无人机航测技术在土方测量中的应用研究

摘要：无人机航测技术的发展，丰富了高精度地形地貌数据的获取手段，提升了数据质量和工作效率，也为土方精确测量开辟了新思路。本文结合无人机航测技术，提出了一种基于DTM快速计算土方测量的方法，为相关工作提供借鉴[1]。

关键词：无人机；土方测量

引言

土方测量和计算是工程建设中的重要环节，其计算效率与精度取决于地形测量点位的精度和密度。本文针对传统数据采集方式效率低、作业复杂等问题，对基于无人机倾斜摄影测量技术的土石方测算方法进行了研究。研究表明，该技术在外业数据采集效率及内业处理方面均有较大提升，土石方计算的精度能满足要求，验证了该技术在土石方测算中的适用性与可行性，为日后在土地平整规划、土方工程量快速测算中提供了一种有效途径[2]。

1概述

随着城市经济的发展，基建项目越来越多，在许多建筑工程的施工中，通常需要计算现场的土方填挖量。土方量计算的本质就是开方前的三维曲面与开方后的三维曲面之差，这里所指的三维曲面可以是自然地表面，也可以是设计表面。传统的土方测量方法一般是采用全站仪和GPS来获取数据，但是这种测量方法会受现场地形的复杂条件而受到阻碍和限制，尤其在荆棘杂草丛生的地方进行测量就比较困难，而且其精度也会随着地形的复杂程度增加而呈现明显下降的趋势。最近几年有些工程采用三维激光扫描仪进行土方数据的采集，虽然三维激光扫描仪在采集数据上有着密度大、精度高的优势，但是内业在每站的三维点云模型拼接上对人员要求较高，不同站的拼接融合误差就直接影响了成果数据的精度，另外，对于站点的架设也需要人员成本的投入。

2土方计算方法

2.1方格网法

方格网法是将计算区域划分成若干个正方形单元格网，然后计算每个格网交点位置原始地形和完工地形的高差，每个单元格网内的土石方工程量为四个交点位置的高差取平均值后乘以单个单元格网面积求得，最后汇总累加得到总填方量和总挖方量。从其计算原理上我们不难看出，方格网法的精度与方格网的宽度取值有关，理论上是，方格网宽度取值越小，计算精度越高。但是在实际应用中，我们还要根据计算区域的面积来设定方格网宽度取值。因为方格网的四角高程为附近高程内插而成，这种情况就会忽略考虑地形的特征性，所以这种方法使用于地表起伏不大的面状地形，对于地形复杂起伏较大的区域不适合。

2.2三角网法

三角网法是通过地形表面的三个不同坐标点构成一个三维的三角形，通过这些三维三角形来吻合实际地形的形状，这些不同的三维三角形就构成一个三维三角网，三维三角网就是反应地形的一个三维面，三维三角网与现状地形越吻合，其计算的精度就越高。它的计算原理就是采用开方前和开方后两期的三角网构成一个三棱柱和三棱锥，最后通过累加每个空间立体的体积而计算得到土方量。三角网法对于地形起伏变化大的情况适用，但是内业软件生产的三角网无法智能地吻合高低起伏的地形，这就需要人工修改三角网使之贴合现状地形，这个过程比较繁琐，需要作业员对现状地形非常熟悉。

3数据处理关键技术

3.1无人机飞行规划

精灵4RTK作为大疆一款“平民化”小型多旋翼高精度航测无人机，操作简单，起飞前只需进行简单机体安装。在航线规划时，应对测区进行充分踏勘，在保证飞行安全和数据精度的前提下，设定合适的飞行高度。起飞点选择在视野开阔、地面空旷的区域，避开地磁干扰和强电场区。飞行路径调节时，尽可能保证航线数少；同时适当调整方向，使航线两端与起飞点之间距离差尽可能小，便于无人机在低电量时调整返航点，提高无人机单架次的工作效率。在飞行过程中尽可能将遥控器天线对着飞行器的方向，并保证遥控器网络连接，避免遥控器断网和飞行器失联，导致数据测量精度降低，甚至引起飞行器失联返航。

3.2数据处理要求

精灵4RTK采集的航片，在EXIF中存储了相关坐标和姿态信息，坐标系与飞行任务设置需要保持一致。当需要转换坐标时，可通过大疆智图或编写程序，导出航片POS信息，进行转换后，再写入航片中，利用PIX4D进行空中三角测量。出现质量问题时，应调整参与计算的航片，适当添加联接点或删除存在偏差的航片。空三测量后，进行点云加密和分类操作，由于测区存在少许耕地和林地，造成点云未落在地面上，影响土方计算精度，针对这种情况，应参考实地测量植被高度，对点云进行分类降高处理。

3.3空三解算

结合记录的外方位元素，采取由粗到精的金字塔匹配策略，在每级影像上进行同名点自动匹配和自由网光束法平差，得到同名点匹配结果。同时建立连接点、连接线、控制点坐标、POS辅助数据的多视影像自检校区域网平差的误差方程，通过联合解算，保证平差结果的精度。

3.4成三维模型及密集点云数据

空中三角测量优化完毕，满足精度要求后进行多视影像密集匹配，在匹配过程中充分考虑冗余信息，快速准确地获取多视影像上的同名点坐标，进而获取地面的三维信息，生成三维点云数据及三维模型。

3.5点云数据分类

密集匹配生成的点云数据为地表点云，存在房屋、植被等非地面点，基于倾斜摄影处理技术构建的地形点云数据中含有漂浮物、植被和房屋等地物。在土方计算中，这些地物不在地形的表面，会影响到土方量计算。因此，需要将点云分类，植被、房屋等地表突出物踏平至地面，获取纯净的地形表面，提高土方量计算的精度。

结语

应用无人机开展土方精确测量工作，通过精度检测，保证整体技术参数符合相关规定要求，论证了无人机航测技术在土方测量项目中应用的可行性，可作为土方精确测量的一种有效手段。但因未在其他不同区域开展相关工作，是否能够应用此项技术全面解决土方测量工作，还有待验证[3-4]。

参考文献：

[1]张涛学．基于ArcGIS土方量计算系统的设计与实现[J]．建材发展导向，2017，15（12）：209－210．

[2]姜华．基于消费级无人机的1∶500地形图的制作[J]．测绘与空间地理信息，2020，43（6）：179－181．

[3]金伟，葛宏立，杜华强，等．无人机遥感发展与应用概况[J]．遥感信息，2009（1）：88－92．

[4]王蒙．倾斜摄影测量用于1∶500测图技术研究[J]．测绘与空间地理信息，2018，41（11）：181－184．