探討利用無人機航測技術測量土石方量的方法

孫彥花

探討利用無人機航測技術測量土石方量的方法

孫彥花

（山東省煤田地質局物探測量隊，山東 濟南 250104）

介紹如何運用無人機航攝測量技術快速獲取測區高程地形數據，并基于地形數據成果做土方量計算分析。土石方量計算是利用無人機獲取的測區數字高程模型數據DEM與設計的數據進行對比分析，計算出土石方的填挖方量。這種方法利用了無人機航測測量技術比較靈活、不受地形限制等優勢，對工程的實施有著重要的實際應用意義。該方法能同時獲取影像數據，從而更加精確地界定土石方的計算范圍，提高了計算結果的精確度。

無人機；航攝測量；土方量計算；DEM

1 引言

在城區規劃、房屋、大橋、水庫等新建時，必然會計算土石方量。因此，土石方量測量是許多工程中不可缺少的工作。傳統的工程土石方量測量方式包括全站儀測量、GPS測量等。全站儀測量方法操作簡單，適合通視條件比較好、范圍小的區域。GPS測量是目前測量土石方量的主要方法。采用GPS測量有自身的優勢，不需要搬站、不用考慮通視性等問題。但是，當測區地形特別復雜，例如有很多陡坎、荊棘、GPS信號不好時，采用此方法則不利于測量。因此，急需一種高效安全且比較經濟的測量方法。隨著科技的發展，無人機航測技術應用到了很多工程領域。其中，無人機航測技術利用新的搭載平臺能夠實時、高效地獲得地面的空間信息[1-2]，從而計算土石方量，對工程實施有著實際的推進性作用。

2 技術路線

項目實施基于對項目區域獲取高分辨率的航空影像數據，對測區內的地形進行先外業后內業的航測成圖方式。先收集控制點、地形數據、測區范圍等數據，然后利用航攝數據，在攝影測量系統中利用光束法平差對外業像控點進行加密，從而生成DOM和DEM數據，并對DEM數據進行編輯，最后利用軟件進行土方挖填計算分析，作業流程如圖1所示。

圖1 作業流程圖

2.1 數字攝影測量數據采集

2.1.1 無人機介紹

這次數據采集的無人機平臺采用FY-1型固定翼，無人機在數據采集時具有靈活機動、高危地區探測風險小等優點。FY-1無人機性能指標如表1所示。

表1 FY-1無人機性能指標

翼展2.60 m最高爬升6 000 m 機長2.1 m續航時間4.0 hr 最大升降速度6 m/s巡航速度最大10 m/s 巡航速度110～130 km/h轉速1 500～9 000 環境溫度﹣20～40 ℃抗風能力5級 降落方式傘降控制方式自動降落

2.1.2 攝影相機

航攝相機采用佳能5DS相機數碼航攝儀。相機焦距：35 mm；像幅大小：8688×5792 pixels；像元分辨率：4.14 μm；相機檢校參數如表2所示。

表2 相機檢校參數

項目參數 相機類型CanonEOS5DS_35.0_8688x5792 像幅8 688×5 792像素 像素大小4.14 um 最大有效像素2 110萬 快門速度1/8 000 s

2.2 像控點選擇及采集

像控點布設方案與測區要求的精度有關，同時還與測區復雜程度和采用的數據處理軟件有關。像控點布設應盡可能均勻分布于測區內。像控點應根據實際情況轉刺在影像清晰、目標明顯的目標點上，實地選擇的目標要小，而且影像清晰。

2.3 航攝數據采集

根據此次需要量算土石方量要求，參照航攝及測繪相關規范，完成數據采集工作，具體實施流程如圖2所示。

圖2 實施流程圖

根據現場情況，以及計算土石方量要求的精度，此次數字攝影數據采集按照1∶500地形圖航測規范要求實施。本次數據采集時設計航向重疊度60%，旁向重疊度40%。

2.4 航攝數據處理

INPHO為高精度、高效率、高速度的快速航測數據處理軟件。該軟件可以極大地加快對大尺度空間進行數字化的速度，有很多步驟可以采用分布式并行處理，大大提升了數據處理的速度。

在DSM數據生成后，利用DTMaster對DSM數據進行編輯，去除植被、房屋等數據，去除噪點，以獲取高精度的DEM數據，如圖3所示。

圖3 生成的DEM數據

2.5 土方量計算分析

DEM數據有多種表現形式。但是，土石方量計算是利用DEM生成的TIN進行擬合計算的。由于無人機搭載的非量測相機會造成影像畸變[3]，建模前需要利用正確的相機檢校文件對原始影像進行畸變差改正[4]。首先利用ArcGIS勾繪出填挖方量范圍，并將需要計算填方量范圍內數據導出，然后利用工具箱內Surface Volume工具計算填方量。

3 精度分析

此次項目精度分析采用對比法。利用編輯好的DEM數據計算測區的土石方量，與實測的土石方量進行對比。在對比過程中，先對比在測區內測的32個特征點水平及高程坐標，再對比兩種方法獲得土石方量。將其差值占實測填方量比值進行比較分析，結果顯示，采用無人機航測得到的土石方量精度可以滿足土石方量計算的一般工程測量規范要求，可用于工程項目土石方量計算。

4 結語

本次研究通過無人機航測技術進行土石方量的計算，速度快、精度高，完全滿足項目生產的需要，整體來看采用該方法有諸多優勢：①用無人機進行土石方量計算時不受通視條件的影響，在陡崖等環境復雜區域都可以使用，使用起來更加方便；②處理速度更快，以前需要幾周時間才能準確量算土石方量，現在從數據采集到數據處理幾天時間即可完成；③獲取多種類似數據，可以得到DOM和DSM數據，通過編輯可以得到DEM數據，不僅可以讓測區數據在二維環境下展示分析，而且可以在三維環境下進行展示分析。這樣能夠更加精確界定土石方的計算范圍，使計算結果更加 精準。

［1］李德仁，李明.無人機遙感系統的研究進展與應用前景［J］.武漢大學學報（信息科學版），2014，39（5）：505-513.

［2］尹杰，楊魁.基于無人機低空遙感系統的快速處理技術研究［J］.測繪通報，2011（12）：15-17.

［3］何敬，李永樹，魯恒，等.無人機影像的質量評定及幾何處理研究［J］.測繪通報，2010（4）：22-24.

［4］曹正響.基于PixelGrid軟件的無人機數據處理方法和技術探討［J］.測繪通報，2012（Suppl 1）：436-437.

2095－6835（2020）06－0146－02

TE822

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.06.059

孫彥花（1986—），女，碩士研究生，工程師，現從事測繪方面工作。

〔編輯：辛霞〕