2 傳統(tǒng)手段

傳統(tǒng)的復(fù)核方法主要采用GNSS-RTK快速定位法，即測(cè)量技術(shù)人員手持GNSS-RTK對(duì)項(xiàng)目區(qū)的地物、地類、平整區(qū)(開(kāi)發(fā)區(qū))、邊界、溝渠、田間道路以及挖方區(qū)填方區(qū)地貌進(jìn)行測(cè)量，在室內(nèi)完成復(fù)核成果圖的編繪，按照工程量復(fù)核的相關(guān)要求進(jìn)行報(bào)告的編繪。此方法適用于小范圍、小規(guī)模的土地開(kāi)發(fā)整理項(xiàng)目工程量復(fù)核，但相對(duì)于大規(guī)模和超大規(guī)模的土地開(kāi)發(fā)整理項(xiàng)目，復(fù)核困難較大，需要投入大量的人力物力，耗費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集，同時(shí)對(duì)于需要測(cè)算土方的工程來(lái)說(shuō)，人工采集的地貌點(diǎn)覆蓋度、密度往往不夠，測(cè)算的土方量準(zhǔn)確性低，不可靠。本次為了驗(yàn)證成果的準(zhǔn)確性，對(duì)項(xiàng)目區(qū)全部工程進(jìn)行了GNSS-RTK實(shí)測(cè)。

2.3 新技術(shù)手段

在傳統(tǒng)手段的基礎(chǔ)上，本次引進(jìn)了飛馬組合翼V100無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)各種復(fù)雜區(qū)域的垂直定點(diǎn)起飛降落，起飛重量8.5 kg，載重1 kg，續(xù)航時(shí)間90 min，同時(shí)配備了20 Hz高精度差分GNSS模塊，攜帶35 mm索尼SONY RX1R II全畫幅相機(jī)。本項(xiàng)目工程量復(fù)核相對(duì)大部分復(fù)核來(lái)說(shuō)有所不同，除了常規(guī)點(diǎn)狀工程和線狀工程的復(fù)核外，本次復(fù)核的重點(diǎn)是土方挖方量和填方量的復(fù)核。相對(duì)而言，絕對(duì)高程的精度要求高，而高程精度恰好是航測(cè)技術(shù)的難點(diǎn)，因此提高本次航測(cè)的高程精度至關(guān)重要。本項(xiàng)目充分利用了V100無(wú)人機(jī)高頻高精度GNSS-RTK技術(shù)，在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，提前在項(xiàng)目區(qū)均勻布設(shè)了像控點(diǎn)，測(cè)設(shè)了大量檢核點(diǎn)。同時(shí)在內(nèi)業(yè)利用INPHO進(jìn)行空三解算與PIX4D輸出DEM、DOM、DSM等多種軟件最優(yōu)化處理的方法，通過(guò)EPS裸眼三維立體測(cè)圖模式下測(cè)制相應(yīng)的復(fù)核成果。最后通過(guò)PIX4D實(shí)現(xiàn)了實(shí)景三維模型的建模，將三維設(shè)計(jì)BIM模型與實(shí)景三維模型疊加，實(shí)現(xiàn)二三維聯(lián)動(dòng)復(fù)核，通過(guò)多種平臺(tái)、多種技術(shù)的融合，實(shí)現(xiàn)工程量復(fù)核項(xiàng)目多元成果的生產(chǎn)與聯(lián)動(dòng)。

2.3.1 外業(yè)數(shù)據(jù)獲取

根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際要求及測(cè)區(qū)的實(shí)際情況確定航飛區(qū)域3.8 km2，設(shè)計(jì)航測(cè)路線13條，航向重疊80%，旁向重疊65%，地面分辨率4 cm。測(cè)區(qū)采用均勻布控，布設(shè)控制點(diǎn)11點(diǎn)，檢核點(diǎn)15點(diǎn)，航攝完成后采用Photoscan軟件中照片檢查模塊對(duì)照片質(zhì)量進(jìn)行了快速檢測(cè)和初步評(píng)估。航向布設(shè)如圖2所示。

2.3.2 空中三角測(cè)量與3D產(chǎn)品生產(chǎn)

小型無(wú)人機(jī)搭載的相機(jī)大部分為非量測(cè)型相機(jī)，畸變較大，消除畸變對(duì)空中三角測(cè)量來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。本文為了提高整體精度，在內(nèi)業(yè)處理中采用多種軟件組合模式，即空中三角測(cè)量采用INPHO軟件Match-AT模塊完成，畸變校正基于Matrax軟件完成。同時(shí)為了提高POS數(shù)據(jù)精度，利用空三加密模塊對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行基于POS系統(tǒng)的光束法區(qū)域網(wǎng)平差，獲取高精度的定向點(diǎn)，為建立測(cè)區(qū)模型及內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集提供準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。本次空中三角測(cè)量主要包括數(shù)據(jù)的預(yù)處理和空中三角測(cè)量?jī)蓚€(gè)階段。其中預(yù)處理主要包括：(1)原始航片準(zhǔn)備；(2)POS數(shù)據(jù)整理；(3)原始航片畸變處理；(4)控制點(diǎn)數(shù)據(jù)整理等?？罩腥菧y(cè)量包括：(1)工程建立(①相機(jī)編輯②添加航片③添加POS④添加控制點(diǎn)文件⑤調(diào)整航片旋轉(zhuǎn)等)；(2)生成航片金字塔等；(3)航空攝影測(cè)量(①生成連接點(diǎn)②控制點(diǎn)添加③平差運(yùn)算生產(chǎn)空三成果)。基于多年的實(shí)踐成果,DEM、DOM、DSM采用PIX4D軟件完成，該軟件可以直接應(yīng)用Inpho軟件完成空三成果，能夠?qū)崿F(xiàn)多格式的成果輸出。項(xiàng)目區(qū)DEM成果如圖3所示、項(xiàng)目區(qū)DOM成果如圖4所示。

2.3.3 垂直模型生產(chǎn)與裸眼三維立體測(cè)圖

鑒于項(xiàng)目區(qū)地表植被、構(gòu)筑物覆蓋少的特點(diǎn)，依據(jù)DEM和DOM成果在EPS三維測(cè)圖軟件中生產(chǎn)垂直攝影模型，如圖5所示，通過(guò)EPS裸眼三維測(cè)圖模塊進(jìn)行復(fù)核點(diǎn)的檢查，經(jīng)系統(tǒng)檢查本次檢核點(diǎn)平面中誤差為±0.08 m，高程中誤差為±0.12 m，精度完全滿足工程量復(fù)核的要求，極大地提高了作業(yè)效率、減少了外業(yè)的工作量、降低了生產(chǎn)成本。

圖3 復(fù)核項(xiàng)目區(qū)DEM成果

圖4 復(fù)核項(xiàng)目區(qū)DOM成果

圖5 垂直攝影模型(局部)

2.3.4 實(shí)景三維與設(shè)計(jì)BIM模型疊加對(duì)比

常規(guī)的復(fù)核一般基于二維模式完成，介于土方項(xiàng)目工程量大的特性，為了準(zhǔn)確反應(yīng)土方挖方填方的完成情況，本次在傳統(tǒng)基于方格網(wǎng)法和三角網(wǎng)法土方測(cè)算的基礎(chǔ)上，引入三維模型疊加設(shè)計(jì)BIM進(jìn)行三維模式下的土方量測(cè)算和三維展示，如圖6所示。

圖6 區(qū)域BIM效果圖

三維疊加后提取與設(shè)計(jì)不符的部分重點(diǎn)標(biāo)記出來(lái)(如圖7所示，黑色為施工不到位區(qū)域)，作為核查成果的直觀展示，既有定量成果，又有支撐數(shù)據(jù)。

圖7 疊加后局部三維效果圖(黑色為差異區(qū)樣本)

2.4 對(duì)比分析

為了更好實(shí)現(xiàn)更多土地開(kāi)發(fā)整理項(xiàng)目快速的復(fù)核，在研究新技術(shù)的同時(shí)沿用傳統(tǒng)手段進(jìn)行了復(fù)核，同時(shí)對(duì)傳統(tǒng)手段與新技術(shù)進(jìn)行了各項(xiàng)參數(shù)的對(duì)比，如表1和表2所示。

從表1和表2可以看出，采用新技術(shù)和傳統(tǒng)技術(shù)手段復(fù)核的工程量基本一致，而通過(guò)新技術(shù)完成的復(fù)核量更加精準(zhǔn)，效率更高，復(fù)核結(jié)果既有創(chuàng)新點(diǎn)又能提高客戶的滿意度，同時(shí)大大降低了復(fù)核成本。

3 結(jié) 語(yǔ)

隨著測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展，多元化的測(cè)繪產(chǎn)品正改變著傳統(tǒng)的測(cè)繪手段，以BIM為導(dǎo)向衍生了很多新的學(xué)科。本文以實(shí)踐助推理論，以項(xiàng)目生產(chǎn)探討研究新的技術(shù)方法，從無(wú)人機(jī)快速獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)到3D產(chǎn)品的生產(chǎn)到基于垂直影像構(gòu)建三維模型，將設(shè)計(jì)BIM與實(shí)景三維模型相結(jié)合，構(gòu)建從二維到三維聯(lián)動(dòng)的復(fù)核成果，讓土地開(kāi)發(fā)整理項(xiàng)目工程量復(fù)核更直觀、更科學(xué)、更高效，同時(shí)為大型土地開(kāi)發(fā)整理項(xiàng)目的復(fù)核提供借鑒。

表1 采用常規(guī)手段與新技術(shù)復(fù)核工程量對(duì)比表

表2 對(duì)比分析表