无人机摄影测量在矿山土石方采剥量计算中的应用

无人机摄影测量在矿山土石方采剥量计算中的应用

高红岩 ,张梦丽,许子龙

河钢集团司家营研山铁矿有限公司 063700

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摘要：无人机航测作为测绘发展的新技术不受场地障碍影响，费用相对低廉，在对场地土石方量追踪管理方面成本较低，同时由于避免了大量人工现场作业，大幅提高了测量人员的安全保障。本文采用无人机航测技术，对测区改造前后的地形分别进行航空摄影测量，获取场地变化前后三维地形及影像数据，再将数据导入Autodesk的Civil 3D软件中，快速生成前后两次三维地形模型，以应对改造前后土石方量的计算工作，现将相关研究结果总结于下文，以供各位读者参考。

关键词：无人机摄影；土石方测量；外业数据；航测数据

前言

传统的土石方测量方法有水准仪测量法、全站仪测量法和GPS测量法。水准仪测量法是通过使用水准仪测量事先在测区布设方格网的每个角点高程来计算土石方量的。该方法适用性单一，若测区不适合布设方格网，该方法就不适用了，且费时费力。全站仪测量法具有操作简单，仪器要求低等优点，适合测量面积较小和通视良好的区域，反之，则会非常繁琐，且效率低下。GPS测量法是目前土石方测量中应用较多的一种方法，它不受距离和通视限制，且测量速度和精度较全站仪测量有所提高，但当测区有一些建筑、树木、电磁场等影响GPS信号时，该方法就不太适用了。因此传统方法受场地影响大、效率低下、人工成本高，亟待寻求一种高效、安全且经济的测量方法。新兴无人机航测技术为解决上述难题开辟了一条崭新途径。

一、实施技术路线

利用无人机航测技术进行土石方计算主要是通过无人机获取地形改造前后同一区域数字高程模型DEM与数字正射影像DOM，然后将地形改造前后的DEM与DOM导入Autodesk的三维可视化分析软件Civil 3D中，分别进行统计分析，再通过DOM选取需要计算土石方量同一区域的DEM，对其进行统计分析，得出改造过程中土石方的填挖方量。总之，基于无人机航空摄影测量的土石方量计算作业流程主要包括：测区踏勘、航线规划、地形改造前后航测数据采集、航测数据处理、DEM制作、DOM制作、地形改造前后数据分析、土石方量计算分析8项。

二、应用实例分析

本任务航飞工作采用六旋翼微型无人机对改造前后的地形分别进行航测数据采集，内业航测数据处理使用Pix 4D进行，再使用Autodesk的Civil 3D软件做前后两次地形分析，计算改造前后地形变化，得出场地平整过程中的土石方量。

（一）外业数据采集

实施航测外业数据采集时，基本流程如下。第一，航带设计。对测区进行现场踏勘，确定测区范围与地形情况，根据《低空数字航空摄影测量外业规范》(CH/Z3004--2010）中1：500地形图航测规范要求，对本项目外业进行航带设计。根据要求，该项目确定航飞高度为200m，航向重叠度和旁向重叠度分别为75%和45%。第二，像控点布设。根据规范要求，本项目在测区四周以及中间均匀布设了12个平高控制点，保证100张相片能有6个控制点，并保证控制点至少能在两张影像上同时找到。第三，航测参数设定。根据航飞现场情况，确定各项飞行参数，完成航测数据采集工作。

（二）航测数据处理

对采集完成的两期航测数据采用Pix 4D mapper软件进行数据处理图（1）。

图（1）航测数据处理流程图

（三）土石方量计算与分析

在计算机处理过程中，地表面模型DEM的主要数字表现形式是不规则三角网TIN，故土石方量计算主要是利用TIN进行的。因此，需要将改造前地表DEM生成的TIN和改造后生成的TIN叠加，形成交线，即是场地开挖过程中开挖区与回填区的分界线。通过计算每条分界线所包围成的封闭区域的体积大小，就可以计算每一个开挖区与回填区的体积，然后对每个开挖区与回填区进行累加，即为所求区域土方的挖方量与填方量。因此，改造前后两期地形的土石方量计算主要流程如下。首先，将改造前的点云数据DEM导出为文本格式，并导入Autodesk的CivilI 3D软件中，生成TIN曲面模型。对改造前的地形进行分析，统计各处最大高程、最小高程以及各高程区间范围（图2)。

图2改造前地形TIN曲面模型分析结果

其次，将改造后的点云数据DEM出为文本格式，并导入Autodesk的Civil 3D软件中，生成TIN曲面模型。对改造后的地形进行分析，统计各处最大高程、最小高程以及各高程区间范围（图3)。

图3改造后地形的TIN曲面模型分析结果

再次，在正射影像上圈出需要计算土方量的区域，并用确定的边界对该区域地形的TIN曲面模型进行提取（图4)。无人机航测可同时得到测量区域影像，可直接在影像上确定土方量的计算范围。

图4确定土石方计算范围

最后，在Civil 3D中打开需要计算土石方量区域的两期地形TIN模型，利用软件中的地形分析工具，以改造前的地形为参考基准，计算改造后地形的填方量和挖方量，统计分析两期地形变化，得出填挖方量结果，输出土石方量报告：投影面积14814.51m

2，挖土石方量18740.80m3，填土石方量47.28m3。

三、精度分析

为了分析无人机航测技术测算石方量的精度，本文将该方法与传统GPS测量法进行比较。采用传统GPS-RTK方法获取测区范围内两期地貌特征点各60个，记录各点平面坐标、高程及每个点对应的实地位置作为检查点。从两期地形模型中提取各检查点对应位置的模型点坐标与检查点坐标作比对，进行精度评估。先利用两期测量的各60个检查点分别对两次航测的平面、高程进行精度分析，结果为地形改造前平面中误差+0.39m，高程中误差+0.32m，改造后平面中误差+0.36m，高程中误差+0.29m，满足1：500大比例尺低空数字航空摄影成图要求。再利用CASS9.0软件中土方计算功能完成异常点剔除、计算边界界定以及基准确定等工作后，基于方格网法计算改造前后的土石方量。然后将传统GPS测量法计算得到土石方量结果与无人机航测计算结果进行比较，结果为两种方案的挖方量相差80.95m3，占总挖方的0.4%，填方量相差1.59m3，占总填方量的3.3%。比较分析结果显示，采用无人机航测得到的土石方量精度可以满足土石方计算的一般工程测量规范要求，可用于工程项目土石方计算。

四、结束语

无人机航测技术运用于工程土石方计算有如下优势：①相对于传统土石方测量方法，无人机航测技术更加机动、灵活，不受地形限制，在平缓、陡峭地区均适用；②数据采集更加快速，传统方法数据采集通常需要数周，该方法一般仅需1d就能完成，特别是当测量面积较大时其优势更加明显；③在测得地形高程数据同时，该方法获取了影像数据，可更加精确界定土石方的计算范围，使计算结果更加精准；④所得的DEM为数字形式，可直接导入商业软件中进行计算分析，提高了计算效率；⑤减少了人员投入，减轻了外业工作量，节约了生产成本。

参考文献：

[1]黄皓中.基于无人机数据的露天矿三维时空对比及微地貌分析[D].中国地质大学(北京)，2018.

[2]王峥羽，王文成，李德鑫等.基于光流法地形跟随的矿区复杂地形无人机摄影测量[J].金属矿山，2019（7）：5.

[3]陶沈圣，温楷和，柳楠等.无人机航测技术在高速铁路站场土石方计量中的应用[J].交通科技与管理，2020.