無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在土方量計(jì)算中的精度研究

姚鵬程

（甘肅智廣地質(zhì)工程勘察設(shè)計(jì)有限公司，甘肅 蘭州 730010）

0 引言

在高速公路、鐵路、管道、港口等大型建設(shè)項(xiàng)目中，土方工程占了總建設(shè)成本的很大一部分。以經(jīng)濟(jì)施工和成本節(jié)約，土方量必須盡可能準(zhǔn)確地計(jì)算。特別是在計(jì)算山脈、水庫(kù)、湖泊和海岸等不規(guī)則彎曲地形的面積和體積時(shí)，必須合理、系統(tǒng)地建立邊界方程的垂直假設(shè)。無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在土方量計(jì)算中的精度研究是當(dāng)前熱門的研究方向之一[1]。無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)是近年來(lái)快速發(fā)展起來(lái)的一種高新技術(shù)，在土方量計(jì)算中具有很大的潛力。通過(guò)搭載高精度傳感器和全球定位系統(tǒng)，無(wú)人機(jī)能夠快速獲取地面的空間數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地形的高精度測(cè)量。隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在土方量計(jì)算中的應(yīng)用將會(huì)進(jìn)一步拓展。同時(shí)，還存在一些需要解決的問題和挑戰(zhàn)，如無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的準(zhǔn)確性、數(shù)據(jù)處理的自動(dòng)化等。本研究有助于提高土方量計(jì)算的精度，為工程項(xiàng)目的規(guī)劃和設(shè)計(jì)提供科學(xué)的依據(jù)[2]。

1 傳統(tǒng)土方量計(jì)算的方法分析

傳統(tǒng)的土方量計(jì)算方法主要依賴于人工巡檢和手工測(cè)量，這種方法存在著效率低、準(zhǔn)確性不高、安全風(fēng)險(xiǎn)大等問題。此外，由于傳統(tǒng)方法只能在接近的情況下進(jìn)行測(cè)量，很難覆蓋整個(gè)結(jié)構(gòu)，無(wú)法全面了解橋梁的狀態(tài)和問題[3]。隨著科技的不斷發(fā)展，無(wú)人機(jī)逐漸被應(yīng)用到土方量計(jì)算中。無(wú)人機(jī)是通過(guò)空中平臺(tái)在特定高度和角度上獲取圖像資料的機(jī)器人。由于其靈活性和高效性，無(wú)人機(jī)正在被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于圖像采集，有助于提高建筑的安全性和運(yùn)行維護(hù)水平。無(wú)人機(jī)技術(shù)相比傳統(tǒng)的土方量計(jì)算方法具有提高計(jì)算效率、加強(qiáng)安全保障及降低成本的優(yōu)勢(shì)。

為了快速高效地采集圖像，我們使用大疆Mavic2 pro 無(wú)人機(jī)對(duì)土方進(jìn)行圖像采集。Mavic2 pro 搭載了一個(gè)2000 萬(wàn)像素的高精、高清影像采集系統(tǒng)，在計(jì)算任務(wù)中，大疆Mavic2 Pro 無(wú)人機(jī)的高空視角、輕便靈活的機(jī)身和高精度的影像采集系統(tǒng)可以提高效率。實(shí)際任務(wù)中，我們操作無(wú)人機(jī)沿著混凝土結(jié)構(gòu)，利用無(wú)人機(jī)的自動(dòng)測(cè)距技術(shù)，在整個(gè)過(guò)程中控制無(wú)人機(jī)保持固定的飛行距離，使攝像機(jī)鏡頭盡可能平行于混凝土表面[4]。使用的采集設(shè)備參數(shù)見表1。

表1 無(wú)人機(jī)參數(shù)

2 施工階段土方體積計(jì)算三維建模設(shè)計(jì)

2.1 施工階段土方體積計(jì)算技術(shù)

大型建筑工程填切土土方量的計(jì)算主要由運(yùn)輸、土、勘察工程師完成。由于土方工程占了總施工成本的很大一部分，高速公路、運(yùn)河、鐵路、大壩、管道的土方工程量應(yīng)盡可能準(zhǔn)確地計(jì)算，以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)施工和成本節(jié)約。在土木工程工作中，由于難以獲得土壤開挖場(chǎng)地，施工挫折的可能性很高。因此，進(jìn)行與真實(shí)地形一致的土方體積計(jì)算是一個(gè)關(guān)鍵的過(guò)程。如果施工場(chǎng)地位于地形形狀不直的不規(guī)則彎曲區(qū)域，如山地、水庫(kù)、湖泊或沿海區(qū)域，需要合理、系統(tǒng)地計(jì)算其面積和體積。在一般的土方體積計(jì)算方法中，將整個(gè)區(qū)域劃分為網(wǎng)格，并測(cè)量每個(gè)交叉點(diǎn)的高度。典型的土方體積計(jì)算方法包括截面法，主要用于公路、鐵路、河流等長(zhǎng)路線的施工和點(diǎn)高法，體積用平均面積乘以分區(qū)三角形和矩形計(jì)算大面積。土方量的計(jì)算采用平均端面積法，是一般建筑工程的代表性剖面法。為了檢驗(yàn)無(wú)人機(jī)在建筑現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用，我們分析了使用鏈和具有規(guī)劃平面圖的土方體積計(jì)算方法[5]。采用平均端面積法對(duì)鏈法進(jìn)行了土方體積分析，旨在分析該鏈法中土方量是否因鏈間距的不同而不同。通過(guò)根據(jù)直接鏈區(qū)間分析現(xiàn)場(chǎng)適用性，與現(xiàn)有方法有一定的區(qū)別。

2.2 施工階段無(wú)人機(jī)技術(shù)的研究

目前建筑領(lǐng)域的使用水平僅包括通過(guò)檢查無(wú)人機(jī)拍攝的圖像或通過(guò)數(shù)據(jù)后處理獲取所需信息來(lái)支持決策。這種基于攝影測(cè)量的數(shù)據(jù)后處理過(guò)程已經(jīng)變得普遍，很容易被任何人使用。韓國(guó)的上市公司，如韓國(guó)土地和住房公司、土地特別公司和韓國(guó)高速公路公司，已經(jīng)建立了無(wú)人機(jī)的引入和利用計(jì)劃，并正試圖將無(wú)人機(jī)圖像應(yīng)用到他們的工作中[6]。

對(duì)無(wú)人機(jī)在建筑中的使用情況的研究表明，它們主要用于通過(guò)攝像機(jī)收集信息。由于最近對(duì)相機(jī)性能的改進(jìn)，當(dāng)使用4K 或更高級(jí)別的相機(jī)時(shí)，在100 m的高度可以達(dá)到4 cm 的空間分辨率。一些專家試圖將無(wú)人機(jī)應(yīng)用于各種應(yīng)用，如建筑物變質(zhì)評(píng)估、天坑探測(cè)、土壤水分含量分析，以及使用熱成像攝像機(jī)、多光譜攝像機(jī)和激光雷達(dá)進(jìn)行斜坡管理。然而，在施工現(xiàn)場(chǎng)使用裝備昂貴設(shè)備的無(wú)人機(jī)給帶來(lái)很大的負(fù)擔(dān)。此外，在各種建筑工地的標(biāo)準(zhǔn)工作類型獲得的無(wú)人機(jī)圖像不能立即用于現(xiàn)有的工作過(guò)程。無(wú)人機(jī)圖像的缺點(diǎn)是需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行再處理、Pix4D 等應(yīng)用進(jìn)行后處理。

無(wú)人機(jī)的數(shù)據(jù)采集具有在短時(shí)間內(nèi)覆蓋大面積的優(yōu)點(diǎn)。在室內(nèi)空間控制無(wú)人機(jī)的技術(shù)也在開發(fā)中，預(yù)計(jì)安全快速通過(guò)狹窄和復(fù)雜的內(nèi)部空間的無(wú)人機(jī)將在未來(lái)商業(yè)化。然而，無(wú)人機(jī)在建筑工地最有效的應(yīng)用是地形測(cè)量，這適用于要求精度為1～2 cm 的工作類型。典型的工作類型的精度2 cm 或更高的可持續(xù)性的標(biāo)準(zhǔn)類型的工作，包括施工前狀態(tài)調(diào)查和障礙調(diào)查。如果在使用無(wú)人機(jī)施工前記錄數(shù)據(jù)，則可以提前識(shí)別出大規(guī)模狀態(tài)調(diào)查的不足部分，并可以解決問題。

3 基于無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的土方體積計(jì)算方法

3.1 創(chuàng)建三維模型和連接現(xiàn)場(chǎng)土方量數(shù)據(jù)

在現(xiàn)場(chǎng)使用的三維模型文件的可視化過(guò)程中，需要一種技術(shù)，通過(guò)將系統(tǒng)中生成的三維模型與通過(guò)無(wú)人機(jī)記錄的數(shù)據(jù)連接起來(lái)，來(lái)實(shí)現(xiàn)土方工程體積計(jì)算的可視化功能。作為一種數(shù)據(jù)可視化的鏈接方法，在Revit 程序中創(chuàng)建了一個(gè)與該領(lǐng)域中使用的坐標(biāo)系統(tǒng)重合的三維模型文件。已創(chuàng)建的Revit 程序文件已被轉(zhuǎn)換為一個(gè)可以在AutoCAD 中查看的繪圖文件（.dwg文件）。.dwg 文件最終被轉(zhuǎn)換為一個(gè).tif 文件，這是一種可以在可視化系統(tǒng)中查看的文件格式。

一般來(lái)說(shuō)，通過(guò)無(wú)人機(jī)的三維模型是通過(guò)無(wú)人機(jī)飛行收集的正坐標(biāo)創(chuàng)建的。當(dāng)無(wú)人機(jī)飛行進(jìn)行坐標(biāo)識(shí)別時(shí)，也可以建立應(yīng)用于本研究的三維模型。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)用兩張或兩張以上的照片拍攝具有冗余性的物體時(shí)，即使該信息沒有該物體的坐標(biāo)信息，所拍攝的信息也可以識(shí)別該物體的三維坐標(biāo)。根據(jù)這一原理，當(dāng)使用無(wú)人機(jī)拍攝地面時(shí)，可以通過(guò)解釋多個(gè)疊加點(diǎn)來(lái)產(chǎn)生具有三維坐標(biāo)的地形信息。此外，通過(guò)將兩種模型疊加和可視化，通過(guò)計(jì)算兩種模型之間的體積，可以定量分析進(jìn)展。由于提供了三維模型和鏈接信息，在設(shè)計(jì)模型中形成各層內(nèi)部對(duì)象后，只選擇用戶所需的對(duì)象就可以激活或停用可視化功能。此外，還實(shí)現(xiàn)了一個(gè)功能，當(dāng)僅應(yīng)用用戶所需要的層時(shí)，可以單獨(dú)計(jì)算土方切割和填充量。通過(guò)疊加和可視化當(dāng)前水平和設(shè)計(jì)水平，可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)快速顯示現(xiàn)場(chǎng)土方切割和填充部分的功能。在這個(gè)圖中，設(shè)計(jì)水平用紅色表示，使用無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量法創(chuàng)建的三維模型用綠色表示。因此，數(shù)據(jù)可視化的實(shí)現(xiàn)方式很容易看到在每個(gè)施工部分中需要土方切割或填充的部分。

3.2 基于平均端面積法的土方量計(jì)算方法

圖1 使用無(wú)人機(jī)的可視化三維模型

土方體積計(jì)算提取規(guī)劃平面圖的每個(gè)鏈截面后，每個(gè)截面采用平均端面積法計(jì)算相應(yīng)規(guī)劃平面圖的體積。采用平均端面積法，通過(guò)每個(gè)橫截面生成的鏈來(lái)比較和驗(yàn)證土方工程的體積。對(duì)于平均端面積法，采用基于目標(biāo)截面體積和截面間距離的適當(dāng)土方體積計(jì)算公式。在平均端面積法中，如果確定土方體積的目標(biāo)區(qū)兩個(gè)截面面積為A1和A2，兩者之間的距離為e，最終土方體積V為：

利用該計(jì)算方法并利用無(wú)人機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)攝影測(cè)量方法建立了三維模型，并利用三維模型建立了DSM。DSM 與場(chǎng)地面積一致進(jìn)行切割，從頂部以固定間隔生成鏈和截面。生成鏈和橫截面的間隔分別設(shè)置為20 m、10 m 和5 m，每個(gè)鏈的起始點(diǎn)和終點(diǎn)在DSM 上表示。

3.3 采用DSM 方法計(jì)算土方體積

該計(jì)算方法的基本原理是利用場(chǎng)地地形的海拔高度的差異來(lái)確定土方工程體積的差異。如果在兩個(gè)比較日期之間的較早日期的當(dāng)前水平低于較晚日期的當(dāng)前水平，則該站點(diǎn)被認(rèn)為是一個(gè)填方站點(diǎn)，并添加到土填方量中。然后，估計(jì)了這兩個(gè)日期之間的體積變化。DSM 用于測(cè)量三維模型中的體積。當(dāng)用戶選擇地形邊緣測(cè)量DSM 中的體積為點(diǎn)時(shí)，根據(jù)所選的點(diǎn)序列生成一個(gè)多邊形，可以計(jì)算出多邊形地形的體積。體積是通過(guò)使用所選多邊形的三角測(cè)量計(jì)算的。三角剖分可以從沃羅諾伊圖中得到，它是將一個(gè)平面劃分為最接近給定點(diǎn)的點(diǎn)集。當(dāng)圖中所包含的點(diǎn)被連接時(shí)，可以得到一個(gè)三角形。由三角剖分生成的三角形具有三角形的周圓不包含其他三角形的任何頂點(diǎn)的特征。因此，由于該方法有利于從點(diǎn)創(chuàng)建平面，因此將其應(yīng)用于估計(jì)三維模型體積的技術(shù)中。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在土方量計(jì)算中精度的研究，探討了其應(yīng)用前景和優(yōu)勢(shì)。無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在土方量計(jì)算中具有較高的精度和準(zhǔn)確性，并能夠提高工作效率和降低成本。然而，仍需進(jìn)一步改進(jìn)無(wú)人機(jī)設(shè)備的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)處理方法，完善數(shù)據(jù)質(zhì)量控制體系。希望本研究能為無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在土方量計(jì)算中的應(yīng)用提供一定的參考和指導(dǎo)。