應用無人機系統對高速公路土石方的智能化計量1)

張珊珊 蘇義坤 蘇偉勝 何廷全

(東北林業(yè)大學，哈爾濱，150040) (廣西新發(fā)展交通集團有限公司) (廣西新恒通高速公路有限公司)

土石方計量是高速公路工程項目建設中的重要內容，在項目施工全過程中占據著重要地位，其計量的精準程度、效率、及時性對項目工程造價和項目進度管控等產生直接影響[1-2]。土石方工程，包括場地平整、挖(填)土石方等工作，計量作業(yè)量巨大，且以不同的形態(tài)發(fā)生于高速公路全線路中。傳統的土石方計量方法，一般利用全站儀、GPS、LiDAR等設備獲取地面控制點數據進行計算，這些傳統的測量方法，存在易受地形影響、作業(yè)時間長效率低、在地形復雜區(qū)域工作人員操作危險性高、獲取數據精度易受人為因素影響難以控制等問題[3]。因此，傳統土石方計量方法亟待改進。

隨著科技的發(fā)展，土石方計量方法也不斷地更新進步[4-8]。但現有研究仍停留在土石方計量方法理論、數據源采集技術的探索研究[9-10]，關于將土石方系統化、智能化計量的分析研究較少。本研究將無人機外業(yè)采集與內業(yè)數據處理進行一體化整合應用，提出了一種應用無人機系統的高速公路土石方智能化計量模式，形成將無人機傾斜攝影采集地面土石方數據、結合無人機數據處理軟件(Pix4Dmapper)建立土石方實景三維模型、利用三維模型生成數字高程模型并進行體積量測計算土石方量的智能化計量統一體系。該智能化計量方法能夠實現土石方量自動精準計算與結果可視化，達到高速公路土石方計量過程智能化，提高工作效率。

1 研究區(qū)概況

研究對象位于賀巴高速來賓至都安路段，本路段位于廣西中西部，路線由東向西，主線路全長134.037 km，具有局部地形復雜、坡度起伏較大、橋隧工程量較多等特點。選取BK55+320～BK55+410清淤換填標段，作為無人機飛行測區(qū)，測區(qū)面積大小和形態(tài)滿足測試要求。本研究選用大疆經緯M210 RTK V2多旋翼無人機作為飛行平臺，搭載5鏡頭高分辨傾斜相機進行同步影像數據采集，并利用中海達V6 GPS-RTK測量儀進行地面控制點數據采集。

2 研究方法

2.1 無人機系統智能化計量模式設計

高速公路土石方智能化計量，以智能、精準為目標，以簡化土石方計量工作外業(yè)任務、提高高速公路土石方計量效率、滿足施工人員對高速公路土石方計量工作的安全性為前提，運用現代化信息技術手段進行智能化計量模式設計(見圖1)。

圖1 智能化計量模式總體設計框架

由圖1可見：高速公路土石方工程智能化計量模式，主要從資源層、應用層、表現層三個方面分析設計。在資源層，將土石方施工任務、選取無人機型號、無人機操作環(huán)境信息、相關技術人員資料，統一置于智能信息平臺上，整合土石方計量相關任務數據信息，有效進行無人機飛行方案選取確定。在應用層，利用現代化信息技術對無人機航攝獲取的影像信息集成分析，并結合無人機數據處理軟件計量土石方量。通過信息網絡將獲得的成果數據存儲到表現層中的云端數據中心，實現土石方計量的過程智能化和結果數據可視化。

2.2 土石方三維實景模型建立

高速公路土石方工程發(fā)生在全路段，具有多形態(tài)的特點。利用無人機傾斜攝影技術，以無人機為飛行載體，搭載傾斜攝影5鏡頭相機同時拍攝，不同方向的傾斜攝像頭角度均為45°，可同時獲取地面土石方影像信息及方位信息[11]。在高速公路項目外業(yè)數據采集過程中，無人機在航測時，會通過GPS導航定位系統對每個圖像數據自動記錄相應的三維空間位置信息，并利用GPS動態(tài)測量(GPS-RTK)設備選取測量地面像控點。三維模型在生產過程中，使用無人機數據處理多功能三維建模軟件，高效自動智能地對傾斜影像進行預處理、區(qū)域網聯合平差、多視影像匹配、生成數字表面模型(DSM)、構建不規(guī)則三角網(TIN)、紋理映射等分析處理，最終生成土石方三維實景模型。

2.3 無人機傾斜攝影三維模型工作流程

應用無人機傾斜攝影技術對高速公路土石方工程實景三維模型的建立，主要分為兩個階段：外業(yè)數據采集、內業(yè)影像處理。其中，外業(yè)數據采集主要包括：

①確定任務區(qū)域。根據現場踏勘以及工程技術資料確定無人機飛行拍攝區(qū)域范圍，避免漏拍、錯拍。

②設置無人機飛行控制指標。在地面站上根據飛行區(qū)域地勢特征設計出飛行方案，包括飛行航線規(guī)劃、無人機飛行高度、拍攝旁向與航向重疊度、巡航速度、返航點位等技術指標，并調整相機角度對焦。

③數據源采集。根據制定的航攝方案進行無人機飛行作業(yè)，通過無人機傾斜攝影自動拍攝，獲取無人機影像數據和空間定位定向數據(POS)。無人機影像數據，是利用無人機搭載的多鏡頭傾斜相機拍攝的照片；空間定位定向數據即記錄無人機拍照點位的坐標位置與姿態(tài)。利用實時動態(tài)定位測量設備均勻布置地面像控點，其坐標信息同時作為數據源。

本研究主要利用無人機數據處理軟件對數據進行內業(yè)處理。關鍵技術主要包括：

①航片預處理。檢查獲取的影像中是否有不合格的相片，將拍攝無效的圖像進行剔除，按照數據處理軟件中數據導入要求，對拍攝獲得的數碼航片進行輻射分辨率調整以及航片勻色、降噪等處理，同時查看空間定位定向數據文件，若空間定位定向數據與影像數據中的相片號不一致，應及時作出調整，有利于提高數字正射影像圖(DOM)產品的質量。

②多視影像區(qū)域網聯合平差。多視影像包括垂直影像和傾斜影像，由于攝像鏡頭外方位及周圍環(huán)境因素的影響，可能出現遮擋和像片形變的情況，利用區(qū)域網聯合平差，處理傾斜攝影數據，能有效解決影像之間的遮擋以及幾何變形問題。結合上述得到的空間定位定向數據中多視影像外方位元素，按照金字塔匹配策略，對每一級影像中的同名點進行自動匹配和區(qū)域網聯合平差，可以得到較好的同名點匹配結果，這是后續(xù)的一系列攝影測量處理與應用的基礎。

③多視影像密集匹配。傾斜圖像的籠罩區(qū)域大、分辨率高，影像經過密集匹配處理，可以生成場景表面大量、稠密的三維點云，能夠完整全面地表達地物特征。但在密集匹配過程中，可能會產生大量冗余信息，如何快速準確地匹配到傾斜圖像的同名點坐標和獲取地物三維信息數據，是密集匹配環(huán)節(jié)中的關鍵。

④數字表面模型生成。通過多視影像密集匹配得到高密度點云數據，再由其構成不規(guī)則三角網，進而形成數字表面模型。該模型分辨率高，可以充分表達地形樣貌、地面起伏及地物特征。

⑤數字成果生成。在三維點云加密的基礎上，通過三維網格紋理重構，生成三維實景模型、對地形進行擬合生成數字地表模型、通過正投影糾正與影像拼接生成數字正射影像圖等數字成果。

具體無人機傾斜攝影三維建模流程見圖2。

圖2 無人機傾斜攝影三維建模工作流程

2.4 土石方智能化計量方法

土石方計算，是指設計標高與原始地形表面標高之間的體積差值計算。傳統的土石方計算方法，主要有方格網法、斷面法、等高線法等。這些方法存在易受地形影響、外業(yè)數據測量操作難度較高、工作量大等缺點[12-13]。與傳統計算方法相比，智能化計量是利用無人機和建模軟件構建生成數字表面模型，通過網絡傳輸至云平臺，對模型中非地面點高程進行改正，構建數字高程模型(DEM)，經過平臺對模型的云計算分析處理，自動計算出土石方工程量。該方法能夠更好地適應各種復雜地形環(huán)境和土石方測算形態(tài)，不受人為因素和環(huán)境因素影響，保證計算結果的準確性，并減輕工作人員工作量。

數字高程模型是用離散性的數字形式，將一組有序數值陣列形式表示地面高程的一種實體模型，以用來表達地形高低起伏特征狀態(tài)。可用數學表達式描述：Zi=f(Xi,Yi)，i=1、2、…、n。式中：Xi、Yi分別為離散變量，表示某點的平面坐標；Zi為該點處的高程。

本研究利用無人機傾斜攝影技術，結合無人機數據處理軟件影像處理，獲取三維點云數據生成數字高程模型，并構建不規(guī)則三角網。不規(guī)則三角網能夠高精度地描述地形細部特征，對于斜坡、陡坎、斷面等破碎地形描述更加精確，更加適用于地形復雜的高速公路建設項目。應用不規(guī)則三角網法計算土石方工程量，已知原始地表高程(記為Ht)、設計高程(記為Hd)。將原地表高程面與設計水平高程面進行疊加，即得到測算區(qū)域，利用三角形微分的方法將測算區(qū)域劃分若干個不同高度的三棱柱，所需計算的區(qū)域總體體積則是所有三棱柱體積之和。根據原始地表面和設計表面之間的關系，計算可以分為3種情況：

當設計表面完全在地形表面之上時，此時只進行填方(Vt)處理，計算公式為：Vf=S(H1-H2)，H1-H2<0。

當設計表面完全在地形表面之下時，此時只進行挖方(Vd)處理，計算公式為：Vd=S(H1-H2)，H1-H2>0。

當設計面與地表面相交時(見圖3(b))，地表面部分位于設計面之上，部分位于設計面下方，兩平面相交于直線EF，同時要做填方(Vt)和挖方(Vd)處理，計算公式為：Vd=S△C2EF×H3/3；Vt=S×H2-S×H1+Vd。

圖3 應用不規(guī)則三角網土石方體積計算

上述式中：H1為原地表平均高程；H2為設計高程；H3為點C1到平面A2B2C2的距離；S為△A0B0C0的面積。

根據無人機數據處理軟件構建的實景三維模型，獲得土石方地面點地理數字高程信息，應用三角形微分土石方計算原理，設計了一個土石方智能化計量系統(見圖4)。該系統能夠完成基礎數據的輸入輸出，實現從現有的實景三維模型中提取數字高程信息，通過輸入施工設計標高，利用不規(guī)則三角網法自動計算體積差值，自動完成挖(填)土石方量的計量，同時將計算成果保存并導出，實現高速公路土石方計量智能化、成果可視化。

圖4 土石方智能化計量系統設計方案

土石方智能化計量系統(初始界面見圖5)，主要使用C#語言，使用微軟NET框架(NET Framework)進行架構，將無人機數據處理軟件構建的實景三維模型數據，通過關系數據庫管理系統(SQL Server)數據庫技術進行存儲，利用不規(guī)則三角網法進行分析計算，并同步到云端進行備份。該系統設計多個實用性功能模塊，以滿足用戶需求，并優(yōu)化界面提供一個簡潔的設計窗口。

圖5 土石方智能化計量系統初始界面

為驗證土石方智能化計算的準確性及可用性，本研究利用GPS動態(tài)測量設備采用均勻采點的方式，采集地物點的高程值作為實際觀測值，并對地勢起伏較大區(qū)域加密采集。將應用無人機航攝建立數字高程模型上的同名地物點的高程值，作為無人機航攝測量真值。

中誤差是衡量觀測精度的一項重要指標[14]。其計算公式為：m=[∑(Δ)2/n]-1/2。式中：n為觀測點個數；Δ為觀測值與真值之間的差值；m為計算所得中誤差。依據上述公式，將GPS動態(tài)測量設備測量和無人機測量所得數據進行比較計算，利用中誤差的性質和標準評價此次測量高程精度。

2.5 數據采集與處理

本研究通過工作人員現場踏勘，并結合收集到的技術資料，根據無人機傾斜攝影工作流程確定了無人機飛行航測方案，考慮測區(qū)地理環(huán)境，無人機起降點選擇在地面較平坦位置，起降點上方無樹木、高壓線等遮擋物；天氣晴朗，風力一級，航攝時長15 min。主要參數：無人機型號——大疆經緯M210 RTK V2；相對行高30 m；航向重疊度不小于80%；旁向重疊度不小于80%；拍攝角度——傾斜相機傾斜45°，攝像頭朝前進方向；飛行速度2 m/s；拍照間隔2 s。

為了控制整個研究區(qū)的精度，根據實際地形地貌，每隔約100 m布設1個地面控制點(見圖6)，控制點之間的連接線盡量包含測試區(qū)域且上方無遮擋物，利用三角紅紙板作為航測地面控制點，用GPS-RTK移動站測量紅紙中心點坐標并記錄。并利用無人機傾斜攝影技術和GPS動態(tài)測量設備獲取的土石方地表空間定位定向數據，通過有限以太網或無線WiFi鏈傳輸到無人機數據處理軟件中，對獲取的土石方影像進行自動化處理，形成地理空間數據，生成數字正射影像圖、數字表面模型、三維點云與模型等數字成果。包括三維坐標和顏色信息，可用于提取構筑物尺寸及空間位置信息。用于目視判別地表情況，對工程土石方計算、測區(qū)堆體體積統計等與高程有關的地貌形態(tài)進行分析。

圖6 地面控制點分布圖

3 結果與分析

3.1 土石方智能化計量精度

通過無人機傾斜攝影技術拍攝清淤換填的原地面(清表后)、清淤后、回填后3個階段的地形圖像數據，結合無人機數據處理軟件(Pix4Dmapper)建立3個階段的實景三維模型(見圖7)，確定測量邊界線；通過無線網絡將模型傳輸至土石方智能化計量平臺，輸入設計標高數值，對其體積自動化計算；經計算可知，該測區(qū)清淤方量為9 219.85 m3、回填方量為8 315.555 m3。

圖7 數據處理軟件界面

為驗證土石方智能化計量的準確性，本研究通過GPS動態(tài)測量均勻采點的方式，采集地面數據點數據，并對地勢起伏較大區(qū)域加密采集；運用傳統方格網法計量土石方，復核計算測區(qū)場地的清淤方量和回填方量(見表1)。由表1可見：無人機系統智能化計量結果優(yōu)于GPS動態(tài)測量設備實測數據計量結果，清淤方量差值比為1.119%、回填方量差值比為0.995%，能夠滿足土石方計量的規(guī)范要求。

表1 2種方法清淤回填土石方的計量結果

3.2 檢查點高程數據獲取精度

將施工單位使用GPS動態(tài)測量設備測量清淤后地面48個點的實測高程值，與應用無人機系統生成的三維模型同名點高程值進行對比(見圖8、表2)。由表2可見，2種方法測量高程值，差值波動較小。其中39號點高程差值絕對值最大為46 mm，經計算得高程差值中誤差約為2.162 cm，基本滿足高速公路項目高程數據獲取精度要求。

表2 2種方法清淤后測量的高程值

4 結論

與傳統方法相比，利用無人機技術智能化計量，外業(yè)工作量少，可提高作業(yè)效率，有效保障在復雜地形危險區(qū)域測量人員的安全性。

本研究應用2種計量方法，清淤方量差值比為1.119%，回填方量差值比為0.995%，高程差值中誤差為2.162 cm，說明應用無人機技術建立三維模型的精度可靠。

應用無人機攝影技術建立實景三維模型，智能化計算土石方精度完全符合規(guī)范要求，值得行業(yè)推廣使用。