無人機傾斜攝影技術在土方測量中的應用

韓 健

（廣州機施建設集團有限公司，廣東 廣州 510700）

工程地理信息采集是一門既古老又現代的技術，從腳步丈量到測繩、直尺，從光學儀器到電子儀器，從航空遙感到衛星測繪，測量的范圍越來越大，測量的精度也越來越高，可以說每一次測量工具的改進都是地理信息采集的一次革命。在一般的房建和市政工程中，傳統的地理信息測量方法有水準儀測量法、全站儀測量法和GPS 測量法。這些傳統方法容易受場地條件限制而導致無法全面測量，且這些方法戶外作業工作量大，數據處理過程冗長復雜，人力成本高，因此無法高頻次地復測。對于一些分期、分階段進行施工的項目，經常需要進行場內土方轉運、堆放和整理，往往這個時候原始的地形數據已經不適用于指導現場施工，因此亟待尋求一種高效、安全且經濟的土方測量方法。

文章以廣州某保障房項目為背景，通過利用無人機傾斜攝影技術對項目工程地理信息進行采集，生成項目的場地數字表面模型（DSM），用于解決項目的場地平整標高測算及土方開挖工程量測算問題。測量作業主要流程如下：測區踏勘及航測數據采集、航測數據處理、DSM 制作、擬建建筑的外形特征點定位、地形數據分析和土石方量計算分析等。

1 傾斜攝影數據采集方法

本項目的場地數字表面模型主要通過Bentley 旗下的ContextCapture 軟件進行生成，數據采集采用大疆Phantom 4 Pro V2.0 無人機。ContextCapture 軟件能利用照片、視頻等數據源進行DSM 模型的建立，并能根據其他輔助數據如傳感器屬性（焦距、傳感器尺寸、主點）、照片的位置參數（GPS）、照片姿態參數（INS）、控制點等來提高模型精度。根據軟件使用手冊中的要求，采集的照片縱向重疊率不低于80%，橫向重疊率不低于50%。為滿足數據采集要求，我們以“之”字形及環形進行無人機飛行線路規劃，其飛行線路規劃如圖1 所示。

根據無人機的鏡頭參數，通過理論計算以及多次的試驗，建立了一套與無人機飛行高度H 相關的飛行參數函數關系表達式，飛行參數表達式如下：

（1）無人機應以“之”字形航線沿場地縱、橫兩個方向飛行，鏡頭沿飛行方向進行拍攝，航線間距f 不應大于0.285 倍飛行高度，即f≤0.285H。

圖1 無人機飛行線路示意圖

（2）無人機飛行速度v 與拍攝照片時間間隔t 的乘積應不大于0.533 倍飛行高度，即vt≤0.533H。

（3）為保證場地信息采集完整，無人機飛行范圍與場地邊線水平距離d 應大于1.5 倍飛行高度，即d≥1.5H。

（4）除“之”字形飛行拍攝以外，還要進行環繞場地中心飛行拍攝，環繞場地中心飛行時鏡頭沿圓周徑向拍攝，兩張照片的拍攝角度差不宜大于15°，即繞飛一圈拍攝不少于24 張照片。

（5）鏡頭與地面夾角以35～55°為宜，最佳角度為45°。

（6）飛行高度H 根據現場周邊環境情況、場地范圍大小以及所需的拍攝精度確定，一般以50～150m 為宜。

2 場地數字表面模型建立

ContextCapture 三維建模主要包括航拍數據導入、空中三角測量運算、生成密集點云、構建TIN 模型、自動紋理切片等過程，最終生成.3mx 格式的DSM 模型。在進行DSM 模型生成的時候，導入的圖片數量不宜超過700 張，否則將導致數據處理時間過長。為方便后期坐標轉換，在坐標系選擇的時候宜選擇WGS84 世界坐標系。最終生成的DSM 模型與實際場地尺寸比例為1∶1，尺寸精度誤差在5‰以內，可完全滿足工程應用所需。

3 場地數字表面模型定位

獲得DSM 模型之后，需要將擬建建筑的外形特征點定位到DSM 之中，如基坑邊線、建筑物平面輪廓、道路邊線等，以便進行后續應用。由于軟件生成的DSM模型采用的是WGS84 地球坐標系（GPS 坐標系），與目前大多數工程設計圖紙中所采用的城建坐標系或1980西安坐標系不同，為實現在DSM 模型中的精準建筑物定位，我們開發了兩種定位技術，分別是“場地實測定位法”和“GPS-RTK 定位法”。

3.1 場地實測定位法

該方法適合具備初步測量放線條件的施工場地，實現方法較為簡單。在進行無人機數據采集前，先將場地中需要測量的輪廓特征點進行施工放樣，放樣出來的點位以白灰在地面上進行標記，同時記錄下該點位的高程值。待所需的特征點放樣完畢后，再使用無人機對場地進行數據采集，這樣生成出來的DSM 模型上就具備已知坐標和高程的特征點位。以這些點為控制點即可進行建筑物定位。

3.2 GPS-RTK 定位法

GPS-RTK 是以載波相位觀測量為依據的實時差分GPS 技術，它由基準站、流動站和數據處理系統組成。由于本項目的DSM 模型采用WGS84 世界坐標系，因此利用RTK 流動站觀測出已知工程坐標控制點對應的GPS 坐標，即可直接在DSM 模型上對特征點進行定位，以此確定建筑物實際位置。

4 基于DSM 模型的土方測量

在本項目中，土方測量應用主要有兩個方面：一是場地平整時的場地標高測算，二是土方開挖時的土方量測算。

4.1 場地平整標高測算

在本項目前期的場地平整過程中，為減少土方填挖工作量，實現場內土方平衡，需要測算出這個項目挖填方平衡時的場地標高。利用DSM 模型的體積測量功能，可實現土方平衡場地標高測算，具體步驟如下：（1）在DSM 模型中選取需要平整的場地；（2）測量初步的土方填挖量；（3）調整挖填方計算的基準面標高，直至挖填方量大致相等；（4）得出挖填平衡時的場地標高。

最終測得當場地平整標高為-2.96m 時，場內挖方量為12048.27m3，填方量為12055.71m3，實現了挖填方量的平衡。

4.2 土方開挖量測算

為進行項目土方開挖施工部署，需要對項目土方工程量進行測算。在本項目中，我們對DSM 模型進行2m×2m 的高精度網格劃分，并計算土方開挖工程量。具體計算步驟如下：（1）根據項目地質資料及基坑支護圖紙對場地內土體的最初松散系數進行計算，在本項目中各層土體的加權平均松散系數為1.21；（2）根據特征點在DSM 模型中選取需要土方開挖的場地范圍，進行體積測量；（3）將測量基準面的標高設置為坑底標高，得到初始土方開挖體積；（4）初始土方體積與土體加權平均松散系數的乘積即為工程實際土方量。

在本項目中，基坑底標高為-11m，土方開挖深度約8.3m，根據模型測算的結果，項目的初始土方開挖工程量為220878.67m3，土體加權平均松散系數為1.21，實際土方工程量為220878.67×1.21=267263m3。根據現場工程量統計，現場實際開挖的土方量為263061m3，與測算值間的差值約為1.6%，其測算精度完全滿足工程所需。

5 結束語

通過本項研究，建立了一套完整的無人機傾斜攝影土方測量技術，解決施工場地土方測量精度低、周期長的問題，實現了基于三維地形模型的土方測量以及場內土方平衡，為項目土方工程施工提供精準的依據，有效減少了不必要的土方挖運工作量，節約土方工程施工成本。