市政工程无人机土方快速测量技术研究

2018-12-28杜传良刘伟荣严海波汪和方

山西建筑 2018年36期

李俊杜传良刘伟荣黄宇严海波汪和方

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州 311122)

0 引言

污水处理项目工程组成以大量的半地下池体建筑和地下管线工程为主，大规模的地下工程会导致大量土方开挖、回填发生，是污水处理项目施工的一大特点。在已了解各施工作业面土方开挖和回填设计方量的条件下，在有限的空间范围内实现大量的土方调运和临时中转堆放的合理安排，避免出现临时堆土场中转土料超过设计容量的情况，充分利用有限的临时设施，落实“绿色施工”中有效使用临时设施用地的要求[1]，保证工程施工的顺利开展，对工程建设管理者的管理方法是一项巨大的挑战，其关键在于现场及时、快速地掌握现场各临时堆土中转区域的实际使用情况。

随着无人机技术的发展，因其数据采集的便捷性、及时性和低应用成本的优势，已开始为各个行业提供无人机三维测量服务，并开始进入市政污水处理工程。鉴于无人机技术的数据提取环节复杂[2-4]，以及市政污水土方测量数据提取质量无需达到测绘行业成果所要求的精度级别的特殊性，使无人机使用人员常因行业知识不足限制其在市政污水处理工程中的应用。本文结合笔者在多个项目的实践经验，以仙居县污水处理二期工程为例，将无人机在污水处理工程土方快速测量技术的环节和数据质量与影响因子关系进行了分析和介绍。

1 项目概况

仙居县污水处理二期工程位于浙江省台州市仙居县，所在区域地貌属丘陵山地地貌。工程为新建工程，污水处理工艺采用“粗格栅及进水提升泵房+细格栅及旋流沉砂池+调节池+厌氧水解池+改良A2/O生化池+二沉池+高密度沉淀池+反硝化滤池+提升泵房+垂直流湿地+水平流湿地+转盘滤池+接触消毒池+表流湿地”，设计污水处理能力为4万m3/d，用地面积147 010.83 m2，总建筑面积为4 320.01 m2，绿地率为42.7%。

2 研究方法

2.1 研究内容

根据污水处理项目土方工程实际施工组织情况，利用民用旋翼式无人机，在不同飞行高度进行现场航拍，利用获取的低空航拍影像，提取现场三维点云、DEM数字高程模型、等高线、临时堆土方量测算、正射影像图生成等。

2.2 研究方法

以大疆系列旋翼式无人机为平台，采集在航向和侧向重叠度均不小于60%、飞行高度不超过120 m的低空航拍影像，利用Agisoft软件根据影像拍摄点记录的空间位置，利用倾斜摄影测量技术，快速获取临时设施中中转料场的三维点云和数字高程模型、等高线、正射影像图，最终计算出堆放土方量。同时通过设置A，B两组对照实验，分析航高、影像重叠度等影响因子与成果数据质量的关系。其中A组为相同飞行高度、不同影像重叠度实验；B组为不同飞行高度、相同影像重叠度实验。

3 结果与分析

3.1 堆土清运时场平标高类型选择与土方量测算分析

经计算堆土坡脚边界曲面长为430.45 m，投影面积12 527.26 m2。其堆土区坡脚边界三维剖面特征见图1。

根据图1可知：堆土区坡脚边界为不规则形状，无人机获取堆土区表面标高后，计算堆土体积时，需要确定计算基底标高。实际估算堆土清运总土方量时，常用场平最终标高作为土方测算的基底高程将决定最终的土方清运量。在软件计算时，需根据地面最终形状或后期土地处理方式概化为几何体，以此为依据选择计算方法。目前，多种GIS软件可以提供不同场平最终标高类型相对应的算法，以无人机行业常用的Agisoft软件为例，提供了三种常用的基底起算方式：单一标高、平均标高、拟合标高。单一标高是场平最终标高为单一值时的情况，即堆土区使用完毕后统一场平至同一标高的土方体积测算方式。平均标高是场平后地面最终标高为不同值且可形成一个近似均匀坡面的土方体积测算方式。拟合标高是场平后最终地面标高为多个不同值且无规律的情况，如堆土区为临时借地且使用完毕后按照原地形恢复即可的情况。因本工程堆土区使用完毕后，场平最终标高将统一平整至180.00 m，基底类型选择适用于单一标高的土方体积测算方式。此时，将最终场平标高作为土方测量基底高程即可。

本工程在Agisoft软件volume计算选项中，选择Above custom level模式输入场平标高，可得出需要清运的土方量为20 443 m3。土方数量测量结果见表1。

表1 起算基底标高与土方量表

3.2 无人机飞行高度、影像重叠度对数据结果影响

使用无人机在某一固定范围内测量时，同一飞行高度下，不同影像重叠度时，采集的影像总数量会不同，进而在提取最终成果过程中导致累计误差量不同；同时，不同飞行高度、不同航线主要飞行方向、风速及能见度等影响也会造成影像分辨率、影像均方误(RMS)的不同变化。为研究飞行高度、影像重叠度对数据结果质量关系，设置了两组实验：A组为相同飞行高度、不同影像重叠度实验；B组为不同飞行高度、相同影像重叠度实验。

1)不同高度下影像数据与成果数据质量。

相同航高下，生成的正射影像在分辨率上无显著差异。从RMS值上来看，影像像元位置准确性和稳定性较高，但在生成的数据Z值方向上的误差值会存在差异。

表2 相同航高、不同影像重叠度实验结果表

由表2中数据可知：在Z值误差上，随着影像重叠度降低，误差逐渐增大。根据本次实验结果，当影像航向和侧向重叠度小于70%时，有可能导致高程误差范围超过1 m，对市政工程有可能导致土方施工组织会出现较大偏差。而在航向和侧向重叠度均大于70%的情况下，未出现大于1 m的误差。因此，在野外作业时，应考虑风力和能见度影响的不确定性，在民用无人机测量时宜避免使用70%以下的重叠度，以免因再次补测而增加外业工作量。

2)不同高度下、相同影像重叠度与成果数据质量。

由表3中数据可知：对于同一地块，在相同影像重叠度下，随着高度增加会在影像分辨率上会出现显著差异。随着飞行高度增加，图像分辨率由2.33 cm降低至5.91 cm，呈逐渐下降趋势；同时正射影像图的RMS值也逐渐呈现上升趋势，并超出1个像元。在风力和能见度条件较好时，对于提取土方体积较为关键的Z值误差都能够保持较高的精度。但是，在规划航线时，由于飞行器飞行方向、图像X方向与当地季风方向保持一致的条件下，飞行器飞行姿态受风速和无差分GPS定位误差的双重原因影响，该方向上的误差值范围随着高度增加而逐渐增加；而在Y方向上由于与季风方向垂直而始终能保持较高精度。因此，在一般精度条件下的土方量测定时，宜选择较低的飞行高度，以降低风力和能见度对无人机飞行姿态和成像清晰度的影响。