无人机航测技术在土方测量中的应用研究

无人机航测技术在土方测量中的应用研究

庄须照

山东省地质矿产勘查开发局第三地质大队 山东省烟台市 264004

摘要：无人机航测技术应用范围较为广泛，该技术在土方测量中的应用能够在一定程度上提高土方测量的效率和质量。文章对土方测量重要性进行分析，探讨无人机航测技术在土方测量中的应用。

关键字：无人机；航测技术；土方测量；测量技术

引言

传统的土方计算及测量方法包括DTM法、方格网法、散点法和纵断面法等，一般会存在精度低、误差大、过程繁杂、投入人工成本高等缺点。随着无人机航测技术的快速发展，差分GPS硬件设备的集成和测量软件系统的更新，使高精度、免像控的无人机航测技术应用进入平民化时代。高集成、高效率、分布式数据处理系统的出现，简化了数据采集到成果应用之间的过程，使无人机航测技术广泛应用于测绘、水利、林业、应急等行业，成为数据快速采集与处理的重要技术手段。

1土方测量的重要性

土方测量(计算)是工程设计、工程施工中一项重要工作内容。在区域土方平衡、场地平整、矿业开采、道路施工、建筑施工中，都需要精确地计算出填、挖方量，并以此作为土方施工费用结算、工程造价预算的重要依据。土方测量(计算)结果的准确性是项目管理方、施工方、审计方等关注的重点。影响土方测量结果准确性的因素，集中在外业数据采集、内业土方计算两个阶段。随着GNSSRTK技术、大地水准面精化技术、机载雷达技术、三维激光扫描技术、无人机倾斜摄影技术等高新测绘技术的应用,作业人员按规范要求作业，外业数据采集精度可得到有效保证。因此，采用合理严谨的土方计算方法，提高土方测量的准确性，显得尤为重要。

2无人机航测技术应用于土方测量的优势

目前，建筑用地设计地形的实现必须依靠土方施工来完成，建筑物、构筑物、道路及广场等工程的建设，都是从挖掘基坑、修筑基础等土方施工开始的。因此在工程建设中，如何提高土方测量的速度和精度，减少土方量计算的误差，提高计算精度，具有重要的现实意义。常规的土方计算方法包括方格网法、断面法、DTM法、等高线法、区域土石方量平衡法和平均高程法。土方计算要以外业实测特征离散点坐标为基础，通过建立相关土方计算模型来获取土石方量，因此，土方量的计算精度取决于所测量特征点位的精度和密度。传统的水准仪、全站仪、GPSRTK等以碎部点测量为主的空间数据采集方法，对于地形复杂破碎、坡坎纵横、不规则的区域，无法获取准确的数据。虽然三维激光扫描技术的出现，为解决上述难题开辟了一条崭新的途径，但也很难同时兼顾效率和成本。无人机倾斜摄影测量数据获取较快，每天可获取上万张影像，获得的三维数据可真实地反映地物地外观、位置、高度等属性，增强了三维数据所带来的真实感，并生成相应的DEM和DOM，为土方计算提供依据，而且获取的影像分辨率高，在三维模型重建过程中有着重要作用。相比于三维激光扫描技术、传统的航空摄影测量技术，无人机应用更加灵活，对起飞降落要求较低。

3土方计算方法

土方量的计算涉及众多领域，露天矿山开采、土地利用开发整理、工程建设等，土方量计算的精度会直接影响到工程的经济效益。一般的土方计算方法有方格网法、三角网法和断面法三种。第一，方格网法。方格网法是将计算区域划分成若干个正方形单元格网，然后计算每个格网交点位置原始地形和完工地形的高差，每个单元格网内的土石方工程量为四个交点位置的高差取平均值后乘以单个单元格网面积求得，最后汇总累加得到总填方量和总挖方量。从其计算原理上我们不难看出，方格网法的精度与方格网的宽度取值有关，理论上是，方格网宽度取值越小，计算精度越高。但是在实际应用中，我们还要根据计算区域的面积来设定方格网宽度取值。因为方格网的四角高程为附近高程内插而成，这种情况就会忽略考虑地形的特征性，所以这种方法使用于地表起伏不大的面状地形，对于地形复杂起伏较大的区域不适合。第二，三角网法。三角网法是通过地形表面的三个不同坐标点构成一个三维的三角形，通过这些三维三角形来吻合实际地形的形状，这些不同的三维三角形就构成一个三维三角网，三维三角网就是反应地形的一个三维面，三维三角网与现状地形越吻合，其计算的精度就越高。它的计算原理就是采用开方前和开方后两期的三角网构成一个三棱柱和三棱锥，最后通过累加每个空间立体的体积而计算得到土方量。三角网法对于地形起伏变化大的情况适用，但是内业软件生产的三角网无法智能地吻合高低起伏的地形，这就需要人工修改三角网使之贴合现状地形，这个过程比较繁琐，需要作业员对现状地形非常熟悉。第三，断面法。断面法是根据土石方计算范围，将场地划分为若干个横断面，按原始地面线与设计断面线组成的断面图计算每个横断面所围面积，然后取两个相邻断面面积平均值乘以此两断面的里程间距，计算求得此两个相邻断面间的土石方量，最后各个相邻断面间土石方量累加求和即为总土石方量。断面法适合用于带状区域的土方量计算，例如公路、水渠和市政管线工程等等。它的计算精度与选取的断面里程间距有关，断面间距分割得越精细、精度就越高，断面间距的选择原理和三角网法原理一致，吻合地形是提高精度的重要因素，对于地形起伏较大的地方则需要减少里程间距，在地形高低处都应要有断面。

4无人机航测技术在土方测量中的应用

4.1无人机飞行规划

在航线规划时，应对测区进行充分踏勘，在保证飞行安全和数据精度的前提下，设定合适的飞行高度。起飞点选择在视野开阔、地面空旷的区域，避开地磁干扰和强电场区。飞行路径调节时，尽可能保证航线数少;同时适当调整方向，使航线两端与起飞点之间距离差尽可能小，便于无人机在低电量时调整返航点，提高无人机单架次的工作效率。在飞行过程中尽可能将遥控器天线对着飞行器的方向，并保证遥控器网络连接，避免遥控器断网和飞行器失联，导致数据测量精度降低，甚至引起飞行器失联返航。

4.2影像数据处理

倾斜影像处理采用的是PIX4D软件，将获取的倾斜影像导入PIX4D软件中，设置模式为3Dmodel，进行影像初始化处理，利用SFM算法提取影像同名点，精确重建物体三维结构，定位地物的相对位置。初始化处理完后将野外测量的控制点坐标导入，并在相应的影像上刺点，工程采用的是RTK版无人机作业，刺点数可适当放宽要求，作为检查点检核精度。

4.3土方计算质量控制

利用TIN模型，可以拟合计算场区内任一点的高程值，有效地解决了方格网法各格网点高程值的拟合计算问题。根据方格网法的计算方法，格网长度越小，单个格网面积越小，各个格网面对实际地表面表达的精度越高，各格网方量计算精度越高。根据大量的实践经验，当格网长度逐渐缩短至2m或者1m时，计算出的填、挖方量会趋于收敛。实际工程中，可根据地形特征，多次计算比较分析，确定目标格网长度，将计算出小格网长度的方量作为目标方量，并结合《城市测量规范》中土方计算检核较差不大于3%,对土方计算质量进行有效控制，以保证土方计算的准确性。

结语

综上所述，无人机倾斜摄影测量技术是非接触式的，外业数据采集具有速度快、效率高、精度高、范围大的特点，采集得到的图像分辨率高，经过处理可以生成三维表面模型。在日后工作中需要结合土方测量实际情况制定无人机摄影测量技术方案，并落实到具体的工作中，以保证土方测量的准确性，为相关工作提供依据。

参考文献

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