無人機(jī)在基礎(chǔ)工程土石方量計算中的應(yīng)用研究

張偉紅，竺會梅，林早紅 ，李榮浩 ，龍繼訓(xùn)

(1.昆明冶金高等?？茖W(xué)校測繪學(xué)院，云南 昆明 650033；2.云南盛嶺測繪有限公司，云南 昆明 650260)

0 引 言

目前，國家的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)迅速發(fā)展，地方各級政府對工程的質(zhì)量、建設(shè)過程的管理等的要求也日趨嚴(yán)格。土石方工程是各類工程項目的重要組成部分，土石方量測算的精準(zhǔn)度和測算時間，直接影響到項目的經(jīng)費投入。傳統(tǒng)的土石方測量方法主要有全站儀測量法[1]、GPS測量法[2-3]、全站儀+RTK方法[4-5]等。這幾種方法借助傳統(tǒng)測量儀器，到現(xiàn)場進(jìn)行實地測量，對于小面積的測區(qū)及地形條件不是很復(fù)雜的情況比較適合。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)和無人機(jī)技術(shù)逐漸應(yīng)用到工程建設(shè)中。利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行土石方測量[6]，精度高、速度快，但設(shè)備價格昂貴，后期數(shù)據(jù)處理復(fù)雜。無人機(jī)航攝技術(shù)作為一種新興的測繪技術(shù)，為土石方的測量開辟了一條新的途徑。其具有輕便小巧、靈活機(jī)動、操作方便、價格便宜(針對中小型無人機(jī))、影像分辨率高等優(yōu)點，針對測區(qū)范圍較大、有危險且人所不及的區(qū)域，使用無人機(jī)拍攝技術(shù)可以很大程度地節(jié)省勞動人員投入，提高生產(chǎn)效率。目前，該技術(shù)已經(jīng)在高鐵建設(shè)[8]、水庫測量[9]、高速公路應(yīng)急救援[10]等很多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。

本文利用電機(jī)DJI PHANTOM 4 RTK(大疆精靈4-RTK)無人機(jī)測量系統(tǒng)，高效、快速、低成本地實現(xiàn)云南省煙草煙葉有限公司楚雄復(fù)烤廠(南華)1∶500地形圖測繪及土石方量計算，同時與傳統(tǒng)RTK測量進(jìn)行比較，體現(xiàn)其相應(yīng)的優(yōu)勢。

1 無人機(jī)航攝系統(tǒng)

隨著我國測繪科技的發(fā)展，無人機(jī)，尤其是開放型民用無人機(jī)，更是轉(zhuǎn)眼間占領(lǐng)世界開放型民用無人機(jī)的大半壁江山，號稱世界科技硅谷的美國各領(lǐng)域也在使用我國生產(chǎn)的無人機(jī)。目前世界上無人機(jī)以提供能源的不同分為電機(jī)、油機(jī)、新能源機(jī)等。其中，新能源機(jī)技術(shù)最為先進(jìn)但造價成本高，不利于低成本項目的普及開發(fā)和利用；油機(jī)的航攝時間比電機(jī)長，但發(fā)動機(jī)噪音大、震動對航拍數(shù)據(jù)采集儀器有直接的影響；電機(jī)成本低，但航攝時間較短。

DJI PHANTOM 4 RTK無人機(jī)測量系統(tǒng)是微型多旋翼測繪無人機(jī)中實現(xiàn)五方位防撞系統(tǒng)比較成熟的飛行系統(tǒng)之一，屬于電機(jī)，其主要操控系統(tǒng)由飛行器系統(tǒng)、相機(jī)照相系統(tǒng)、遙控器操作系統(tǒng)、雷達(dá)感知系統(tǒng)等組成。其航攝系統(tǒng)飛行平臺主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 DJI PHANTOM 4 RTK無人機(jī)航攝

飛行器系統(tǒng)由1 個DJI PHANTOM 4 RTK無人機(jī)飛行器及相應(yīng)的配件組成。

航攝系統(tǒng)由1個云臺，1個禪 思 X2 相 機(jī)，1個Zenmuse X7 DL-S 16mm F2.8NDASPH鏡頭，1個IPAD 平板電腦等組成。

定位系統(tǒng)為D-RTK 2 高精度GNSS系統(tǒng)集成了GPS，GLONASS，BEIDOU，GALILEO的4系統(tǒng)11頻點高精度接收機(jī)；并組合了OcuSync 2.0， 4G， WiFi，LAN口等通信鏈路，形成通信的多功能及冗余備份；校準(zhǔn)操作方便，可以有效提高作業(yè)效率。

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)硬件為品牌 DELL T7770k 8核內(nèi)存32G單機(jī)工作電腦，數(shù)據(jù)處理軟件有 Pix4Dmapper 軟件、點云數(shù)據(jù)處理軟件 Geomagic studio2014、土方計算軟件南方 CASS 7.0 網(wǎng)絡(luò)版等。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

云南省煙草煙葉有限公司楚雄復(fù)烤廠位于云南省楚雄州南華縣，地理位置優(yōu)越。測區(qū)地勢較平坦，遮擋物少，地物主要多為已建廠房，形狀規(guī)則，占地面積 0.808 km2，高差10～20 m。需要測繪紅線范圍面積較大，而需要拆遷改造計算土石方工程量的范圍僅東北邊，約占測區(qū)1/3，如圖1所示。

圖1 工程范圍Fig.1 Scope of work

2.2 飛行航線規(guī)劃

利用DJI PHANTOM 4 RTK無人機(jī)測量技術(shù)，定制測區(qū)飛行計劃，地面拍照采用等距拍照方式，航向、旁向重疊度均為80% ，測區(qū)最高點高程 1 897 m，最低點高程 1 879 m，飛行高度設(shè)置 100 m，飛行時間大約 20 min，獲取影像823張，有效823張,規(guī)劃航線如圖2所示。

圖2 規(guī)劃航線Fig.2 Planned route

2.3 航空攝影測量

無人機(jī)因機(jī)身體積較小，重量較輕等特點，一般選擇非雷雨天氣、風(fēng)力較小的時間段進(jìn)行航飛任務(wù)。在整個航測過程中，應(yīng)嚴(yán)格監(jiān)控?zé)o人機(jī)的飛行軌跡、飛行高度、飛行速度、電池電量、RTK信號等狀態(tài)及相關(guān)參數(shù)，確保安全及數(shù)據(jù)可靠。

3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

3.1 數(shù)據(jù)處理流程

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。在外業(yè)航測數(shù)據(jù)傳輸時要保留原數(shù)據(jù)文件名；應(yīng)用正攝航空影像測量軟件+Pix4DMapper軟件加載空三照片處理；再設(shè)置好國家CGCS2000坐標(biāo)系統(tǒng)及橢球相關(guān)參數(shù)；通過加載相控點坐標(biāo)數(shù)據(jù)，建立基礎(chǔ)關(guān)聯(lián)校準(zhǔn)的位置關(guān)系后執(zhí)行第四階段即數(shù)據(jù)處理命令，形成快速處理報告，待運行完畢后形成校準(zhǔn)的相控參數(shù)精度檢查，對點位誤差較大的相控點需要進(jìn)行二次校準(zhǔn)后再進(jìn)行全部數(shù)據(jù)處理工作。

圖3 數(shù)據(jù)處理流程Fig.3 Data processing flow

3.2 影像數(shù)據(jù)處理過程

如圖4所示，利用Pix4Dmapper影像處理專業(yè)軟件對獲取的航片進(jìn)行處理，制作測區(qū)正射影像圖；同時，利用清華山維軟件生成三維空間數(shù)據(jù)提取點云坐標(biāo)數(shù)據(jù)，取舍合理特征點信息數(shù)據(jù)，直接處理影像圖矢量線畫圖成果，對點云及紋理修正后轉(zhuǎn)換成.cn格式文件，生成.dxf 格式文件，利用CASS軟件進(jìn)行下一步計算工作。

圖4 點云圖像處理Fig.4 Point cloud image processing

3.3 土石方量計算

影像數(shù)據(jù)處理完成后，用南方CASS軟件，將高程數(shù)據(jù)擴(kuò)展到軟件中，進(jìn)行土石方量計算。高程數(shù)據(jù)文件通過軟件中“高程點生成無編碼高程數(shù)據(jù)文件”生成，擴(kuò)展名為.dat，將其導(dǎo)入CASS軟件中，生成三角網(wǎng)數(shù)據(jù)文件。將第一期和第二期三角網(wǎng)數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入軟件，利用軟件“工程應(yīng)用”功能下的“方格網(wǎng)土方計算”計算土石方量，方格網(wǎng)的寬度按照系統(tǒng)默認(rèn) 20 m，計算得到測區(qū)挖方量為 6 333.5 m3，填方量為 56 316.9 m3。圖5為軟件計算結(jié)果。

圖5 CASS方格網(wǎng)土石方計算成果Fig.5 Calculation results of earthwork by grid method in CASS software

3.4 質(zhì)量檢查

質(zhì)量檢查是測繪成果質(zhì)量的重要保障環(huán)節(jié)和檢查措施，通過檢查相控數(shù)據(jù)處理所得的正射影像圖平面位置精度和高程精度，排除粗差和系統(tǒng)誤差外，保證數(shù)據(jù)圖紙質(zhì)量、滿足精度要求。平面位置精度，可以通過選取正射影像圖上的特征點進(jìn)行抽樣檢核，高程數(shù)據(jù)也可以通過特征區(qū)域高程點采用GPS-RTK或全站儀現(xiàn)場核實。當(dāng)GPS-RTK 或全站儀實測點位與航測圖的圖面點位達(dá)到規(guī)范要求，則驗收合格，否則認(rèn)定為不合格，需查找原因進(jìn)行重新測量。圖6為質(zhì)量檢查的部分內(nèi)容，圖7為機(jī)載校準(zhǔn)誤差。

圖6 質(zhì)量檢查Fig.6 Quality inspection

圖7 機(jī)載校準(zhǔn)誤差Fig.7 Airborne calibration error

4 與RTK測繪比較

4.1 成本比較

以完成上述工程項目 0.808 km2的外業(yè)數(shù)據(jù)采集為例，分別用大疆精靈4-RTK無人機(jī)與GPS-IRTK2進(jìn)行觀測，投入的時間及人力如表2所示。從表中可以看出，用無人機(jī)更經(jīng)濟(jì)，所用的時間也相對較短。

表2 成本比較Tab.2 Cost comparison

4.2 精度比較

在測區(qū)范圍內(nèi)隨機(jī)抽檢一些點進(jìn)行比較,對比結(jié)果如表3所示。大疆精靈4-RTK無人機(jī)與GPS-IRTK2數(shù)據(jù)在同一位置上坐標(biāo)數(shù)據(jù)差，在相控點布置合理、分布均勻的情況下，從平面位置上看無論無植區(qū)、淺草區(qū)、植茂區(qū)和建筑區(qū)均沒有較大差距；但高程數(shù)據(jù)卻有較大的差距，從表中可以看出，有 1 m、2 m 甚至 3 m 的誤差都是完全可能的。

表3 無人機(jī)測繪結(jié)果與GPS-RTK測繪結(jié)果質(zhì)量比較Tab.3 Quality comparison between UAV mapping results and GPS-RTK mapping results

4.3 土石方量計算結(jié)果比較

在測區(qū)范圍內(nèi)選擇一塊面積為 34 098.20 m2的區(qū)域，地面無植被和房屋，用GPS-IRTK2進(jìn)行土石方量的測繪與計算，與大疆精靈4-RTK無人機(jī)的測量結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果如表4所示。從表4可知，在同一范圍內(nèi)采用2種設(shè)備，在條件滿足的情況下達(dá)到相同或相近的測量結(jié)果。按本項目設(shè)計許可誤差±3‰計算，該區(qū)域的誤差許可值為±102.30 m3，2種方法測量的結(jié)果均滿足要求。

表4 土石方量計算結(jié)果比較Tab.4 Comparison of calculation results of earthwork volume

5 結(jié) 語

大疆精靈4-RTK無人機(jī)測量系統(tǒng)顯然比傳統(tǒng)測量方法省時省力，并且不用考慮信號遮擋、通視等問題，只要選擇合適的天氣、地面無植被和房屋的環(huán)境條件，就可以達(dá)到GPS-RTK和全站儀在地形測量、土石方工程量等方面的應(yīng)用精度。但它又有自身的缺點：三維立體測量精度和穩(wěn)定性有待進(jìn)一步提高、生產(chǎn)效益低、與其他中大型無人機(jī)比較空中飛行有效作業(yè)時間短等，使其使用受到限制。

在高原新建中小型廠礦區(qū)或空曠區(qū)域測繪1∶500地形圖，進(jìn)行土石方計算，采用大疆精靈4-RTK無人機(jī)作為測繪工具，節(jié)約了測繪工作成本，提高了工作效率，具有推廣價值；且在測繪質(zhì)量和精度方面，在無房屋建筑的植被較淺區(qū)和無植區(qū)完全可以代替RTK或全站儀進(jìn)行地形測量、土石方工程量測量；而在植被較厚區(qū)域和建筑物區(qū)域則需要RTK或全站儀進(jìn)行補(bǔ)測，以彌補(bǔ)無人機(jī)在精度上的不足。