基于無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的土方量測(cè)算研究
——以廣西某高校建筑工地為例

陳元洪，潘少煒，葛豪宇，黃 玲

1.武漢市勘察設(shè)計(jì)有限公司，湖北 武漢 430022

2.桂林理工大學(xué)測(cè)繪地理信息學(xué)院，廣西 桂林 541004

土方量的計(jì)算是道路、隧道、城市規(guī)劃等工程建設(shè)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，經(jīng)濟(jì)、高效的土方量測(cè)算方法能有效加快工程進(jìn)度，降低建設(shè)成本[1]。傳統(tǒng)的土方量測(cè)量方法有全站儀、RTK、手持激光掃描儀等，這些方法存在效率低、人工成本高、在復(fù)雜地形中危險(xiǎn)性大等局限性。隨著無人機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，基于無人機(jī)搭載相機(jī)組成的遙感平臺(tái)得到廣泛應(yīng)用，采用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)三維建模能夠獲得地面高精度三維模型及點(diǎn)云等數(shù)據(jù)，具有自動(dòng)化程度高、成本低和作業(yè)范圍廣等特點(diǎn)，為工程土方量的計(jì)算提供了穩(wěn)定、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)源[2]。

國(guó)內(nèi)有學(xué)者對(duì)方格網(wǎng)法、DTM 法、斷面法、DEM 法等土方量計(jì)算方法進(jìn)行了對(duì)比分析研究[3-6]。DTM 法精度較高，適用于地形起伏大的區(qū)域；方格網(wǎng)法在平坦區(qū)域精度高；斷面法適用于一些特定的工程，多用于帶狀區(qū)域。還有一些學(xué)者研究了基于GIS 軟件的DEM 法計(jì)算土方量[7]，發(fā)現(xiàn)其精度非常高，能夠滿足大部分工程的精度要求。不同的土方量計(jì)算方法適用于不同的地形地貌或特定的工程項(xiàng)目。目前，方格網(wǎng)法和DTM 法的土方量計(jì)算結(jié)果已被行業(yè)廣泛接受。

此次研究以廣西某高校建筑工地為研究對(duì)象，研究小組采用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量采集傾斜數(shù)字影像，構(gòu)建研究區(qū)的三維模型，提取高程點(diǎn)數(shù)據(jù)，計(jì)算出土方量結(jié)果，并與GNSS﹣RTK 測(cè)量法得到的土方量結(jié)果進(jìn)行精度對(duì)比分析，驗(yàn)證基于無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的土方量計(jì)算方法的準(zhǔn)確性。

1 無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)

傾斜攝影測(cè)量是攝影測(cè)量與低空遙感的結(jié)合體。無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是以無人機(jī)為平臺(tái)搭載相機(jī)多角度影像采集的技術(shù)，能夠同時(shí)獲取1 個(gè)垂直視角和4 個(gè)傾斜視角的影像，得到的高分辨率影像中含有豐富的紋理信息，使得構(gòu)建的三維模型更加逼真。三維模型不僅包含了地形和構(gòu)筑物的位置信息，還有高程、體積、面積和角度等信息。這些數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后可以得到數(shù)字線劃地圖、數(shù)字正射影像、數(shù)字表面模型、三維實(shí)景模型等豐富數(shù)據(jù)成果。無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量工作僅需要少量人工參與，數(shù)據(jù)采集過程幾乎全自動(dòng)化，所需人力物力成本低、效率高。

無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)數(shù)據(jù)處理流程通常包括影像預(yù)處理、多視影像聯(lián)合平差與密集匹配、三維建模等[8]。

（1）多視影像聯(lián)合平差。通過自檢校區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差的誤差方程解算出較高精度的平差結(jié)果。

（2）多視影像密集匹配。傾斜影像使地面上的物體幾何變形大、分辨率變化大[9]，因此，多視影像密集匹配技術(shù)的準(zhǔn)確性對(duì)空中三角測(cè)量質(zhì)量的影響極大。

（3）三維建模。利用多視影像密集匹配得到高精度、高密度的點(diǎn)云構(gòu)建出TIN 模型，生成基于傾斜影像紋理的高精度三維模型[10]。

2 研究區(qū)和數(shù)據(jù)獲取

2.1 測(cè)區(qū)概況

研究區(qū)為廣西某高校住宅區(qū)內(nèi)一處建筑工地，測(cè)區(qū)約8 000 m2，三面靠近圍墻，一面緊挨樹林，地處低緯，相對(duì)高差約8 m，除西側(cè)被樹木部分覆蓋，其余均露天無遮擋，適合開展此次土方量測(cè)算試驗(yàn)。

2.2 數(shù)據(jù)來源

2.2.1 無人機(jī)影像

此次研究基于無人機(jī)傾斜攝影采集影像332 張，采用的大疆精靈4 Pro 是四旋翼單鏡頭無人機(jī)，完全達(dá)到傾斜攝影采用五向飛行的條件。具體飛行方式：首先鏡頭朝下覆蓋全區(qū)域飛行1 遍；然后將相機(jī)鏡頭調(diào)整為傾斜角45°，分別從東往西、從西往東、從南往北、從北往南覆蓋全區(qū)域各飛行1 遍。無人機(jī)傾斜攝影參數(shù)如表1 所示。

2.2.2 GNSS_RTK 采集點(diǎn)

根據(jù)像控點(diǎn)測(cè)設(shè)要求和測(cè)區(qū)情況，此次研究均勻布設(shè)了9 個(gè)像控點(diǎn)，采用2000 國(guó)家大地坐標(biāo)系，高斯—克呂格投影3°分帶，中央經(jīng)線為111°；采用1985 國(guó)家高程基準(zhǔn)，利用GNSS﹣RTK 采集高程點(diǎn)。三維模型提取的高程點(diǎn)采用面提取，每間隔2 m 從三維模型中提取1 個(gè)高程點(diǎn)。

表1 無人機(jī)傾斜攝影參數(shù)表

2.3 數(shù)據(jù)處理方法

在獲取滿足質(zhì)量要求的航攝影像后，研究小組開始對(duì)獲取影像進(jìn)行處理。采用Context Capture Center 軟件對(duì)傾斜影像進(jìn)行空中三角測(cè)量計(jì)算和實(shí)景三維建模，再?gòu)牡玫降腛SGB三維模型數(shù)據(jù)中提取高程點(diǎn)數(shù)據(jù)，最后計(jì)算土方量。綜合考慮測(cè)區(qū)實(shí)際情況，研究小組在進(jìn)行方格網(wǎng)法和DTM 法土方量計(jì)算時(shí)均采用了2 m、5 m、10 m 的間隔，這樣不僅可以得到較高的精度，也便于成果質(zhì)量檢驗(yàn)和2 種外業(yè)采集方法的相互驗(yàn)證。此次研究的主要技術(shù)路線如圖1 所示。

圖1 技術(shù)流程圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和精度分析

3.1 GNSS-RTK 法測(cè)算土方量結(jié)果

GNSS﹣RTK 法測(cè)量的土方量結(jié)果如表2所示。

3.2 無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量法結(jié)果

無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的土方量結(jié)果匯總?cè)绫? 所示。

3.3 分析與評(píng)價(jià)

此次研究采用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量法和RNSS﹣RTK 法2 種方式測(cè)得土方量原始數(shù)據(jù)，再計(jì)算和比較土方量測(cè)量結(jié)果。此次研究設(shè)計(jì)的標(biāo)高為152 m，僅存在挖方，不存在填方量。成果統(tǒng)計(jì)如圖2、表4 所示。

表2 GNSS-RTK 法測(cè)量土方量結(jié)果匯總表

表3 無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量法測(cè)量土方量結(jié)果匯總表

圖2 土方量柱狀對(duì)比圖

由表2 可知，基于GNSS﹣RTK 法測(cè)量土方量的結(jié)果，方格網(wǎng)法和DTM 法在10 m 格網(wǎng)間隔上的差值最大，為1 672.6 m3；在2 m 格網(wǎng)間隔時(shí)最小，為39.5 m3。隨著格網(wǎng)的間隔不斷縮小，二者的差值在不斷接近，在2 m 格網(wǎng)間隔時(shí)幾乎趨于一致。由此可見，GNSS﹣RTK法得到的土方量結(jié)果是比較準(zhǔn)確的。

由表3 可知，無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量法土方量結(jié)果在格網(wǎng)間隔縮小時(shí)，方格網(wǎng)法和DTM 法計(jì)算結(jié)果逐漸縮小。在10 m 格網(wǎng)間隔時(shí)，方格網(wǎng)法和DTM 法的計(jì)算結(jié)果相差1 889.6 m3；在2 m 格網(wǎng)間隔時(shí)，僅相差82.9 m3。這與GNSS﹣RTK 法的測(cè)量結(jié)果基本一致，并且方格網(wǎng)法和DTM 法計(jì)算結(jié)果都趨于58 200 m3。

綜上所述，對(duì)于較為平坦的建筑工地來說，格網(wǎng)間隔大小的設(shè)置對(duì)于方格網(wǎng)法計(jì)算結(jié)果的影響較大；格網(wǎng)間隔在一定區(qū)間內(nèi)設(shè)置得越小，結(jié)果越好。但格網(wǎng)間隔大小對(duì)于DTM 法的影響較小，在選擇較大格網(wǎng)時(shí)也能保證較好的精度?？紤]到實(shí)際工程土方量挖填的時(shí)候，區(qū)域劃分的格網(wǎng)數(shù)量越少，挖填方的效率也越高，因此對(duì)于地勢(shì)起伏不大的建筑工地來說，DTM 法是較好的選擇。

從表4 可看出，基于GNSS﹣RTK 法和無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量方法的挖方量差值穩(wěn)定在2 000～2 400 m3，其相對(duì)誤差最小為3.9%，最大為4.1%，波動(dòng)較小，且數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)一致，精度較高，穩(wěn)定性強(qiáng)。相對(duì)來說，GNSS﹣RTK法的結(jié)果挖方量有少量的高估，這表明無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量法提取的高程數(shù)據(jù)存在高估現(xiàn)象。如果將測(cè)區(qū)視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的長(zhǎng)方體，由體積相差2 200 m3，降以底面積8 241.1 m2，可得平均高度差約為0.267 cm。也就是說，如果視GNSS﹣RTK 法測(cè)量的結(jié)果為真值，那么無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的平均高程約有0.267 cm 的高估。這種挖方量的少量高估，可能是某個(gè)區(qū)域高程的突變導(dǎo)致的。無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量法估測(cè)的高程數(shù)據(jù)存在高估現(xiàn)象，但總的土方量測(cè)量結(jié)果精度較高、效率高、可行性強(qiáng)，可以滿足大面積的工程土方量測(cè)算的要求。

表4 2 種方式土方量計(jì)算結(jié)果比較表

4 結(jié) 語

研究小組基于無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行土方量的測(cè)算研究，結(jié)合廣西某高校建筑工地案例來綜合分析驗(yàn)證。此次研究中采用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量方法與GNSS﹣RTK 法測(cè)量計(jì)算的土方量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，同時(shí)還分別驗(yàn)證了10 m、5 m、2 m 的格網(wǎng)間隔下對(duì)DTM法和方格網(wǎng)法結(jié)果的影響，得出了以下結(jié)論:

（1）隨著格網(wǎng)間隔距離的減少，DTM 法的總挖方結(jié)果變化不大，但方格網(wǎng)法總挖方結(jié)果明顯增大，逐漸趨于和DTM 法一致。在此次研究中，格網(wǎng)間隔對(duì)DTM 法的影響不大，格網(wǎng)間隔越小，方格網(wǎng)法結(jié)果越好，表明DTM法具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和穩(wěn)定性。

（2）無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量法和GNSS﹣RTK法的差值在2 000～2 400 m3之間，相對(duì)誤差穩(wěn)定在3.9%～4.1%之間，穩(wěn)定性強(qiáng)?；跓o人機(jī)傾斜攝影的土方測(cè)量方法是可行的，適合于大面積地區(qū)的土方量測(cè)量。

（3）各種工程地勢(shì)往往較為復(fù)雜，無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量法受拍攝角度的影響會(huì)存在地物相互遮擋的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致部分地物模型構(gòu)建失敗，影響土方量測(cè)算結(jié)果。下一步，應(yīng)綜合對(duì)比不同地形條件下土方量測(cè)算方法的優(yōu)缺點(diǎn)，再結(jié)合地面激光雷達(dá)掃描或手持拍照等方法，改善模型構(gòu)建效果，提高高程精度，實(shí)現(xiàn)更為精確、高效的工程土方量測(cè)算。