无人机航空摄影测量在土方平衡中的应用

勘测联合网 07-07 150

前言：

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来源：《测绘与空间地理信息》2017年12月

作者：陈淼新，袁树才，孙雨

摘要: 研究了无人机航空摄影测量技术在土方平衡中的应用方法，解决了采用传统方法作业过程中存在的外业工作量大、效率低、费用高，内业计算复杂、精度低等问题。以实例介绍了无人机航空摄影测量在土方平衡中的应用过程，详细介绍了利用无人机进行三维地形数据采集与处理的过程，以及使用Civil 3D 软件进行土方平衡设计的方法，并分析了测量及数据处理精度。实验证明: 该方法可满足工程应用对土方平衡的精度要求，且快速、准确，大大提高了生产效率，节约了生产成本。

关键词: 无人机; 航空摄影; 土方平衡

0 引言

土方平衡是指通过对施工现场地形的测量，得到施工前场地的地形图，再与设计方案中场地的设计标高进行比较，计算出场内高处需要挖出的土方量和低处需要填进的土方量，然后通过调整设计标高，使填挖方量基本达到场内自平衡。在计划基础开挖施工时，要尽量减少外运进、出的土方量的工作，这不仅关系土方费用，而且对现场平面布置、进度以及成本的控制都有很大的影响。因此，选择合适的方法，高效、快速、准确地进行土方平衡的设计工作，对工程项目的高效合理的开展起到至关重要的作用。

土方平衡对原始场地地形的测量至关重要，传统方法有水准仪测量法、全站仪测量法和GPS 测量法[1]。这些测量方法通常需要人工对地形特征点一个一个地进行现场测量，且对场地的环境要求通常较高，当测量范围较大、测量环境不佳时，测量工作将开展得非常缓慢，不但延长了工期，工程成本也将大大提高; 且传统的测量方法，成果多为二维地形图，后期土方平衡的内业处理大多是在二维图纸上发挥工程师的空间想象能力进行的，不但需要大量的人力和时间，而且计算结果误差较大，容易出错，没有直观的三维模型，每次调整场地方案都要重新绘制图纸、计算土方量，不能够动态分析土方量，工作效率低下。因此，亟待寻求一种高效、便捷、经济的内外业一体的三维土方平衡设计方法。

新兴的无人机航空摄影测量技术，为解决上述难题开辟了一条崭新的途径[2]。无人机航测作为测绘发展的新技术，具有机动灵活、数据现势性强、地形分辨率高、信息化程度高、劳动强度低、生产效率高等优点，国内外众多学者已经开始尝试用该技术进行土方平衡的设计工作。采用该方法进行土方平衡，前期地形图测量可不受场地障碍的影响，且工作效率高，方便快捷，同时由于避免了大量的人工现场作业，大大降低了项目成本。由于无人机成果数据信息化程度高，地形处理结果可以直接提供三维点云，可直接导入三维数据分析软件，大大提高了土方平衡内业设计计算的速度与精度。

本文采用无人机航测技术，首先对施工场地的地形进行航空摄影测量，快速、准确地获取施工前场地的三维地形，再将航飞得到的实际场地地形与初拟的设计地形同时导入Autodesk 的Civil3D 软件中[3]，快速地生成实际地形与设计地形的三维模型，进行叠加分析，算出场内的土方填挖方量差，然后通过动态的调整设计标高，形象、直观、快速地在三维视图中实现场内的土方平衡。

1 无人机航测技术在土方平衡应用中实施的技术路线

土方平衡的目标在于整个工程红线范围内挖土方和回填土方的平衡，因此该任务的关键在于现状原始地形数据的采集和原始地形与设计地形间的地形差的求取以及设计地形的动态调整[4]。

利用无人机航测技术进行土方平衡的工作，主要是通过无人机获取实际地形的数字高程模型DEM，然后将其与初拟设计标高的场地DEM 同时导入Autodesk 的三维可视化分析软件Civil 3D 中[5]，进行计算分析，得到工程项目中的填挖方量，看是否满土方平衡要求，若不满足则通过软件实时调整设计标高，直至满足土方平衡要求。具体思路如下:

1) 通过现场踏勘，确定测区范围与地形情况，根据现场环境，进行无人机航测数据采集工作。

2) 采用航测数据处理软件对航测数据进行处理，生成数字高程模型DEM。

3) 将通过无人机航测生成的DEM 导入Civil 3D 软件中进行原始地形的曲面建模。

4) 根据设计要求，初步设计场地方案，根据初步设计的标高，在Civil 3D 软件中构造出设计曲面模型。

5) 将原始地形曲面与设计曲面进行比对计算，得出场地内总的土方填挖方量。

6) 一般工程项目要求规定当填方量或挖方量超过10万立方米时，填挖之差小于5%; 当填方量、挖方量均小于10 万立方米时，填挖方之差小于10%时，为土方平衡。根据该要求判断场内土方填挖方量是否平衡，若不平衡则调整场地设计标高，调整方案可根据情况决定，可调整场地的整体设计标高，也可结合设计需求调整局部设计标高，然后依据新的设计标高，重新构建设计曲面。

7) 将调整后的设计曲面与原始地形曲面进行比对，再次计算土方填挖方量，然后继续判断是否平衡，如此反复，直到满足土方平衡要求。

8) 当设计场地满足土方平衡后，可利用软件生成土方明细图，用于指导施工。

具体技术路线如图1 所示。

图1 实施技术路线

2 应用实例

本实例为某一200 多公顷的现代农业湿地生态种养开发区项目的土方平衡设计任务，采用六旋翼微型无人机对原始场地地形进行三维数据采集，使用无人机航测处理软件Pix4D 进行内业航测数据处理，再使用Autodesk的Civil 3D 软件进行土方平衡的计算分析与动态标高设计以及土方明细图的生成工作。

2. 1 外业数据的采集

根据项目情况，对规划区场地地形进行无人机航测数据采集。航测外业数据采集采用六旋翼微型无人机，基本流程如下:

1) 航带设计。对测区进行现场踏勘，确定测区范围与地形情况[6]。该任务为前期规划阶段，可采用1∶ 2 000地形图。因此根据国家规范《低空数字航空摄影测量外业规范》中1∶ 2 000 地形图航测规范的要求，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300 m、航向重叠度和旁向重叠度分别为75%和45%。

2) 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36 个平高控制点，保证了100 张像片能有6 个控制点，并保证控制点至少能在两张影像上同时找到。

3) 航测参数设定。根据航飞现场情况，确定航测时飞机的各项飞行参数，完成航测数据采集工作。

2. 2 航测数据的处理

当外业航测数据采集完成后，需要对航测数据进行处理，数据处理采用Pix4Dmapper 软件进行，主要流程如图2 所示。

1) 获取航测原始数据。无人机航测过程中的原始数据主要包括航测照片、POS 数据以及像控点数据。

图2 航测数据处理流程图

2) 新建工程并导入原始数据。新建项目工程，导入航测照片与POS 数据，然后使用软件工具栏中的像控点编辑器逐一输入控制点坐标，并在像片上逐一刺出像控点的位置。

3) 根据本项目的要求，填写各航测数据处理选项参数。

4) 点击一键式全自动处理。软件将根据项目所选处理参数，自动完成空三加密工作、自动生成测区点云，查看软件生成的质量分析报告，检查航测数据处理是否满足精度要求。

5) 编辑点云数据。软件自动生成的点云中含有许多噪点，如房屋、树林等地表物体，因此需要通过编辑将其剔除，获取需要的测区地表数字高程模型DEM[7]。

2. 3 土石平衡计算与分析　　

1) 原始地形建模。将无人机航测得到的原始地形数字高程模型DEM 导入三维设计分析软件Civil 3D 中，利用软件的“曲面”功能创建原始三维地形曲面。在Civil3D 软件中地表曲面模型的主要数字表现形式是不规则三角网TIN[8]，因此对土石平衡的计算主要是利用TIN 进行。该方法相对传统的格网法，充分利用了无人机航测地形分辨率高的优势，直接用原始地形点形成三角网面，不需内插格网点，不改变原始数据和精度，因此该方法能够很好地适应复杂不规则地形，且精度更高。

2) 构造设计曲面。该规划区项目为现代农业湿地生态种养区，因此根据项目需求，该区的场地设计按照地块使用要求，进行分区规划设计，将经过初步设计的场地方案导入Autodesk 的Civil3D 软件中，构建设计曲面模型。

3) 填挖方量计算。利用Civil 3D 的“分析”功能，对由初拟设计地形构成的设计曲面与原始地形曲面做差集运算，土方计算方法选取“三菱柱”算法，基准面选取原始地形曲面，对照面选取设计曲面，并输入松散系数和压实系数，通过计算两个曲面之间进行矢量叠加形成的体积曲面，便可计算出填挖方量，并可显示出填挖方范围，直观方便。

4) 调整场地设计标高。经过上一步原始地形曲面与初始设计地形曲面的分析计算，得出填挖方量差为挖方156. 6 万m3，根据判断依据，填挖方量均大于10 万m3，且填挖方量差大于5%，不满足土方平衡要求，需要调整设计标高。本项目场地设计是按功能分区设计的，因此可根据设计需要调整局部分区的标高，Civil 3D 软件可动态直观地在设计曲面上进行标高设计的调整。

5) 反复迭代计算填挖方量。将调整标高后的设计地形曲面与原始地形曲面再次做差集运算，重复土方量计算步骤，直到土方填挖方量达到平衡要求。经过反复调整优化设计场地标高，最终将填挖方量差调整为挖方0. 2 万mm3，小于填、挖方量的5%，满足土方平衡要求。土方工程量统计见表1。

表1 土方工程量统计表

6) 生成土方图。通过对规划区场地地形的优化设计，达到土方平衡后，利用软件将场地划分为长宽各50 m的方格网，计算每个方格网内的具体土方填挖方量情况，快速生成准确的土方明细图。土方图可清晰地反映出每　一个网格中的挖方和填方数值，为后期进行土方施工调配方案的制订，提供了详细依据。

3 精度分析

为了分析无人机航测三维地形数据采集的精度，本文根据航测规范要求采用传统的GPS - RTK 方法获取了测区范围内的地貌特征点80 个，并记录下各点平面坐标、高程及每个点对应的实地位置，作为检查点。从航测采集地形的DEM 中提取出各个检查点对应位置的点坐标与实测检查点的坐标作比对，进行精度评估。结果为无人机航测数据的平面中误差± 0. 68 ，高程中误差± 0. 56 。按照国家《低空数字航空摄影测量内业规范》要求，航测的平面和高程精度满足1∶ 2 000 大比例尺低空数字航空摄影成图的要求。

对土方平衡计算的精度分析，本文利用传统的南方CASS 9. 0 软件，利用软件方格网法计算功能，对设计场地的土方填挖方量进行复核计算，与Civil 3D 的计算结果偏差在5%以内，较为吻合。作者认为计算产生的偏差是由于方格网法对原始地形进行了插值处理，造成了地形精度的损失而导致的。

比较分析结果显示，采用无人机航测得到的原始地形DEM，可以满足工程测量规范要求，采用Civil 3D 软件进行土方平衡分析计算得到的土方填挖方量与传统方法计算结果吻合，满足了土方平衡计算要求。

4 结束语

本文研究了采用无人机航测技术进行土方平衡工作的流程以及数据处理的方法。研究表明，将无人机航测技术运用于工程土方平衡工作中有如下优势:

1) 相对于传统的场地地形测量方法，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) 该方法数据采集更加快速。传统方法数据采集通常需要数周，该方法通常一天就能完成数据采集工作，特别是当测量面积较大时该方法的优势更加明显。

3) 该方法测得的地形高程数据DEM 为数字形式，可直接导入三维设计分析软件Civil 3D 中进行处理，实现了内外业作业的一体化，减少了作业步骤。

4) 与传统的土方平衡工作在二维图纸上用方格网法进行相比较，用无人机采集的三维地形数据可直接在Civil3D 中用不规则三角网法进行，该方法精度更高，处理结果更加直观，场地设计方案可三维动态呈现，并且整个过程软件都能对数据进行自动检查，大大降低了设计人员工作强度，减少了人为错误。

5) 该方法减少了人员投入，减轻了外业工作量，降低了内业数据处理强度，提高了生成效率，节约了生产成本。因此研究表明，该方法高效、便捷，可推广应用。

参考文献:

[1] 张红亮，胡波，蔡元波. GPS - RTK 技术在土方测量中的应用[J]. 城市勘测， 2008， 23( 5) : 83 - 85.

[2] 张祖勋，张剑清. 数字摄影测量学[M]. 武汉: 武汉大学出版社， 1997.