無人機三維建模在土方計量中的應用

摘" 要：該文基于湘潭荷塘交通樞紐項目，通過對比無人機測繪與傳統RTK測繪方式對測區進行土方量測繪計量的效果，探究無人機測繪用于土方計量的可行性及優勢。試驗結果表明，無人機測繪能夠滿足土方計量要求，縮短測圖時間，快速生成三維影像地圖。與傳統的土方計量方式相比，無人機測繪具有自動化程度高、快速高效、精細準確可存檔等優點。

關鍵詞：無人機攝影測量;三維建模;土方計量;交通樞紐項目;測繪方式

中圖分類號：TU74 " " 文獻標志碼：A" " " " " " 文章編號：2095-2945（2023）18-0188-05

Abstract： Based on the Xiangtan Hetang Transportation Hub Project， this paper investigates the feasibility and advantages of UAV surveying and mapping by comparing the effects of the UAV method and traditional RTK methods for earthwork measurement in the survey area. The test results show that UAV surveying and mapping can meet the requirements of earthwork measurement， shorten mapping time and quickly generate three-dimensional image map. Compared with the traditional earthwork measurement method， UAV surveying and mapping has the advantages of high degree of automation， high speed and efficiency， fine and accurate archiving and so on.

Keywords： UAV photogrammetry; 3D modeling; earthwork measurement; transportation hub project; surveying and mapping mode

工程土方測繪與計量是編制工程概預算、招標控制價、投標報價、合同價及工程價款結算最基本依據之一。工程量的多少決定著工程造價的高低，因此工程土方測繪與計量工程是投資控制的關鍵環節。土方工程選用不同的計量方法，計量結果存在差異，往往會引起參建各方的異議。因此，工程土方測繪和計量也是確保工程順利進行的保障。工程建設中，特別是在復雜施工條件下，通常需要根據建設要求進行填方、挖方。那么，如何準確計算工程量，如何精準地填方、挖方至關重要[1-3]。

孫允聰等[4]用斷面法測量高速公路土方時，發現對于地形狹長、起伏較大且不規則地段、挖方深度大，計算結果與實際相差甚遠。匡志威[5]指出方格網法在土方測量雖具備直觀、易驗算等優點，但忽略了地形要素，對于地形復雜地區，方格網法的計算誤差很容易超限。田建軍[6]研究表示當地表高差懸殊，應在測量線范圍內增設其他測量點，控制誤差、保證土方計量的準確性。但外業采集點量增加，導致了外業工作量加大。

從以往的研究看來，傳統的工程土方測繪與計量，是一項困難略帶危險性的工作。往往先要進行長久的外業測量采樣，對采樣數據進行處理，測制地形圖，進行土方計算。內業計算過程繁重且復雜，勞動效率低下，計算精度差，并且無法提供三維影像地圖。外業地形測量需要大量測繪人員，成本較高，耗時較長，實施受地形、氣候限制[7-10]。因此，如何提高工程土方測繪與計量的精度，減少內、外業勞動量是現今土方測繪與計量研究的重點。

楊彥波[11]通過對CASS方格法和DTM法2種土方測量及計算方法進行剖析，發現傳統測量在革新，新型設備是未來發展趨勢。楊海賓[12]提到房建工程測量技術已經取得了很大的發展，各種新型的測量技術促進了房建工程發展，提高了施工效率，保證了質量。肖彬[13]研究表示，傳統的測繪技術已經無法滿足日益發展工程測量的要求，遙感技術、攝影技術、地理信息技術和GNSS技術應運而生，提高了工程測量效率。

在保證工程項目的施工質量和安全的前提下，如何利用三維模型實現土方測量和土方計量，以縮短工程項目的工期，減少工程項目的成本，是現今土方測繪計量施工技術研究的重點。

1" 無人機測繪計量應用優勢

無人機系統第一次進入測繪領域是1979年[14]。隨著科學技術進步，無人機技術和數字攝影測量技術方面也在不斷進步，越來越多的工程采用無人機進行測繪和計量。李博[15]通過無人機傾斜攝影技術獲取城市三維模型，應用于城市規劃。程圓娥等[16]利用無人機傾斜攝影測量技術獲取場地數據建立土方模型，采用軟件對模型進行完善，從而獲得精準土石方量。石雪飛等[17]考慮橋梁施工測量的特點和無人機攝影測量的原理，提出了橋梁線型無人機測量的技術框架和測量控制參數。

綜上所述，無人機測繪計量與方格網法、等高線法、平均高程法等傳統土方測繪和計量方式相比具有明顯的優勢。無人機測繪與計量土方施工技術，通過操作無人機進行航拍獲取土方圖像，經過影像處理獲得項目土方三維影像數據，依據這些數據在三維模型上快速精準地完成測繪和土方計量工作，減少了人、材、機的投入，提高了測繪與計量工作效率，加快了施工進程[18-21]。無人機測繪與計量施工技術優勢體現在以下幾個方面。

1.1" 自動化程度高、勞動強度低

利用無人機搭載全方位攝像頭，在高空中實現大角度、全方位的拍攝，進行地理信息測量。對于地形復雜無法直接觀察到的地形，通過無人機技術也可方便快捷獲得影像數據，基于這些數據建立模型，完成三維地形信息測繪和生成三維影像模型。

無人機測繪與計量技術，可減少外業工作量，提高了外業工作人員安全性。采用無人機測繪，具有自動化程度高、外業操作簡單、獲取數據快且準、人工投入少和節約資金等優點。

1.2" 高清攝像

無人機測繪技術與地理信息技術能完美融合，無人機遙感憑借無人機高度上的優勢，對像元進行計算，然后在相機中進行聚焦，這樣能夠將無人機的高度與比例尺的大小確定得更加精準。并且，無人機航拍技術捕捉地面景象真實準確，同時能對原始景象的數據進行預處理，獲得完美的顯示效果，方便人眼識別，可直接使用。

1.3" 精確可靠

首先，無人機拍攝的照片是用高清相機拍攝的，然后再進行地理圖像信息坐標的測繪，最后實現地理信息圖像的有效融合。這樣所形成的三維全景圖會更加的精確和直觀，也更具科學性。因此，通過無人機數據采集建立三維模型是精確可靠的，這個模型的地理信息與影像有高度融合性，并且在融合過程中地理信息坐標會被融合選取，這樣兩者之間融合的定位精準度會更高。

2" 無人機測繪在土方計量中的應用

2.1" 工程概況

湘潭荷塘交通樞紐項目位于湖南省湘潭市東部岳塘經開區，北二環路與團竹路之間，毗鄰長株潭城際鐵路荷塘站用地，規劃用地面積43 348.16 m2，總建筑面積40 264.93 m2。測量土方如圖1所示。

項目選用裝備大疆精靈4RTK多旋翼無人機進行航拍（配云臺，GPS地面站），無人機參數配置見表1，航測定位精度高于1 cm。高質量單反相機、像控點畫圖材料（白石灰）、專業繪圖及計量軟件Context Capture、3D Max，A4大小標準標定紙一張。

2.2" 數據采集

2.2.1" 像控點的布設

依據湘潭荷塘交通樞紐項目，對需測定土方進行分析并劃分區域，設計合理的路線。結合土方區域特征，科學合理布置地面控制點，加強地面控制，全面精確測量土方量，從而提高無人機航測的精度。控制點采用對比度較大的顏色，形狀以十字叉（X），可最高精度選取該點。

2.2.2" 參數設置

設定行高100～120 m，可保證覆蓋0.2～0.4個平方千米的面積，同時保證1∶500地形圖的精度。設定航向重疊度為80%，旁向重疊度為70%。一次飛行可以拍攝5～10個相對的照片，確保工作效率。

2.2.3" 航攝飛行

按照設定的航行規劃起飛，起飛和降落時應保證四周視野開闊，周邊障礙物的高度角不能大于15°，并且對GPS信號接收不產生影響。

2.3" 三維模型建立

本文采用無人機航飛實景三維建模軟件（ContextCapture Center）建模，操作步驟如圖2所示，操作示意圖3所示。

在刺點空中三角測量過程中導入【篩選合格照片】和【POS文件】及【像控點坐標】3個數據，進行像控點定向作業。

在【計算坐標】這一項里面查看標準偏差和殘差，以便估計精度。定向結果通過軟件分析，判定為ok，表示精度優秀，定向結果良好。由圖4可知，無人機測繪的精度保證厘米級，滿足1∶500的精度需求。

建立模型，用多邊形線劃取，需要建模的區域，點擊【自動測量表面】功能。設置試驗間隔為1 m，點擊確定，開始自動解算。1 m的間隔，一共計算出11 205點的數據量，然后貼圖，賦予每個坐標點以RGB坐標，建立真實模型如圖5所示。

2.4" 土方計量對比

湘潭荷塘交通樞紐項目基礎工程挖填方量也就是體積計算，根據建立的土方測繪模型計算體積，只需要選中建立好的模型，點擊體積計算功能，全部工作自動完成。

目前使用最多的土方計量方法是斷面法、DTM法、方格網法，其中方格網法適用平坦地形，故湘潭荷塘交通樞紐項目因為較平坦，所以采用常用的方格網法（10 m）。采用RTK均勻布點方式進行地面數據采集，利用南方CASS9.0中的方格網法（10 m）進行土方計算（如圖6所示），對無人機測繪土方量進行準確性驗證，其計算結果見表2。

通過試驗對比可知：

1）采用無人機測量并建立實景三維建模計算土方，節省內外業工作時間，提高了工作效率。該項目地勢較為平坦且體量較小，無人機測繪的優勢不是特別明顯，對于大型項目、地勢起伏較大的項目，無人機將更有優勢。

2）無人機測量與RTK實測數據相比，挖方量差值比為1.105 5%，滿足土方計算的規范要求。

3）無人機測繪計量可以生成三維計量模型，真實準確可存檔。

3" 結束語

本文依托湖南省湘潭市荷塘交通樞紐項目，結合土方測量的特點和精度要求，通過現場試驗探討無人機測繪在土方計量可行性，同時與傳統土方計量方法進行對比。研究成果如下。

1）無人機測繪用于土方計量，可快速生成三維影像地圖，縮短測圖時間，項目面積越大優勢越明顯，并且無須深入測區，安全性高、勞動強度低。

2）無人機測繪用于土方計量，可以生成三維土方計量模型，與傳統的土方計量方式相比具有自動化程度高、快速高效、精細準確可存檔等優點。

3）無人機測繪用于土方計量，可節材、節能環保，節約工程成本。

4）無人機測繪用于土方計量仍存在不足之處，還值得繼續深入探究。無人機飛行機身不平穩，易受天氣、外部環境影響;無人機無法自動避開障礙，比如說細小物體，對技術人員的技術有一定要求;拍攝的畫面、采集的數據會有些許差別;對體量較大的工程，拍攝畫面、整體數據量大，那么數據處理起來相對復雜。

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