超低空遥感技术在山区公路土石方计量中的应用

黄飞新 1，张驱 2，潘勇 2，龙毅 3

1.广东惠清高速公路有限公司，广州 510635 2.广州誉宸信息科技有限公司，广东 广州， 510000 3. 南京师范大学，南京 21004

摘 要：土石方计量是决定公路建设进度和工程造价的核心环节。在山区公路建设中广泛存在“高、陡、滑、深”类复杂作业区域，一方面增加了土石方计量工作的难度和造价，一方面降低了作业效率和安全保障。本文以无人机数据系统为平台，将超低空遥感技术应用到山区公路的土石方计量中。首先，采用无人机对现场的地形地貌进行遥感监测，获得外业数据。然后，基于Pix4d软件完成计量区域内地形地貌的三维重构。最后，结合道路设计软件EIcad拟合设计路线和重构地图，提取具体路线的空间数据，计算新建公路的土石方量。超低空遥感技术在山区公路土石方计量工作中的应用，有效提高了路基土方的利用率和作业效率，确保了工程进度、作业安全和生态保护，是一项具有社会效益和工程价值的创新。

关键词：超低空遥感技术；无人机；土石方计量；山区公路

HUANG Fei Xin¹, ZHANG Qu²,PAN Yong², LONG Yi³

1.Guangdong Huiqing Expressway Co., Ltd..，Guangzhou 510635，China

2.Guangzhou YuChen Information Technology Co., Ltd., Guangzhou510000，Guangdong，China

3. Nanjing Normal University，Nanjing 210046，China

Abstract：Earth and stone measurement is the core link that determines the progress of highway construction and construction cost. In the construction of mountain roads, there are a wide range of complex areas of “high, steep, slippery and deep”. On the one hand, it increases the difficulty and cost of earthwork measurement, and on the one hand reduces the efficiency and safety. This paper uses the UAV data system as a platform to apply ultra-low altitude remote sensing technology to the earthwork measurement of mountain roads. Firstly, the UAV is used to remotely monitor the topography of the site and obtain field data. Then, based on Pix4d software, the 3D reconstruction of the topography in the metrology area is completed. Finally, combined with the road design software EIcad to fit the design route and reconstruct the map, extract the spatial data of the specific route, and calculate the earthwork volume of the new road. The application of ultra-low altitude remote sensing technology in the earthwork measurement of mountain roads has effectively improved the utilization and operation efficiency of roadbed earthwork, and ensured the progress of the project, operational safety and ecological protection. It is an innovation with social and engineering value..

Keyword: Drone, ultra low altitude remote sensing, mountain road, earth and stone

0 引言

近年来，随着国民经济的高速发展，以及国家路网结构密集化进程的不断推进，全国各地的公路建设呈井喷式发展。土石方计量是公路建设项目的核心环节之一，直接决定着项目的施工进度和工程造价。传统的土石方计量方法有水准仪计量法、全站仪计量法和GPS计量法^[1-3]，上述方法存在以下六种缺陷。①受环境限制大：较难在陡峭山坡、深谷、淤泥等区域获取数据。②获取效率低：复杂环境下的外业测量难度大、效率低。③获取数据量少：采用现场离散点测量的方式获取地形数据，以点构线，以线代面，数据点以抽样为主。④安全性差：公路施工现场多处野外，沿线常有“高、陡、滑、深”作业点。⑤易受主观影响：内业数据的处理较为繁杂，计算结果的准确性直接受到人员技术水平和主观情绪状态的影响。⑥人工成本高：外业测量人员需求较多，尤其是高温条件下的多组轮换作业。综上可知，为了适应公路建设的发展，满足山区新建公路的需求，需要开发一种区别于传统土石方计量方法的高效、准确地土石方计量新方法。

无人机超低空遥感技术主要用于空间信息数据的快速获取和处理，具有机动灵活、安全性高，成本低，效率高，数据精细等优势。为解决上述问题开辟了一条崭新的途径^[4]。超低空遥感技术是无人机技术和遥感技术高效融合的产物，以获取观测目标的空间位置、几何形状和光谱信息为目标，以无人机为飞行平台，以可见光相机等为传感器，具有独特的空中鸟瞰视角，可以获得基本无死角的全景影像，且覆盖范围大、采集效率高、监测精度高，适用于公路、桥梁等大型野外基础设施的建设管理。

本文以山区公路的土石方计量需求为立脚点，以提高“高、陡、滑、深”区域的作业效率为目标，以无人机数据系统为平台，将超低空遥感技术应用到山区公路的土石方计量中，建立了超低空遥感技术在山区公路土石方计量中的应用方法，为提高路基土方的利用率和作业效率做出贡献。

1 基于超低空遥感技术的土石方计量方法

1.1 技术概况

超低空遥感技术是利用无人机技术和遥感技术实现的快速获取空间遥感信息、完成遥感数据处理、建模和应用的技术。无人机超低空遥感系统由空中控制系统、地面控制系统和数据后处理系统组成^{[5, 6]}。

1.2 外业数据的采集

外业数据的采集包括以下三部分内容。

①布设像控点

根据目标区域的地形特点，依据以下四项基本原则，进行像控点的布设工作。

a）像控点一般按航线全区统一布设；b）相邻像对和相邻航线之间的像控点应尽量公用；c）像控点尽可能在摄影前布设地面标志，以提高刺点精度，增强外业控制点的可靠性；d）点位必须选择在明显目标点上，以便于正确的相互转刺。

②测量像控点

采用GPS-RTK技术，基准站通过数据链将观测值和测站信息传至流动站。流动站同时采集GPS观测数据并在系统内进行实时差分处理。输入相应的坐标转换和投影参数，实时得到厘米级的定位结果，从而测得像控点的三维坐标。

③无人机作业

根据目标区域的地形资料和边界范围，在地面站或移动端的航线规划软件中进行任务规划。针对不同的管理对象，对相对航高、飞行速度、航向/旁向重叠度、拍照间隔等参数进行定制化设置。完成航线规划并确认无人机状态正常，即可由无人机执行任务进行影像数据采集，进而获得外业数据。

1.3 内业数据的处理

获得外业数据后，需要对其进行分析处理，处理的步骤大概包括如下四部分。

①初始化处理

对航摄影像数据进行特征点提取与匹配，生成稀疏三维点云，校正相机参数，检查特征点的提取与匹配效果、数据完整性。

②像控点刺点

通过像控点刺点，将地面控制点三维坐标信息，加入到处理工程中，作为区域网平差方程解算的输入。

③空三加密控制点

通过少数地面控制点坐标进行区域网平差，反向求解相片的内方位元素和外方位元素，进而正向求解物方各点的三维坐标。

④生成数字成果

通过三维网格纹理重构，生成三维模型；对地形进行拟合生成数字地表模型（DSM）；通过正投影纠正与影像拼接生成数字正射影像图（DOM）。

1.4 土石方量的计算

首先，使用南方CASS软件处理数字成果，提取计量土石方的必要坐标数据。然后，通过EIcad道路设计软件，把必要的坐标数据和设计参数重新进行三角网格重构。最后，基于重构结果和点位信息，计算得出各个断面的土石方量。

2 山区公路的土石方计量工程实例

本实例为山区某新建公路项目，公路全长2700m。该工程采用2000万像素的四旋翼小型无人机作业，采集带宽200m。

2.1 采集外业数据

①沿线均匀布设18个像控点，使用GPS -RTK测量各像控点的坐标，结果见表1。

②在地面工作站规划10条无人机航线，检查无误后开始数据采集，飞行参数见表2。

表1 航测地面控制点坐标

表2 飞行参数表

2.2 处理遥感数据

使用Pix4d软件对采集数据进行处理，流程如下：①将外业采集的原始遥感图片导入POS数据库，建立测区。②导入控制点信息文件，设定分析参数。③对数据点进行空三加密，生成DOM、DSM文件，输出遥感地图信息，见图1~2。

图1 某山区公路三维模拟图

图2 某山区公路全线DOM图

2.3 计算土石方量

使用南方CASS软件，按2米方格网从DSM模型中提取坐标数据，导入EIcad设计软件进行道路三角网格模型的重构，见图3。在EIcad设计软件中计算各断面的填挖土石方量，以及总的剩余填挖土石方量（见表3）。

图3 三维网格重构

表3 土石方计算结果

2.4 评价测量精度

为了评价超低空遥感技术在公路土石方量计算中的测量精度，将前述结果与GPS-RTK法测量结果进行比较分析。

①点坐标精度

在道路范围随机均匀放置100个地面标靶，标靶中心点为检查点，利用GPS-RTK测量坐标及高程，与建模结果比较。结果显示：平面中误差±0.03m，高程中误差±0.07ｍ。满足1:500比例尺低空数字航空摄影成图要求。

②土石方量精度

利用GPS-RTK测量全线公路土石方量，测量原则为：路线纵向每5米一个横断面，横断面间距3米测一个点，同时在地貌突变处增加测点。然后将GPS-RTK计量结果与超低空遥感计量结果比较。结果表明：两种方案的挖方量相差4586m³，占总挖方量的0.4％；填方量相差2021m³，占总填方量的0.2％。满足一般工程测量规范中对土石方计量的精度要求，可用于工程项目土石方量计算。

综上可知，将无人机超低空遥感技术应用到公路土石方计量工作中有如下优势：（1）机动灵活，受地形限制小；（2）数据采集更加快速；（3）趋于面测量，计算结果更加精准；（4）数字成果可提取多种格式，提高计算效率；（5）减少人员投入和外业工作量，节约生产成本，降低安全隐患；（6）响应时间快，可动态掌握剩余路基填挖土石方量。

3 结论

本文以无人机数据系统为平台，将超低空遥感技术应用到山区公路的土石方计量中，研究了无人机超低空遥感技术的数据采集及数据处理、结合南方CASS及道路设计软件计算土石方量的的流程和方法。首先，采用无人机对现场的地形地貌进行遥感监测，获得外业数据。然后，基于Pix4d软件完成计量区域内地形地貌的三维重构。最后，结合道路设计软件EIcad拟合设计路线和重构地图，提取具体路线的空间数据，计算新建公路的土石方量。

参考文献：

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