贴近式倾斜摄影测量在土方工程决算的应用研究

杨景梅

【沈阳飞机工业（集团）有限公司，辽宁 沈阳 110034】

工程管理，将项目的进度、目的、费用等因素进行合理规划，制订细则。为项目进展提供保障，因此意义重大。其中，工程审核为核心，而土方核验是其中关键。审核前应定制严密计划，根据具体情况调整。

土方测量方法选择对工程管理意义重大。传统方法包含水准测量、全站仪与 GPS 测量。传统方法受场地影响较大，效率低，费用高。贴近式无人机航测的应用，场地障碍物不会对测量产生影响[2]，具有敏捷度与地形分辨率高、人工投入低、生产效率高，数据信息度高等优点。

近年贴近式倾斜摄影测量的发展，避开传统模式的弊端。可以获得完整显示地形地貌特征的、高精度的DSM，同时可输出带有空间位置信息的正面摄影图像数据。影像获取流程包括明晰工作任务、项目目的确定及飞行空间请求、规划航路、航行操作和飞行数据检查、相片编辑、成果递交。其流程图详见图1。

图1 作业流程图

本文介绍贴近式倾斜摄影测量在土方验方操作与理论，进行数据采集与三维建模，测试精度，探讨在土方测量中的可行性。

1 土方量计算原理与方法

1.1 现有土方量计算方法

由三角棱镜法构建三角形和网格得出各个三角形金字塔填挖量，并累计填挖量得出三角棱柱体法公式。

由三角形各个角高程得差异，各区域可分为以下情况:满填满挖或有填有挖。

各点均填或挖，见图 2（a）所示。

式中S是三角形投影到参考面的面积；H1，H2，H3为每点取绝对值的填挖高程。

三角形每点有填、挖，分为以下两个部分：底面呈三角锥体与四边形的楔体，见图 2（b）。

其中，锥体部分的体积计算公式为：

楔体部分的体积计算公式为:

式中S是三角形投影到参考面面积；H1，H2，H3各点取绝对值填挖高程， H3为顶点填挖高程[3]。

图2 三角棱柱图

土方测量点间距从几米至几十米不等，缩短点间距可提升测量精准度。利用三维激光扫描仪，间距可至毫米级精度，测点密度高，加密测点少。排除仪器影响，土方测量的精度要更高，同时采用Cass软件计算。

土方量计算包括断面法、等高线法、方格网法与DTM法土方计算。每种方法各有优缺点[4]，适用不同情况下的土方测量。

2 土方计算实例

2.1 研究区概况和总体流程

本试验使用大疆系列多镜头贴近式倾斜摄影测量系统，通过真实的 3 D 建模方法来模拟土方石开挖和回填，使用视觉质量进行分析计算，改善土方平衡计算条件精度，对项目成本控制起着重要的作用。

本次土方量计算试验研究区为位于S市东南部的某大学的部分实验区，测区约30000m2，视野无遮挡，飞行环境良好。

采用单摄像头无人机对区域进行数据采集，使用 Context Captur（Smart3D）、EPS 软件对模型进行编辑，最后使用 CASS 软件进行土方平衡的计算。

2.2 无人机影像获取

获取步骤由场地踏勘、航路设计、无人机预备与作业组成。

设置航高为70m。航向重叠度 80%，旁向重叠度70%。设定航线起终点、航线长度、间距、方向参数，规划为矩形航线。采集到影像地面空间分辨率为3.06cm，共采集583 幅质量良好的图像，包含建筑物顶部表面信息与丰富的侧面纹理，并进行空中图像数据检查、补拍或重新设置航线飞行。图3为航拍成果。

图3 航拍成果

2.3 三维建模系统 Context Capture 进行实景三维建模

利用Context Capture 空三计算、修正。运行结果合格后，对切块重建，区块收缩，构建模型。输出3D模型产品格式为 OSGB，其运行步骤如图4所示。

图4 Context Capture运行步骤

在创建模型时，密集匹配多视影像并产生高密度点云数据，生成不同层次的不规则三角网，如图 5所示，同时得到带有白模的三维模型，如图 6所示。软件可以依据每张影像提供的精确位置信息计算出每个三角网对应的影像位置，然后将纹理信息与三维 TIN 模型进行配准，最终完成纹理贴附，创建三维模型。

图5 测区纹理模型

图6 测区白模模型

2.4 EPS 软件提取高程点

EPS 可以编辑多种数据。提供基于正射影像（DOM）、实景三维模型（osgb、3ds、obj、dsm 等）、点云数据三维采集编辑工具，支持大数据浏览以及高效采编库一体化，直接对接不动产、地理国情等专业应用解决方案。

将建模结果输入EPS 构建 DSM。选择水平切割方式对模型进行裁剪和显示，正向高程选择 47.6，反向高程选择 65.7，进行切割。结果如图7、图8所示。

图7 模型切割前

图8 模型切割后

在测区范围内，运用点选、线选、面选的方式提取高程点。成果建立以后，还可产生多种类型数据。能完成一般形式以及按照一定属性要求的输出。

2.5 Cass 进行土方量计算

测区平地面积为 21316.1m2，高程在48.412 m～ 62.430m之间，总挖方量为12724.7m3，总填方量为 25711.3 m3。

采用 DTM 法计算土方量，将 EPS 中导出的 dwg 文件在 CASS 中打开，用多段线命令连接、闭合高程点，圈定土方范围并计算。

图8 DTM 土方计算结果图

3 精度分析

土方测量和运算精确性同经济利益挂钩，必须遵守相关规范和标准，保证成果的精确。

应用五点法，像控点分别设定在测区四角与中间。均匀设置10 个特征点作为检查点验核模型准确度。外业应用 GPS RTK 测量测得坐标视为实际值。将模型上检查点的坐标同实际值对比，得出高程中误差。

表1 检查点高程误差统计

3-1为高程中误差计算公式，算出检查点高程中误差 0.188m，误差在0.021m至0.443m之间。

根据《1:500、1:1000、1:2000 地形图航空摄影测量内业规范》GB/T 7930- 2008，本次精度满足 1:500 地图比例尺测量规范[6]。

源数据、建模误差决定土方计算准确度，DIM 土方计算的核心是数据采集。DIM 法是最贴近源数据精度的模型[7]。

4 结语

工程管理对企业的经济利益、质量、形象、信誉影响巨大。选用正确方法验核工程量，尤其是土方量计算就显得尤为重要。

采用贴近式航测技术得出土石方量的技术具有以下优点：

（1）该技术不受地形制约，在平坦、陡峭区域均合适；

（2）数据采集更快速；

（3）得出地形高程数据并获得影像数据，更准确圈定土石方计算范围；

（4）所得 DEM 可直接导入软件进行计算分析，提高效率；

（5）减轻工作量，节约生产成本。

贴近式倾斜摄影测绘具有传统技术无法比拟的优势。应用贴近式航空倾斜摄影三维真实场景模型，对土方开挖回填过程进行效法。直观有效地进行土方开挖运输分析计算，并实现土方平衡计算的精细化，对工程造价控制、工程管理具有重要作用。