無人機傾斜攝影測量土方計算及精度評定研究

【摘" " 要】：針對無人機攝像測量技術(shù)測量結(jié)果精度不足的問題，以實際工程為例，通過飛時達方網(wǎng)格測算技術(shù)和PhotoScan軟件建模技術(shù)進行土方計算，利用點云分類和高程修正的方式對無人機攝像測量數(shù)據(jù)點進行優(yōu)化，消減遮擋物對地表高程的影響，結(jié)合無人機測量布點技術(shù)，提出地面控制點布置方案。優(yōu)化后的測量數(shù)據(jù)與RTK土方測量計算進行精度比對，結(jié)果表明：利用無人機測量技術(shù)，不僅能節(jié)約工作時間，簡化工作流程和所需設(shè)備，同時也可在多地形下進行精確的土方測量工作。

【關(guān)鍵詞】：土方量計算；傾斜攝影；測繪技術(shù)；精度評定；無人機

【中圖分類號】：TU751 【文獻標志碼】：A 【文章編號】：1008-3197（2025）01-66-04

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2025.01.017

Research on Earthwork Calculation and Accuracy Assessment of UAV

Inclined Photogrammetry Measurements

LIU Fabao

（China Railway 23rd Bureau Group First Engineering Co.Ltd.， Rizhao 276800，China）

【Abstract】：In view of" insufficient accuracy in the measurement results of UAV camera measurement technology， this paper is based on actual cases， through use of FTSE square mesh measurement technology and PhotoScan software modelling technology for earth calculations， the use of point cloud classification and elevation correction to optimize the UAV camera measurement of the data points， eliminate the impact of obstructions on the ground surface elevation. surface elevation， and combined with the UAV measurement pointing technology， the ground control point layout scheme is proposed. The optimised measurement data are compared with the RTK earthwork measurement calculations for accuracy， and the results show that using UAV measurement technology not only saves working time and simplifies the working process and required equipment， but also allows accurate earthwork measurement in multiple terrains.

【Key words】： earthwork volume calculation; inclined photography; mapping techniques; accuracy assessment；UAV

傳統(tǒng)土方計算方法需要手工測量，難以滿足現(xiàn)代工程快速、高精度、低成本的要求；基于無人機傾斜攝影測量技術(shù)的土方計算能夠大大簡化測量流程、提高測量效率、降低測量成本，在更短時間內(nèi)提供更準確的地形數(shù)據(jù)，使土方工程的施工和監(jiān)控更有效。許多研究者不斷探索無人機攝影測量土方計算技術(shù)不斷探索，也取得諸多成果。柳聞儀等[1]利用無人機攝影測量技術(shù)對變電站設(shè)計土方量進行推算，從無人機攝影技術(shù)中提取數(shù)據(jù)參數(shù)進行三維設(shè)計建模，高精度展示土方用量及場地整體狀況；張勇勇[2]提出利用無人機傾斜攝像測量技術(shù)和GEOPAK DTM進行土方量計算，能夠快速的進行場地土方量計算；田海峰等[3]利用無人機遙感DEM數(shù)據(jù)與無人機影像數(shù)據(jù)相結(jié)合消除建筑物對DEM數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，得到建設(shè)所需土方量。

對無人機攝像測量技術(shù)研究大多針對自動化建模技術(shù)和土方測量便捷性，而對土方測量精準度影響因素的研究較少。本文通過對基于無人機傾斜攝影測量技術(shù)的土方計算及精度評定研究和探討，為土方工程領(lǐng)域的工作者提供一種更高效、更準確、更便捷的土方計算方法，推動無人機在土地資源管理和工程施工領(lǐng)域更廣泛的應(yīng)用。

1 無人機傾斜攝影測量土方計算方法

1.1 無人機傾斜攝影測量技術(shù)

無人機傾斜攝影測量技術(shù)是一種快捷方便、受氣候影響小、機動性強、成本低、時效性及針對性強等優(yōu)點的測量方法。通過無人機系統(tǒng)搭載高分辨率攝像設(shè)備進行多角度、多方向拍攝，進而快速生成三維可視模型，廣泛應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、城市建設(shè)、資源調(diào)查與管理、建筑工地監(jiān)測等領(lǐng)域。

采用傾斜攝影測量技術(shù)獲取具有地理位置信息的二維圖像，通過建模軟件構(gòu)建帶有空間位置信息的三維模型，獲取地物的三維坐標、尺寸、面積、體積等信息，通過南方CASS或者飛時達等軟件的二次開發(fā)，應(yīng)用到土方計算、城市規(guī)劃等領(lǐng)域[4]。

1.2 無人機傾斜影像數(shù)據(jù)獲取

到達勘測現(xiàn)場后對大疆精靈4 RTK無人機進行檢查，設(shè)定航線及測量范圍、高度等數(shù)據(jù)，起飛后通過設(shè)備上搭載的IMU感知無人機的旋轉(zhuǎn)姿態(tài)，RTK測量系統(tǒng)獲取高精度的GPS、IMU和相機信息，通過計算解算出影像的內(nèi)外方位元素，得到高分辨率、高精度的影像測量數(shù)據(jù)。見圖1。

1.3 土方計算

數(shù)據(jù)收集完畢后導(dǎo)入飛時達計算軟件中，采用方網(wǎng)格法對土方量進行計算。將測區(qū)劃分成若干個正方形網(wǎng)格，一般邊長為20 m，確定每個網(wǎng)格的高程值并計算積土體積。網(wǎng)格的大小取決于現(xiàn)場地勢復(fù)雜度和所需精度，邊長越短計算結(jié)果越準確，但工作量相應(yīng)增大。

[Vi=HiA+HiB+HiC+HiD4Si] （1）

式中：Vi為測算區(qū)域的土方量；HiA、HiB、HiC、HiD 分別為該區(qū)域4個角點（A、B、C、D）的高度；Si為該區(qū)域的面積。

1.4 傾斜攝影測量技術(shù)精度驗證及效率對比

為驗證所使用的傾斜攝影測量技術(shù)的測量精度，在需要計算方量的場地范圍內(nèi)隨機選擇10個分散的標志物（命名為0～9）與傳統(tǒng)GPS測量的華測T9GPS所測三維坐標值進行比對分析，將二者所測X、Y、H坐標結(jié)果差值繪制成雷達圖，坐標差值最大不超過20 mm。見圖2。

根據(jù)公式

[mxy=（[Δx]+[Δy]）/nmz=（[Δz/n]）" " " " " " " "] （2）

式中：mxy、mz分別為水平點位中誤差及高程中誤差；[Δx]、[Δy]、[Δz]分別為傾斜攝影測量與華測T9GPS測的坐標差值；n為二者對比數(shù)據(jù)的組對數(shù)。

計算求得mxy為±20.27 mm，mz為±12.45 mm，滿足鐵路工程測量規(guī)范要求，進而驗證了傾斜攝影測量技術(shù)應(yīng)用于方量計算的可行性。

GPS測量受周圍環(huán)境，如樹木、房屋、電離層等影響，在現(xiàn)場測量時，難免會存在一定的測量誤差。無人機傾斜攝影數(shù)據(jù)在高程點獲取的數(shù)量和時效性上都遠遠地的超過了傳統(tǒng)GPS測量，不僅提高了工作效率，還可以一定程度減少環(huán)境誤差對測量精度的影響。見表1。

2.1 高程點數(shù)據(jù)采集

結(jié)合外業(yè)調(diào)查要求和CH/T 3004—2021《低空數(shù)字攝影測量航空照片外業(yè)調(diào)查規(guī)范》，確定飛行計劃：飛行區(qū)域規(guī)劃5條飛行航線，線性漸變飛行高度設(shè)定在120 m，地面采樣距離為4 cm，航向重疊度為85%，勘測區(qū)域重疊度設(shè)置75%。另外，本次航拍采用均勻布點法，在拍攝區(qū)，建立14個地面控制點，拍攝圖像300余張，確保每個控制點能夠在多個圖像中被找到，并以8 m間距為標準設(shè)置RTK數(shù)據(jù)采樣點，對地形變化較大的區(qū)域可對采樣點進行加密。

測量完成后運用南方CASS 3D軟件對已重建好的無人機模型OSGB數(shù)據(jù)進行處理，生成同間距的點集數(shù)據(jù)，導(dǎo)出的數(shù)據(jù)格式為*.dat格式。

2.2 飛時達土方計算步驟

使用飛時達軟件，采用方格網(wǎng)法進行土方量計算。見圖3。

2.3 無人機攝像測量與傳統(tǒng)GPS測量方法對比

取1 000 m2面積的地形作為比對范圍，將無人機傾斜攝影測量數(shù)據(jù)經(jīng)飛時達計算，與傳統(tǒng)GPS測量數(shù)據(jù)進行對比。見表2。

1）通過無人機攝像測量技術(shù)測量土方能夠較大程度上節(jié)省人力及工作時間，可有效提高工作效率，降低用工成本。

2）無人機攝像測量技術(shù)和傳統(tǒng)GPS測量方式在挖方量和填方量上差值均低于10%，在工程量要求不高的情況下可以滿足正常施工要求。

3）從挖方量上可以看出無人機測量和GPS測量存在一定差值，達到7.47%。

3 無人機測量土方計算精度影響因素分析

為解決無人機攝像測量土方存在的精準度誤差問題，通過Photo Scan軟件中密集點云分類和分類點高程修正的方式對采集的數(shù)字高程模型（DEM）圖像進行對比處理。

1）密集點云分類：在無人機測量收集完數(shù)據(jù)后可將控制點數(shù)據(jù)導(dǎo)入Photo Scan軟件中，系統(tǒng)可根據(jù)點的分部大小建設(shè)單元格，并根據(jù)點高程實現(xiàn)對點數(shù)據(jù)屬性分類，如地面、建筑、湖泊、高大植被、低矮灌木等，并根據(jù)自檢結(jié)果計算地表分部數(shù)據(jù)狀況，但自檢也存在錯誤情況可手動對錯誤點進行重新分類。

2）分類點高程修正：由于無人機在攝像測量時，測量區(qū)地表會被植被、建筑等自然物遮擋，不能測得實際地表高程，因而回產(chǎn)生誤差。通過實地抽測得建筑、植被等遮擋物平均高程的方式，對無人機攝像測量點進行高程修正，進而得到近似準確的地表高程坐標。

3.1 分類與高程修正因素

對以下3種情況進行分析，研究點云分類和高程修正對DEM構(gòu)建及土方計算精度的影響。

1）利用未分類密集點云構(gòu)建DEM計算土方。

2）利用分類地面點內(nèi)插構(gòu)建DEM計算土方。

3）利用修正后的分類點構(gòu)建DEM計算土方。

生成的DEM與反映測區(qū)高程起伏情況的橫截面情況見圖4。

相同設(shè)計標高和測區(qū)范圍，結(jié)合飛時達軟件對4種方法生成的數(shù)據(jù)進行土方計算。見表3[5]。

1）采用未分類計算法，由于地表被建筑物、植被等物遮擋，無人機測量后地表起伏較大，形成的點數(shù)據(jù)中計算出的挖方量要遠大于實際量。

2）采用地面點內(nèi)插非地面點時，由于系統(tǒng)測算的內(nèi)插點只進行估測難以反映場地的真實高程情況，導(dǎo)致所插值點高程往往小于實際高程值；而利用這些數(shù)據(jù)點進行土方量填方計算時，則會使數(shù)值明顯偏大，挖方數(shù)據(jù)值偏大。

3）采用分類點高程修正時，由于對測量區(qū)域的遮擋物進行高程統(tǒng)計，修正后的高程能夠較為準確的展示真實的地表起伏，減少了遮擋物的影響，提高了測量精準度。

3.2 控制點影響因素

對布控點布置數(shù)量及分布情況進行研究，通過反復(fù)嘗試和對布控點數(shù)量位置的調(diào)整，經(jīng)與外業(yè)RTK數(shù)據(jù)采集點進行比對分析，提出優(yōu)化方案。

1）采用POS數(shù)據(jù)和控制點聯(lián)合平差可以在一定程度上提高坐標點位精度，提升土方計算精度。

2）根據(jù)現(xiàn)場多次試驗勘測結(jié)果得出，當測量區(qū)＜1 000 m2時，場地布控點應(yīng)不少于4個，而當場地測量區(qū)＞1 000 m2時，平均每平方千米布控點應(yīng)以6～8個為宜且布控點應(yīng)在場地四周當均勻分布，避免測量失衡。

3）地面控制點布設(shè)達到一定密度時，土方計算精度趨于平穩(wěn)；因此，布控點布設(shè)并非越多越好，布置過多的控制點對土方量精度計算并無顯著幫助。

4 結(jié)語

本文基于無人機傾斜攝影測量技術(shù)實現(xiàn)土方計算的應(yīng)用研究，揭示了該技術(shù)可以快速、準確地計算土方量，并擴展了無人機技術(shù)的應(yīng)用。研究實踐表明，該技術(shù)對提高土方工程的計算效率和質(zhì)量具有顯著的幫助，為施工進度、工程預(yù)算和施工質(zhì)量把控等方面提供有力支持，可推動土方工程計算方法的創(chuàng)新和優(yōu)化。另外，針對本項目研究中存在的測量精度誤差問題，通過采用點云分類和高程修正的方式，能夠很好地解決無人機拍攝測量中遮擋物對數(shù)據(jù)點高程的影響，提高無人機測量土方量技術(shù)的精準度。試驗證明無人機攝像技術(shù)不僅適用于平原開闊地帶，對于一些復(fù)雜多變的地形也可通過技術(shù)處理進行精確的土方量計算。

參考文獻：

[1]柳聞儀，高 巍，凃道勇，等.基于傾斜攝影測量技術(shù)的變電站土方量計算研究[J].電力勘測設(shè)計，2019，（11）：69-72+76.

[2]張勇勇.集成無人機傾斜攝影測量技術(shù)與GEOPAK DTM的土方量計算[J].現(xiàn)代測繪，2021，44（6）：21-24.

[3]田海峰，牛" " 錚，王" " 力，等.基于無人機遙感數(shù)據(jù)的長水機場地形變化分析[J].地理空間信息，2015，13（5）：24-25+34+7.

[4]楊" 崗.基于無人機傾斜攝影的泥石流堆積量測量方法研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2021.

[5]李" 博，徐敬海.無人機傾斜攝影測量土方計算及精度評定[J].測繪通報，2020，（2）：102-106+112.

收稿日期：2024-02-21

作者簡介：劉法寶（1977 - ）， 男， 山東濰坊人， 工程師， 研究方向為道路橋梁工程。