低空無人機(jī)攝影測量在市政道路土石方量測量中的應(yīng)用

（中國市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅蘭州 730000）

傳統(tǒng)的土石方測量方法主要有全站儀測量法和GPS測量法。全站儀測量土石方操作較為簡單，但是對測繪區(qū)域通視條件要求較高，對于小范圍、通視條件好的區(qū)域應(yīng)用效果較好，但是對于大范圍、通視條件差的測區(qū)則效果較差，需要大量的時(shí)間和人力，實(shí)施煩瑣且誤差較大。GPS測量土石方是當(dāng)前應(yīng)用較多的技術(shù)手段，相比于全站儀，該方法不受通視條件的約束，并且測量速度和測量精度都比全站儀精度高，但在特殊的區(qū)域，由于樹木的遮擋、湖水的影響，GPS信號較弱的測區(qū)則測量精度較低，并且采用GPS測量方法開展大范圍的土石方測量人工成本較高。無人機(jī)低空航測作為測繪發(fā)展的新技術(shù)手段具有機(jī)動靈活、影像分辨率高、數(shù)據(jù)采集快、外業(yè)勞動少等特點(diǎn)，適用于道路工程，在工程勘測、設(shè)計(jì)、施工以及竣工驗(yàn)收等多個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)揮著獨(dú)特的優(yōu)勢[1]。EPC（Engineering Procurementand Construction）總承包模式是一種可轉(zhuǎn)移生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)的集成式交付模式，廣泛應(yīng)用在市政道路項(xiàng)目建設(shè)過程中，包括設(shè)計(jì)、采購、施工多個(gè)過程。為縮短工期，合理安排項(xiàng)目進(jìn)度，準(zhǔn)確計(jì)算工程量大小與費(fèi)用，通常需要高效、準(zhǔn)確地計(jì)算土石方量，選擇合適的測量方法十分重要。本文以蘭州中心城區(qū)定連片區(qū)經(jīng)十二路等十七條道路建設(shè)工程EPC總承包項(xiàng)目為試驗(yàn)對象，提出采用無人機(jī)技術(shù)對市政道路EPC項(xiàng)目進(jìn)行土石方量數(shù)據(jù)計(jì)算，提高EPC項(xiàng)目土石方測算工作效率。

1 無人機(jī)系統(tǒng)組成及特點(diǎn)

1.1 無人機(jī)攝影測量系統(tǒng)組成

無人機(jī)可分為固定翼和旋翼兩種類型，本文采用旋轉(zhuǎn)翼無人機(jī)進(jìn)行測量工作，該無人機(jī)系統(tǒng)主要包括飛行系統(tǒng)、航拍攝像系統(tǒng)以及地面控制系統(tǒng)三大部分。飛行系統(tǒng)由GPS、導(dǎo)航儀、小型IMU、動力系統(tǒng)等組成；航拍攝像系統(tǒng)通過攝影測量技術(shù)進(jìn)行遙感數(shù)據(jù)采集，自動獲取地表信息；地面控制系統(tǒng)主要通過配套軟件實(shí)現(xiàn)航線的規(guī)劃和數(shù)據(jù)的傳輸處理[2]。本文所使用的無人機(jī)是大疆精靈4RTK版，配備1英寸2 000萬像素CMOS，點(diǎn)云處理軟件為Pix4D。

1.2 無人機(jī)測量技術(shù)特點(diǎn)

（1）成本低。傳統(tǒng)測繪技術(shù)手段需要大量的人力從事外業(yè)勞動，無人機(jī)極大降低了外業(yè)強(qiáng)度，內(nèi)業(yè)可以完成大量的工作，極大的節(jié)約成本。（2）高分辨率。相比于衛(wèi)星遙感影像，無人機(jī)的獲取的航飛影像分辨率更高，并且有效避免云霧的遮擋，精度可達(dá)厘米級，分辨率較高。（3）響應(yīng)迅速。無人機(jī)具有靈活機(jī)動的特點(diǎn)，對于測量區(qū)域條件要求比較低，更容易方便快捷地開展測量工作。

2 無人機(jī)傾斜攝影測量土石方原理及方法

2.1 DTM土石方量計(jì)算

采用DTM模型來計(jì)算土石方量，主要是將測量獲取的目標(biāo)區(qū)域的坐標(biāo)點(diǎn)信息與設(shè)計(jì)的高程點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)系，建立目標(biāo)區(qū)域多個(gè)不規(guī)則的三角網(wǎng)，通過計(jì)算每個(gè)小三棱錐的體積得到小范圍挖填土石方量，累計(jì)則可計(jì)算目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的填方量和挖方量，并可根據(jù)坐標(biāo)點(diǎn)繪制挖填分界線。常用的土石方量算方法主要分為全填全挖和半填半挖式兩種情形[3]。

2.2 無人機(jī)傾斜攝影獲取土石方技術(shù)流程

傾斜攝影測量通過多視角采集影像，并通過傳感器記錄POS數(shù)據(jù)，配合控制點(diǎn)信息，實(shí)現(xiàn)正射影像、數(shù)字表面模型等成果的輸出。采用無人機(jī)傾斜攝影測量計(jì)算土石方量的過程主要分為兩個(gè)階段：一是外業(yè)高程測量；二是內(nèi)業(yè)土石方計(jì)算。外業(yè)過程采用CORS系統(tǒng)或GPS-RTK直接測設(shè)控制點(diǎn)，控制點(diǎn)需用醒目的顏色標(biāo)記，控制點(diǎn)數(shù)據(jù)與無人機(jī)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行絕對定向，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為地面坐標(biāo)系。在測區(qū)范圍內(nèi)布設(shè)15個(gè)靶向點(diǎn)，用全站儀測量靶向點(diǎn)高程，與點(diǎn)云坐標(biāo)對比，驗(yàn)證點(diǎn)云數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。內(nèi)業(yè)將點(diǎn)云坐標(biāo)直接導(dǎo)入南方CASS9.1軟件中，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測量坐標(biāo)文件，進(jìn)行土石方結(jié)算，主要技術(shù)流程：布設(shè)像控點(diǎn)→無人機(jī)航攝→絕對定向→Pix4D生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)→點(diǎn)云數(shù)據(jù)可靠性檢驗(yàn)→南方CASS計(jì)算土方量。

為驗(yàn)證無人機(jī)傾斜攝影測量獲取土石方量的準(zhǔn)確性，選擇小區(qū)域采用碎步測量的方法直接獲取實(shí)測點(diǎn)的三維坐標(biāo)，計(jì)算土石方量，并與無人機(jī)獲取的土石方量對比[4]。

3 工程應(yīng)用實(shí)例

以蘭州市新建道路項(xiàng)目蘭州中心城區(qū)定連片區(qū)經(jīng)十二路等十七條道路建設(shè)工程EPC總承包項(xiàng)目經(jīng)二路為主要研究對象。經(jīng)二路道路沿線存在大量梯田、山坡、水溝、房屋等，環(huán)境復(fù)雜，在使用全站儀等手持測量儀器時(shí)會造成極大的時(shí)間成本和風(fēng)險(xiǎn)成本。故采用低空小型無人機(jī)對經(jīng)二路、經(jīng)十八路、經(jīng)十一路進(jìn)行原始地貌信息采集、并使用南方CASS、Context Capture Center Master等軟件對采集的影像信息進(jìn)行分析，建立數(shù)字化實(shí)景模型，計(jì)算所需范圍內(nèi)土石方量。工程總體分布圖如圖1所示。

圖1 蘭州中心城區(qū)定連片區(qū)經(jīng)十二路等十七條道路建設(shè)工程EPC總承包項(xiàng)目道路路網(wǎng)圖

3.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

在試驗(yàn)測區(qū)均勻布設(shè)了14個(gè)平高點(diǎn)，確保測圖精度，根據(jù)《低空數(shù)字航空攝影測量外業(yè)規(guī)范》(CH/Z 3004—2010)中1∶500地形圖航測規(guī)范要求，布設(shè)無人機(jī)飛行航線，確定航飛高度為230 m，設(shè)置航向重疊度為75%，旁向重疊度為45%[5]。無人機(jī)采用大疆精靈4RTK版，配備1英寸2 000萬像素CMOS，按照設(shè)計(jì)航測參數(shù)，完成航測數(shù)據(jù)采集工作，航帶布設(shè)如圖2所示。

圖2 測區(qū)航帶布設(shè)

3.2 點(diǎn)云精度評定

為驗(yàn)證采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)的可靠性，在本次測量過程選擇小區(qū)域范圍進(jìn)行全站儀高程測量，具體測設(shè)要求為高程變化超過0.5 m進(jìn)行實(shí)測，高程變化未超過0.5 m，則距離上個(gè)測點(diǎn)10 m處增設(shè)測點(diǎn)。均勻選擇其中10個(gè)測點(diǎn)作為標(biāo)靶檢查點(diǎn)，將全站儀采集的標(biāo)靶點(diǎn)與點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行高程比較，如表1所示。

表1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)高程精度檢核 單位：m

從上表中可以看出點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取的高程坐標(biāo)與全站儀測量的高程坐標(biāo)差值在7 cm內(nèi)，對于土石方量的計(jì)算影響可忽略不計(jì)，表明點(diǎn)云數(shù)據(jù)具有一定的可靠性。

3.3 土石方量計(jì)算

將獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和全站儀測量數(shù)據(jù)分別導(dǎo)入CASS軟件中，與設(shè)計(jì)面的DTM進(jìn)行疊加，用5 m方格計(jì)算每個(gè)區(qū)域的開挖或回填體積，進(jìn)行累加計(jì)算，得到整個(gè)區(qū)域的土石方開挖量。采用無人機(jī)攝影測量獲得經(jīng)二路開挖土石方量為52 364.6 m3，全站儀測量獲得的挖土石方量為52 322.8 m3，差值為41.8 m3，差值率為0.008%（差值率=差值/全站儀獲取挖方量）。對比發(fā)現(xiàn)經(jīng)十八路、經(jīng)十一路開挖土方量的無人機(jī)攝影測量結(jié)果和全站儀測量結(jié)果差值率均小于0.009%

4 結(jié)語

采用無人機(jī)傾斜攝影測量獲取道路工程的挖填土石方量可行，與傳統(tǒng)的全站儀獲取土石方量差距較小。采用全站儀獲取試驗(yàn)區(qū)域測量數(shù)據(jù)共計(jì)用時(shí)12 人·d，采用無人機(jī)傾斜攝影測量外業(yè)工作測量共計(jì)用時(shí)2 人·d，極大地提高工作效率?？偨Y(jié)無人機(jī)傾斜攝影測量獲取土石方優(yōu)勢如下：（1）測量土石方精度滿足工程需求；（2）效率高，極大提高外業(yè)工作效率，特別是對于地形復(fù)雜區(qū)域土石方測量，采集數(shù)據(jù)優(yōu)勢較大；（3）可獲得附屬影像數(shù)據(jù)等附屬產(chǎn)品。