基于實景三維模型的公路土石方計算方法

中圖分類號：U416.1*1 文獻標識碼：ADOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.01.007

文章編號：1673-4874（2025）01-0024-05

0 引言

在公路工程項目建設中，土石方量的測量和計算是關系到工程進度和計量的重要而復雜的環(huán)節(jié)，能否選擇一種合適的測量方法，對于公路土石方測量的有效開展就顯得尤為重要。水準儀測量法、全站儀測量法和RTK測量法是三種常見的傳統(tǒng)土石方測量方法1，但這些傳統(tǒng)測量方法受環(huán)境條件影響較大，測量效率不高，而采用無人機航測技術生成實景三維模型的方法則為公路土石方測量和計算另辟徑[2]。無人機航測作為一門新興的技術，具有靈活性強、受地形條件限制小、作業(yè)效率高等特點，已經(jīng)在房建項目施工過程測量、收方驗方等環(huán)節(jié)中成功應用[3-4]。許多國內外學者已開始嘗試將這項技術應用于公路工程土石方量測量。該技術的優(yōu)點在于，受場地條件限制小且相對經(jīng)濟實惠。在土石方量的計量管理方面，由于減少了現(xiàn)場作業(yè)人員的數(shù)量及頻率，可以有效降低人員成本，同時顯著提升了測量人員的安全水平[5。本文重點研究基于無人機攝影測量的實景三維模型的構建，以及與工程矢量數(shù)據(jù)結合，以橫斷面法計算得到公路工程路基土石方量的方法，為加強公路工程項目建設過程的計量管理提供一種行之有效的方法。

1實施技術路線

基于實景三維的公路土石方計算關鍵是獲得高精度實景三維模型，并與設計數(shù)據(jù)結合提取到所需的橫斷面線。其通過無人機傾斜攝影方法采集原始影像數(shù)據(jù)，根據(jù)現(xiàn)場已知控制點的坐標值，求得轉換參數(shù)用于將無人機采集到的數(shù)據(jù)坐標信息轉換為與工程項目一致的坐標，再根據(jù)轉換后的數(shù)據(jù)建立高精度實景三維模型。采用機器學習清除三維實景模型中的雜物，得到優(yōu)化后的三維實景模型，與道路中心線等矢量數(shù)據(jù)結合，提取所需的橫斷面線，與設計橫斷面套合計算得到所需的土石方量。

1.1影像數(shù)據(jù)采集

使用精靈4RTK等自帶高精度定位功能，能實時獲取高精度位置信息的無人機，采集現(xiàn)場影像數(shù)據(jù)。在開始作業(yè)前，先觀察測區(qū)范圍及周邊的地形情況，選擇相對空曠、平整、周邊無高壓線等信號干擾源的區(qū)域為無人機起降點明，在地面站軟件中繪制測區(qū)并規(guī)劃好飛行航線本文所述方法對模型精度要求為1：500，故設置飛行高度為100m 左右，設置航向重疊率為 70%～80%，設置旁向重疊率為 60%～70%，設定云臺的俯仰角為45°～60°根據(jù)地形情況設置返航高度，確保在返航過程中不會與障礙物碰撞。參數(shù)設置完畢后上傳任務，無人機自主飛行，采集規(guī)劃區(qū)域內的地形數(shù)據(jù)。

1.2坐標轉換

施工項目多用的是地方2000坐標系，高程用的是1985黃海高程，而無人機采集影像數(shù)據(jù)為國家CGCS2000坐標和大地高。將采集到的數(shù)據(jù)坐標系轉換為項目所用坐標系：在測區(qū)四周獲取多組控制點的國家2000坐標和大地高；基于項目提供的對應點的地方2000坐標和1985高的數(shù)據(jù)，采用布爾沙模型計算源坐標系與目標坐標系之間的轉換參數(shù)？，實現(xiàn)影像數(shù)據(jù)的坐標轉換，轉換公式如式（1）所示。

1.3建立實景三維模型

將采集到的影像數(shù)據(jù)預處理后導入實景三維建模軟件中，進行像控點刺點及參數(shù)設置后，軟件自動進行空三計算及模型構建，生成三維模型后，基于現(xiàn)場布設的檢查點校核模型精度，滿足條件后導出實景三維模型。實景三維模型構建流程如圖1所示。

1.4AI智能清表

針對施工現(xiàn)場三維模型中存在的植被、施工器械等，利用基于深度學習的目標檢測和語義分割技術，對植被、施工器械等數(shù)據(jù)進行智能分類、提取及清除，實現(xiàn)地表算量影響因素的智能化清除。

（1）收集存在植被和施工器械的影像數(shù)據(jù)，然后通過空間數(shù)據(jù)關聯(lián)計算技術，將模型分類結果完整地映射到影像數(shù)據(jù)之中，得到影像樣本集。

（2）對樣本集進行訓練，得到具備相關網(wǎng)絡參數(shù)的模型庫，實現(xiàn)實景三維特征的自動提取及分類[8]。

（3）刪除提取的植被和施工機械等雜物，生成存在孔洞的三維實景網(wǎng)絡模型。

（4）采用徑向基函數(shù)方法對所述孔洞進行補洞9，實現(xiàn)三維實景網(wǎng)絡模型的地表重建，得到優(yōu)化后的三維實景模型[1。實景三維清表流程如圖2所示。

1.5方量計算

將坐標轉換和智能清表后的模型，與施工紅線、道路中心線等數(shù)據(jù)融合，基于道路中心線等矢量數(shù)據(jù)，對模型進行剖切提取橫斷面線，并將其與設計橫斷面數(shù)據(jù)相匹配，使用橫斷面法進行計算，最終得到土石方的準確量。

1.5.1三維模型剖切

根據(jù)設計道路中心線定位到需要提取橫斷面線的位置，然后計算出橫斷面線在模型上的坐標值，并進一步得到橫斷面線上的三角面片坐標值，然后使用基于八叉樹的區(qū)域查找算法進行模型剖切[11?；诎瞬鏄涞膮^(qū)域查找算法流程如圖3所示。

1.5.2生成橫斷面

通過設置剖切精度和剖切間隔等參數(shù)剖切計算生成橫斷面線后，根據(jù)橫斷面線所對應的里程樁號找到對應設計橫斷面，以路基設計中心線（即中樁點）處高程為對照點，將剖切生成的橫斷面線套合到設計橫斷面上，得到橫斷面圖。

1.5.3土石方量計算

根據(jù)公路工程標準工程量清單計量規(guī)則，路基土石方量的計算通常采用橫斷面法。已施工部分面積為模型提取的橫斷面線、原地面線及設計橫斷面線三者圍成的面積值，計算得到每個橫斷面的填挖方面積后，根據(jù)里程文件得到各橫斷面間的距離，相鄰斷面平均面積與斷面間距相乘得到填挖方量。

2 應用案例

2.1項目概況

武忻高速公路六分部起點為 ，終點為K100+320 ，路線經(jīng)過合山市嶺南鎮(zhèn)、忻城縣果遂鎮(zhèn)，全長為 14.46k m（ 包括長鏈段 。主要工程內容為：路基挖方 ，填方 ，主線橋梁6座/3.83km，隧道3.5座/4. 893k m ，橋隧比為 61.7% 。

2.2 精度驗證

選定該項目右幅 Y1lt;94+800-Y1lt;94+900 段為路基土石方驗證段，分別使用傳統(tǒng)方法和本文提出的方法進行數(shù)據(jù)采集和計算，獲得兩組計算結果，然后進行對比，以驗證本文提出的土石方計算方法更符合精度要求。

2.2.1傳統(tǒng)土石方計算方法

（1）用GNSS接收機按 一個橫斷面，測出每一 個橫斷面上變坡點的偏距和高程，橫斷面變坡點測量值 見表1。

（2）在設計橫斷面上，根據(jù)測量點的橫偏和測量 H 值，以對應里程樁號的設計橫斷面線和道路中心線交點為基準，畫出項目實測橫斷面如圖4所示。

（3）當期地面線與設計橫斷面線和道路中心線的交點，即為本期土石方計算面積，測量得到每個橫斷面的相應面積，然后使用橫斷面法進行計算，從而得出土石方的量。

2.2.2本文所述方法

（1）在現(xiàn)場采集3個以上已知點國家2000坐標值，如表2所示。通過計算得到轉換參數(shù)為 -265. 030 465 681 381 77， 216 969. 636439031 92， 438.608 168 240 171， -78. 470 082 982 893 98， -8. 625 836 011 752 43， 544 366 902 135 714， 625.285 188 3587578。

（2）根據(jù)所測范圍，用無人機規(guī)劃航跡采集影像數(shù)據(jù)，提取影像中的位置信息，通過求解得到的轉換參數(shù)轉換為當前坐標系下的位置信息，導入DP-Smart軟件建立實景三維模型，然后對施工范圍內少量植被、施工器械及臨建設施進行智能清除，得到最后用于提取橫斷面線的實景三維模型（如圖5所示）。

（3）將施工紅線和道路中心線等矢量數(shù)據(jù)與實景三維模型套合，以施工紅線為橫向邊界，以設置的起止樁號為縱向邊界，以道路中心線上的樁號示意線為各樁號橫斷面線提取位置，提取計算邊界內的橫斷面線；然后根據(jù)樁號和中心點高程逐一套合到相應橫斷面上，獲得每個橫斷面面積（如圖6所示）；最后通過橫斷面法計算得到土石方量。

2.2.3兩種方法計算結果對比

兩種方法計算結果對比如表3所示。采用傳統(tǒng)方式計算的結果為 ，本文方法計算結果為 ，兩者偏差約為 0.3% ，可見本文方法精度與傳統(tǒng)方法基本一致，滿足項目收方精度要求。

2.3全線土石方量計算

使用本文方法對項目全線進行土石方量計算。項目全長13. 52k m ，全線路基段數(shù)據(jù)采集耗時約4h，數(shù)據(jù)處理耗時約 6h，得到計算結果如表4所示。由表4可知，填方量為 ，挖方量為26 。

2.4 效率分析

經(jīng)在 試驗段測試，得到傳統(tǒng)GNSS測量方式和無人機測量方式的計算效率對比情況如表5所示。由表5可知，在小范圍土石方量計算時，無人機測量方式效率上不占優(yōu)勢，但隨著土石方量計算范圍越大，無人機測量方式的優(yōu)勢越明顯。本案例中，對全線進行土石方量計算時，無人機測量較GNSS測量效率提升了8倍，而在高邊坡和大體積石頭山等地形復雜區(qū)域，由于人工測量難度大，不受地形條件限制的無人機測量方式的優(yōu)勢更為明顯。

3結語

本文方法經(jīng)在項目試驗驗證，其精度與傳統(tǒng)GNSS測量方式偏差約為 0.3% ，滿足項目土石方量測算要求。從效率方面來說，在大范圍及地形復雜測量場景下，無人機測量方式效率提升明顯。本文案例中，無人機測量方式較GNSS測量方式效率提升了8倍，且測量范圍越大、地形環(huán)境越復雜，無人機測量方式的優(yōu)勢越明顯。同時，土石方計算數(shù)據(jù)三維可視化留底，可重復量測驗證，有效減少與勞務隊伍的糾紛，減少潛在經(jīng)濟損失，并提升管理透明度。綜上，本文方法應用于路基土石方量測算，在保證精度的同時，效率方面有較大提升，為加強土石方計量管理提供了有效的數(shù)據(jù)支撐。

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