基于無人機傾斜攝影測量技術的土方量測算研究
——以廣西某高校建筑工地為例

陳元洪，潘少煒，葛豪宇，黃 玲

1.武漢市勘察設計有限公司，湖北 武漢 430022

2.桂林理工大學測繪地理信息學院，廣西 桂林 541004

土方量的計算是道路、隧道、城市規劃等工程建設中的一個重要環節，經濟、高效的土方量測算方法能有效加快工程進度，降低建設成本[1]。傳統的土方量測量方法有全站儀、RTK、手持激光掃描儀等，這些方法存在效率低、人工成本高、在復雜地形中危險性大等局限性。隨著無人機技術的迅速發展，基于無人機搭載相機組成的遙感平臺得到廣泛應用，采用傾斜攝影測量技術三維建模能夠獲得地面高精度三維模型及點云等數據，具有自動化程度高、成本低和作業范圍廣等特點，為工程土方量的計算提供了穩定、準確的數據源[2]。

國內有學者對方格網法、DTM 法、斷面法、DEM 法等土方量計算方法進行了對比分析研究[3-6]。DTM 法精度較高，適用于地形起伏大的區域；方格網法在平坦區域精度高；斷面法適用于一些特定的工程，多用于帶狀區域。還有一些學者研究了基于GIS 軟件的DEM 法計算土方量[7]，發現其精度非常高，能夠滿足大部分工程的精度要求。不同的土方量計算方法適用于不同的地形地貌或特定的工程項目。目前，方格網法和DTM 法的土方量計算結果已被行業廣泛接受。

此次研究以廣西某高校建筑工地為研究對象，研究小組采用無人機傾斜攝影測量采集傾斜數字影像，構建研究區的三維模型，提取高程點數據，計算出土方量結果，并與GNSS﹣RTK 測量法得到的土方量結果進行精度對比分析，驗證基于無人機傾斜攝影測量的土方量計算方法的準確性。

1 無人機傾斜攝影測量技術

傾斜攝影測量是攝影測量與低空遙感的結合體。無人機傾斜攝影測量技術是以無人機為平臺搭載相機多角度影像采集的技術，能夠同時獲取1 個垂直視角和4 個傾斜視角的影像，得到的高分辨率影像中含有豐富的紋理信息，使得構建的三維模型更加逼真。三維模型不僅包含了地形和構筑物的位置信息，還有高程、體積、面積和角度等信息。這些數據經過處理后可以得到數字線劃地圖、數字正射影像、數字表面模型、三維實景模型等豐富數據成果。無人機傾斜攝影測量工作僅需要少量人工參與，數據采集過程幾乎全自動化，所需人力物力成本低、效率高。

無人機傾斜攝影測量技術數據處理流程通常包括影像預處理、多視影像聯合平差與密集匹配、三維建模等[8]。

（1）多視影像聯合平差。通過自檢校區域網聯合平差的誤差方程解算出較高精度的平差結果。

（2）多視影像密集匹配。傾斜影像使地面上的物體幾何變形大、分辨率變化大[9]，因此，多視影像密集匹配技術的準確性對空中三角測量質量的影響極大。

（3）三維建模。利用多視影像密集匹配得到高精度、高密度的點云構建出TIN 模型，生成基于傾斜影像紋理的高精度三維模型[10]。

2 研究區和數據獲取

2.1 測區概況

研究區為廣西某高校住宅區內一處建筑工地，測區約8 000 m2，三面靠近圍墻，一面緊挨樹林，地處低緯，相對高差約8 m，除西側被樹木部分覆蓋，其余均露天無遮擋，適合開展此次土方量測算試驗。

2.2 數據來源

2.2.1 無人機影像

此次研究基于無人機傾斜攝影采集影像332 張，采用的大疆精靈4 Pro 是四旋翼單鏡頭無人機，完全達到傾斜攝影采用五向飛行的條件。具體飛行方式：首先鏡頭朝下覆蓋全區域飛行1 遍；然后將相機鏡頭調整為傾斜角45°，分別從東往西、從西往東、從南往北、從北往南覆蓋全區域各飛行1 遍。無人機傾斜攝影參數如表1 所示。

2.2.2 GNSS_RTK 采集點

根據像控點測設要求和測區情況，此次研究均勻布設了9 個像控點，采用2000 國家大地坐標系，高斯—克呂格投影3°分帶，中央經線為111°；采用1985 國家高程基準，利用GNSS﹣RTK 采集高程點。三維模型提取的高程點采用面提取，每間隔2 m 從三維模型中提取1 個高程點。

表1 無人機傾斜攝影參數表

2.3 數據處理方法

在獲取滿足質量要求的航攝影像后，研究小組開始對獲取影像進行處理。采用Context Capture Center 軟件對傾斜影像進行空中三角測量計算和實景三維建模，再從得到的OSGB三維模型數據中提取高程點數據，最后計算土方量。綜合考慮測區實際情況，研究小組在進行方格網法和DTM 法土方量計算時均采用了2 m、5 m、10 m 的間隔，這樣不僅可以得到較高的精度，也便于成果質量檢驗和2 種外業采集方法的相互驗證。此次研究的主要技術路線如圖1 所示。

圖1 技術流程圖

3 實驗結果和精度分析

3.1 GNSS-RTK 法測算土方量結果

GNSS﹣RTK 法測量的土方量結果如表2所示。

3.2 無人機傾斜攝影測量法結果

無人機傾斜攝影測量的土方量結果匯總如表3 所示。

3.3 分析與評價

此次研究采用無人機傾斜攝影測量法和RNSS﹣RTK 法2 種方式測得土方量原始數據，再計算和比較土方量測量結果。此次研究設計的標高為152 m，僅存在挖方，不存在填方量。成果統計如圖2、表4 所示。

表2 GNSS-RTK 法測量土方量結果匯總表

表3 無人機傾斜攝影測量法測量土方量結果匯總表

圖2 土方量柱狀對比圖

由表2 可知，基于GNSS﹣RTK 法測量土方量的結果，方格網法和DTM 法在10 m 格網間隔上的差值最大，為1 672.6 m3；在2 m 格網間隔時最小，為39.5 m3。隨著格網的間隔不斷縮小，二者的差值在不斷接近，在2 m 格網間隔時幾乎趨于一致。由此可見，GNSS﹣RTK法得到的土方量結果是比較準確的。

由表3 可知，無人機傾斜攝影測量法土方量結果在格網間隔縮小時，方格網法和DTM 法計算結果逐漸縮小。在10 m 格網間隔時，方格網法和DTM 法的計算結果相差1 889.6 m3；在2 m 格網間隔時，僅相差82.9 m3。這與GNSS﹣RTK 法的測量結果基本一致，并且方格網法和DTM 法計算結果都趨于58 200 m3。

綜上所述，對于較為平坦的建筑工地來說，格網間隔大小的設置對于方格網法計算結果的影響較大；格網間隔在一定區間內設置得越小，結果越好。但格網間隔大小對于DTM 法的影響較小，在選擇較大格網時也能保證較好的精度。考慮到實際工程土方量挖填的時候，區域劃分的格網數量越少，挖填方的效率也越高，因此對于地勢起伏不大的建筑工地來說，DTM 法是較好的選擇。

從表4 可看出，基于GNSS﹣RTK 法和無人機傾斜攝影測量方法的挖方量差值穩定在2 000～2 400 m3，其相對誤差最小為3.9%，最大為4.1%，波動較小，且數據變化趨勢一致，精度較高，穩定性強。相對來說，GNSS﹣RTK法的結果挖方量有少量的高估，這表明無人機傾斜攝影測量法提取的高程數據存在高估現象。如果將測區視為一個標準的長方體，由體積相差2 200 m3，降以底面積8 241.1 m2，可得平均高度差約為0.267 cm。也就是說，如果視GNSS﹣RTK 法測量的結果為真值，那么無人機傾斜攝影測量的平均高程約有0.267 cm 的高估。這種挖方量的少量高估，可能是某個區域高程的突變導致的。無人機傾斜攝影測量法估測的高程數據存在高估現象，但總的土方量測量結果精度較高、效率高、可行性強，可以滿足大面積的工程土方量測算的要求。

表4 2 種方式土方量計算結果比較表

4 結 語

研究小組基于無人機傾斜攝影測量技術進行土方量的測算研究，結合廣西某高校建筑工地案例來綜合分析驗證。此次研究中采用無人機傾斜攝影測量方法與GNSS﹣RTK 法測量計算的土方量結果進行對比分析，同時還分別驗證了10 m、5 m、2 m 的格網間隔下對DTM法和方格網法結果的影響，得出了以下結論:

（1）隨著格網間隔距離的減少，DTM 法的總挖方結果變化不大，但方格網法總挖方結果明顯增大，逐漸趨于和DTM 法一致。在此次研究中，格網間隔對DTM 法的影響不大，格網間隔越小，方格網法結果越好，表明DTM法具有較強的適應性和穩定性。

（2）無人機傾斜攝影測量法和GNSS﹣RTK法的差值在2 000～2 400 m3之間，相對誤差穩定在3.9%～4.1%之間，穩定性強。基于無人機傾斜攝影的土方測量方法是可行的，適合于大面積地區的土方量測量。

（3）各種工程地勢往往較為復雜，無人機傾斜攝影測量法受拍攝角度的影響會存在地物相互遮擋的現象，從而導致部分地物模型構建失敗，影響土方量測算結果。下一步，應綜合對比不同地形條件下土方量測算方法的優缺點，再結合地面激光雷達掃描或手持拍照等方法，改善模型構建效果，提高高程精度，實現更為精確、高效的工程土方量測算。