基于PPK 技術(shù)，無(wú)人機(jī)在土石方工程中的應(yīng)用

王立爭(zhēng) 朱厚琪 牛宗磊

（遼寧省交通高等?？茖W(xué)校，遼寧 沈陽(yáng) 110000）

土石方量計(jì)算是工程項(xiàng)目核心環(huán)節(jié)之一。為了能合理安排項(xiàng)目進(jìn)度，準(zhǔn)確計(jì)算工程量并節(jié)約費(fèi)用，通常需要高效、準(zhǔn)確地計(jì)算土石方量。因此選擇合適的測(cè)繪方法十分重要。

在二十世紀(jì)七八十年代，土石方的計(jì)算是有工程人員先在圖紙上剖面數(shù)據(jù)，在米格紙上畫好剖面圖，然后再依照剖面圖上計(jì)算的要求運(yùn)用求積儀或者其他的一些方法在剖面圖上求得面積，最后再計(jì)算出土石方量。但是這種工作程序相當(dāng)繁瑣，工作量大、精確度不高、消耗大量的時(shí)間。

隨著如今計(jì)算機(jī)技術(shù)和測(cè)量?jī)x器技的發(fā)展和完善，特別是基于AUTOCAD 二次開發(fā)的CASS、FASTIFT 等軟件的出現(xiàn)，不僅大縮短了計(jì)算的時(shí)間，而且得出的結(jié)果更加客觀、精確。土石方工程中測(cè)繪工作包含外業(yè)觀測(cè)和內(nèi)業(yè)的數(shù)據(jù)處理計(jì)算。計(jì)算機(jī)根據(jù)外業(yè)觀測(cè)數(shù)據(jù)選取一種特定的方法計(jì)算土石方。

無(wú)人機(jī)PPK 技術(shù)是無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)采集完畢后對(duì)其記載的數(shù)據(jù)與基站觀測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行事后差分解算從而獲取厘米級(jí)的精度。如果再利用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件對(duì)解算后的數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換進(jìn)而可得直接到地方坐標(biāo)系的成果，工作效率大大提高。

以DJIPHANTOM4RTK 無(wú)人機(jī)PPK 套裝為例，其體積小、重量輕，因此攜帶方便，能輕易進(jìn)入人不宜進(jìn)入的各種惡劣環(huán)境。在土木工程測(cè)量領(lǐng)域，以它自身優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用廣泛，在土石方計(jì)算中，它較傳統(tǒng)水準(zhǔn)儀、全站儀、GPS 等有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，人工的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量威脅生命安全，消耗人力、財(cái)力，受擾因素眾多。

1 工作流程

DJI PHANTOM 4 RTK 無(wú)人機(jī)土石方計(jì)算主要分為外業(yè)和內(nèi)業(yè)兩部分。外業(yè)通過(guò)布設(shè)些許像控點(diǎn)及采集坐標(biāo)、對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行規(guī)劃（也可在谷歌地圖中確定測(cè)區(qū)范圍，生成kml 文件）、Ubase 架設(shè)。內(nèi)業(yè)通過(guò)無(wú)人機(jī)土石數(shù)據(jù)處理軟件（PISHON E-view），導(dǎo)入外業(yè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行PPK 解算，得到POS 數(shù)據(jù)，第一次空三，刺像控點(diǎn)，第二次空三，建模，土石方計(jì)算。

2 數(shù)據(jù)采集

2.1 像控點(diǎn)布設(shè)及采集

像控點(diǎn)的密度和平面位置精度直接影響無(wú)人機(jī)PPK 技術(shù)工程土石方算量成果的挖填數(shù)據(jù)。因此，像控點(diǎn)布設(shè)要在整個(gè)測(cè)區(qū)均勻分布，選點(diǎn)要盡量選擇固定、平整、清晰易識(shí)別、無(wú)陰影、無(wú)遮擋區(qū)域。像控點(diǎn)需選擇較尖銳的標(biāo)志物，盡量選擇平坦的地方，避免樹下、房角等容易遮擋的地方。像控點(diǎn)需要與周邊的色彩形成鮮明的對(duì)比。像控點(diǎn)的布設(shè)還要考慮地形和精度的要求，如起伏大、地貌復(fù)雜，需增設(shè)像控點(diǎn)數(shù)量。采集像控點(diǎn)時(shí)可進(jìn)行多次平滑采集，采集其CGCS2000坐標(biāo)，用于影像位置的糾正和控制。像控點(diǎn)采集的精度直接影響土石方計(jì)算成果資料。

2.2 無(wú)人機(jī)的規(guī)劃

在進(jìn)行無(wú)人機(jī)的規(guī)劃中，要注重重疊率的設(shè)置，若重疊率過(guò)低會(huì)導(dǎo)致空中三角測(cè)量失敗；若重疊率過(guò)高會(huì)增加數(shù)據(jù)處理時(shí)間。飛行高度也會(huì)對(duì)建模成果造成影響，飛行高度若過(guò)高則會(huì)影響建模的清晰程度，飛行高度若過(guò)低則容易出現(xiàn)碰撞故障。故無(wú)人機(jī)規(guī)劃飛行時(shí)，飛行高度一般在100-120米之間，航向重疊率不大于80%，采集方式采用正射，旁向重疊率不大于80%，飛行速度不大于6m/s。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 建模流程

首先進(jìn)行后差分解算，運(yùn)用PISHONE-view 軟件進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)處理，進(jìn)行PPK 解算，得到POS 數(shù)據(jù)。PPK 解算完畢后，自動(dòng)跳轉(zhuǎn)空三建模界面，進(jìn)行自動(dòng)空三建模。模型建立成果后，通過(guò)已知范圍進(jìn)行土石方計(jì)算，得到土石方計(jì)算最終成果。

3.2 建模及土石方計(jì)算常見問題分析處理

三維實(shí)景模型建模軟件PISHON E-view 在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，出現(xiàn)很多問題，影響建模。

3.2.1 GNS 讀取失敗

在建模生產(chǎn)過(guò)程中，GNS 讀取失敗如圖1 所示。這種情形，非常影響建模時(shí)間，因?yàn)橹挥邪褦?shù)據(jù)全部導(dǎo)入之后才可發(fā)現(xiàn)，造成重復(fù)生產(chǎn)。

圖1

針對(duì)此問題，若是在UBase 讀取錯(cuò)誤信息情況下出現(xiàn)，我們要在UBase 中進(jìn)行正確修改，具體可見圖2 對(duì)比。

圖2

3.2.1.1 設(shè)置參數(shù)不正確

在進(jìn)行手鋪與UBase 連接時(shí)，差分接收數(shù)據(jù)鏈設(shè)置錯(cuò)誤，無(wú)法正常采集正確信息，使得無(wú)人機(jī)飛行時(shí)，UBase 收集照片坐標(biāo)不準(zhǔn)確。

3.2.1.2 UBase 發(fā)生位置移動(dòng)

無(wú)人機(jī)在空中飛行時(shí)，由于外界因素使UBase 產(chǎn)生了位置偏移，這樣使UBase 收集坐標(biāo)信息與空中無(wú)人機(jī)照片信息不匹配，使之產(chǎn)生錯(cuò)誤。

3.2.2 導(dǎo)入像控點(diǎn)時(shí)的偏差過(guò)大

在導(dǎo)入像控點(diǎn)后，像控點(diǎn)坐標(biāo)位置與實(shí)際測(cè)得像控點(diǎn)位置偏差過(guò)大，有時(shí)會(huì)偏移地面，使得建模產(chǎn)生變形。如圖3 所示。導(dǎo)入像控點(diǎn)時(shí)的偏差過(guò)大的原因有采集像控點(diǎn)時(shí)坐標(biāo)系統(tǒng)中參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤、采集時(shí)儀器桿還沒有居中就采集這兩種原因。

圖3

3.2.2.1 坐標(biāo)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤

若發(fā)現(xiàn)手簿中坐標(biāo)系統(tǒng)發(fā)生錯(cuò)誤，要及時(shí)改正，重新測(cè)取坐標(biāo)。常見坐標(biāo)系錯(cuò)誤有兩種：一種為中央子午線設(shè)置錯(cuò)誤，另一種能夠?yàn)樽鴺?biāo)系設(shè)置錯(cuò)誤。

3.2.2.2 采集時(shí)儀器桿沒有居中

針對(duì)此問題，要在采集時(shí)重點(diǎn)注意儀器桿水平氣泡，保證氣泡盡量集中。也可以采集平滑測(cè)量，進(jìn)行人為錯(cuò)誤產(chǎn)生的糾正。

3.2.3 刺點(diǎn)位置不精確

當(dāng)像控點(diǎn)刺點(diǎn)不正確時(shí)，直接影響建模時(shí)的準(zhǔn)確度，導(dǎo)致最終土石方量計(jì)算誤差過(guò)大，影響工程的進(jìn)一步進(jìn)行，如圖4 所示。

圖4

3.2.3.1 像控點(diǎn)布設(shè)符合要求，像控點(diǎn)標(biāo)志物尺寸應(yīng)大于70cm，并且不易出現(xiàn)方向錯(cuò)誤感，明顯現(xiàn)實(shí)是標(biāo)志物的哪一部分。

3.2.3.2 軟件操作刺點(diǎn)過(guò)程中，準(zhǔn)確找點(diǎn)位置，刺點(diǎn)照片數(shù)適量增加。

4 空三加密結(jié)果常見問題分析處理

4.1 地面不平

經(jīng)過(guò)照片刺點(diǎn)以及兩次空三之后，完成三維建模模塊。模型的地面有時(shí)會(huì)凹凸不平，和實(shí)際情況有嚴(yán)重的偏差。如圖5。

圖5

試驗(yàn)對(duì)比分析證明，影響建模因素主要原因?yàn)橄窨攸c(diǎn)位置不夠準(zhǔn)確，還有硬件配置、空三、瓦片劃分等因素。

（1）首先要檢查刺點(diǎn)位置，力求精準(zhǔn)。加密控制點(diǎn)刺點(diǎn)個(gè)數(shù)。

（2）采用瞰景Smart3D 實(shí)現(xiàn)了空三一遍過(guò)，空三只跑一遍大大減少了人力，以及減少了在空三上的工作時(shí)間。

（3）KML 范圍建模時(shí)可使用KML 范圍進(jìn)行約束，KML約束較為邊緣工整，無(wú)參差現(xiàn)象。在進(jìn)行規(guī)劃KML 范圍時(shí)應(yīng)減少延伸，延伸多會(huì)降低建模速度。

4.2 高程點(diǎn)密度不足

在進(jìn)行解算土石方量中，要和工程中還未開發(fā)前的一期高程以及工程完事之后的二期高程進(jìn)行計(jì)算，在計(jì)算時(shí)，非常容易出現(xiàn)高程點(diǎn)不足現(xiàn)象，導(dǎo)致無(wú)法進(jìn)行土石方計(jì)算，如圖6。

圖6

針對(duì)高程點(diǎn)不足的問題，通常按以下三個(gè)方面進(jìn)行修改（圖7-8）。

圖7

（1）一期高程不足。當(dāng)在提取一期高程數(shù)據(jù)時(shí)過(guò)于稀疏，無(wú)法和二期高程進(jìn)行解算，因此，要在提起一期高程點(diǎn)時(shí)盡可能間隔小，密度大。

（2）二期高程不足。當(dāng)在提取二期高程數(shù)據(jù)時(shí)過(guò)于稀疏，無(wú)法和一期高程進(jìn)行解算，因此，要在提起二期高程點(diǎn)時(shí)盡可能間隔小，密度大。

（3）提取一期、二期高程點(diǎn)時(shí)進(jìn)行高程點(diǎn)加密。在陡峭地方、位置相差過(guò)大的地方，高程點(diǎn)數(shù)據(jù)自動(dòng)提取過(guò)于稀疏，我們要進(jìn)行高程點(diǎn)加密，以滿足土石方量計(jì)算的進(jìn)行。

圖8

5 結(jié)論

在無(wú)人機(jī)PPK 土石方解算中運(yùn)用數(shù)字化測(cè)量新技術(shù)可通過(guò)對(duì)工程場(chǎng)地全方位進(jìn)行拍攝影像數(shù)據(jù)的采集，并能高精度、高效率獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，還能通過(guò)軟件技術(shù)生成三維實(shí)景模型，真實(shí)客觀的將地面地物以及地形變化反映出來(lái)。

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，在進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集時(shí)應(yīng)特別注意相片重疊度不宜過(guò)低，同時(shí)也應(yīng)注意像控點(diǎn)精度不宜過(guò)差，若沒有注意這些問題會(huì)給內(nèi)業(yè)帶來(lái)一些不必要的麻煩，外業(yè)也需要進(jìn)行補(bǔ)飛或復(fù)測(cè)像控點(diǎn)。

在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時(shí)也應(yīng)特別注意空三質(zhì)量是否合格，若不合格應(yīng)及時(shí)尋找問題并解決，空三質(zhì)量不合格會(huì)使得后續(xù)的工作都或多或少出現(xiàn)一些問題，這樣會(huì)增加成本，也會(huì)增加一些負(fù)擔(dān)。

DJI PHANTOM 4 RTK 無(wú)人機(jī)數(shù)字正射影像與三維影像采集，面對(duì)復(fù)雜地形也可以高效靈活完成測(cè)繪任務(wù)；應(yīng)注意的是在采集特征點(diǎn)時(shí)應(yīng)多角37 度旋轉(zhuǎn)，避免出現(xiàn)坐標(biāo)偏移。對(duì)與遮擋物較多的情況下不可強(qiáng)行采集特征點(diǎn)，這樣很容易造成特征點(diǎn)坐標(biāo)的偏移，對(duì)于遮擋物多的地形應(yīng)采取其他軟件進(jìn)行采集特征點(diǎn)。數(shù)字化測(cè)量新技術(shù)完全實(shí)現(xiàn)了土石方量計(jì)算的目標(biāo)，節(jié)約了大量人力，保證了測(cè)繪質(zhì)量，同時(shí)提高了其工作效率。