小型低空無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在思南小屯巖危巖削方工程削方量測(cè)算中的應(yīng)用

李 軍，李東明，賀太紅，陳 靜

（1.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局114地質(zhì)大隊(duì)，貴州 遵義 563000；2.貴州省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，貴州 貴陽(yáng) 550001）

1 工程概況

小屯巖崩塌地質(zhì)災(zāi)害防治工程位于貴州省思南縣境內(nèi)，其主體工程為一處高約40m，寬約50m，均厚約5m，方量近10萬(wàn)方的大型危巖體的削方清除工作，該危巖位于高陡斜坡區(qū)中上部，距坡腳居民區(qū)高差約200m，其所在陡坡為一坡度65°～90°的陡崖，見圖1。由于涉及人工削石方量較大，為嚴(yán)格把控施工經(jīng)費(fèi)，需對(duì)實(shí)際削方量進(jìn)行測(cè)量。

圖1 思南小屯巖削方后現(xiàn)場(chǎng)狀況圖

2 測(cè)量方法的選取

針對(duì)該方量測(cè)量問(wèn)題，擬采用的測(cè)量方法主要有以下四種，分別為：①手持RTK踏勘取點(diǎn)法；②免棱鏡全站儀遠(yuǎn)程取點(diǎn)法；③激光掃描及三維重建法；④無(wú)人機(jī)傾斜攝影及三維重建測(cè)量法。各方法的優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

表1 四種常用測(cè)量方法的優(yōu)缺點(diǎn)分析

由表1可知，小型低空無(wú)人機(jī)傾斜攝影三維重建法相對(duì)于其余三種方法具備明顯優(yōu)勢(shì)，更適用于此次測(cè)量任務(wù)，但需輔以免棱鏡全站儀遠(yuǎn)程取點(diǎn)法進(jìn)行精度控制，以取長(zhǎng)補(bǔ)短，在安全高效的基礎(chǔ)上達(dá)到測(cè)量精度要求。

3 航測(cè)技術(shù)路線

該測(cè)量方法技術(shù)路線主要分為如下幾個(gè)步驟：

第1步：削方前要求施工單位完成擬削方區(qū)及其外圍一定范圍內(nèi)植被剔除工作。

第2步：用免棱鏡全站儀在擬削方區(qū)外圍適當(dāng)位置選取4個(gè)易定位地物特征點(diǎn)作為控制點(diǎn)，并在削方范圍內(nèi)另選4個(gè)易定位地物特征點(diǎn)作為檢查點(diǎn)，以保證測(cè)量準(zhǔn)度。采用在高清全景影像上描點(diǎn)的方法記錄各點(diǎn)位置信息。

第3步：采用手動(dòng)飛行的方式，用小型多旋翼低空無(wú)人機(jī)對(duì)削方區(qū)及其外圍適當(dāng)區(qū)域進(jìn)行立面掃描式傾斜攝影，通過(guò)多角度覆蓋及局部手動(dòng)加密的方式保證航測(cè)結(jié)果具有足夠的覆蓋面積及精度。此為削方前航測(cè)。

第4步：削方后航測(cè)，步驟與上述第2、3步類似。

第5步：將現(xiàn)場(chǎng)獲取的無(wú)人機(jī)航測(cè)影像、控制點(diǎn)、檢查點(diǎn)等資料輸入無(wú)人機(jī)航測(cè)影像處理軟件中，選取CGCS2000/3-degree Gauss-Kruger CM 108E作為模型空間參考坐標(biāo)系，通過(guò)控制點(diǎn)約束及檢查點(diǎn)校準(zhǔn)，分別生成削方前后滿足測(cè)量精度要求的三維實(shí)景曲面模型。

第6步：在EPS軟件中描繪出削方區(qū)范圍線，導(dǎo)出范圍線拐點(diǎn)坐標(biāo)，并采用手動(dòng)取點(diǎn)的方式提取削方范圍線內(nèi)部及外圍適當(dāng)位置的高程點(diǎn)，保持點(diǎn)間距在0.5m～2.5m之間，局部表面起伏明顯區(qū)適當(dāng)加密取點(diǎn)，取點(diǎn)過(guò)程注意避開植被表面，盡量多選取植被間空隙區(qū)域。用此方法分別提取削方前后模型高程點(diǎn)，并導(dǎo)出高程點(diǎn)坐標(biāo)。

第7步：在CAD制圖軟件中分別繪制削方前后高程點(diǎn)及削方范圍線。

第8步：將第7步中獲取的削方前后高程點(diǎn)dwg圖形文件導(dǎo)入EPS軟件中，分別生成削方前后三角網(wǎng)文件。

第9步：將第7步獲取的削方范圍線dwg文件及第8步中獲取的削方前后三角網(wǎng)文件先后導(dǎo)入三維測(cè)圖軟件，利用軟件自帶的削方算量工具，分別以削方前后三角網(wǎng)作為削方區(qū)上下表面，以削方范圍線作為測(cè)算范圍特征線，利用DTM方格網(wǎng)極限分割法，網(wǎng)格邊長(zhǎng)設(shè)為2m，計(jì)算出實(shí)際削方量。

4 計(jì)算結(jié)果分析

經(jīng)檢查點(diǎn)誤差分析可知，獲取的削方前后三維模型精準(zhǔn)度均滿足相關(guān)規(guī)范要求，這兩個(gè)曲面圈閉區(qū)域的體積即為實(shí)際削方區(qū)域體積，而后通過(guò)在削方區(qū)范圍內(nèi)通過(guò)方格網(wǎng)極限分割法計(jì)算出削方區(qū)范圍內(nèi)的削方量，即為實(shí)際削方量，該方法基礎(chǔ)測(cè)量精準(zhǔn)，計(jì)算理論扎實(shí)，計(jì)算結(jié)果直觀（見圖2），具備較強(qiáng)的說(shuō)服力。

圖2 方格網(wǎng)極限分割法削方量計(jì)算結(jié)果示意圖

5 結(jié)論及展望

5.1 結(jié)論

（1）本文通過(guò)對(duì)比分析4種常用工程測(cè)量方法的優(yōu)缺點(diǎn)，總結(jié)出小型低空無(wú)人機(jī)傾斜攝影三維重建方法相對(duì)于傳統(tǒng)方法具有“無(wú)測(cè)量死角，無(wú)需搬運(yùn)儀器，測(cè)量成本低，安全風(fēng)險(xiǎn)低，可室內(nèi)取點(diǎn)，取點(diǎn)效率高，模型為彩色實(shí)景，地物輪廓可識(shí)別性高”等明顯優(yōu)勢(shì)，但需輔以免棱鏡全站儀遠(yuǎn)程取點(diǎn)法進(jìn)行精度控制，以取長(zhǎng)補(bǔ)短，在安全高效的基礎(chǔ)上達(dá)到測(cè)量精度要求。

（2）本案例同一模型內(nèi)既有削方區(qū)又有堆渣區(qū)，因此需準(zhǔn)確圈定削方區(qū)范圍，僅計(jì)算削方區(qū)范圍內(nèi)的體積減少量，才能過(guò)濾掉堆渣區(qū)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。

（3）本案例在模型上選取高程點(diǎn)的方式為手動(dòng)取點(diǎn)，該方法可通過(guò)精細(xì)操作有效避免植被的干擾，一定程度上達(dá)到人工去植被的效果。

（4）本案例利用小型低空無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)對(duì)小屯巖削方工程進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量成果經(jīng)傳統(tǒng)方法驗(yàn)證，滿足基礎(chǔ)測(cè)量精度要求，方量計(jì)算方法為常用的DTM方格網(wǎng)極限分割法，結(jié)合正射影像，測(cè)量結(jié)果直觀明了說(shuō)服力強(qiáng)，說(shuō)明該技術(shù)具備較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

5.2 展望

在危巖體削方工程中，削方區(qū)多呈陡崖底部有凹腔的負(fù)地形特征，采用傳統(tǒng)的基于大地坐標(biāo)系的測(cè)算手段難以達(dá)到精度要求，尚需采用如坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換等其他手段對(duì)測(cè)量信息進(jìn)行有效提取，具體技術(shù)路線還有待探索完善。