研究市政工程无人机土方快速测量技术

王祥 代华

【摘要】随着我国科学技术的进步，在实际的市政工程中无人机土方快速测量技术已经被广泛应用。本文以实际的市政污水处理工程为案例，以无人机摄影原理为切入点，综合分析该工程实施期间无人机土方快速测量技术的具体应用情况，包括对土方数据的采集、提取以及输出等各个环节，同时还着重研究了数据质量以及其相关影响因子。

【关键词】市政工程;无人机;土方快速测量技术

现阶段我国无人机技术有了突飞猛进的发展，由于该技术在数据采集方面优势十分明显，不仅非常方便快捷，而且使用成本相对较低，因此无人机测量技术在各行各业广泛应用，尤其是在市政工程中。但是对于无人机土方快速测量技术来说，其数据处理方面相对比较复杂，而且在实际的市政工程中对于土方测量数据精度要求相对较高，这就会导致无人机使用人员由于其专业知识不熟练而出现一系列问题。本文作者结合多年的市政项目工作经验，以实际的污水处理工程为案例，综合分析无人机土方快速测量技术在市政工程上的具体应用情况。

1、无人机航空摄影测量工作原理

1.1无人机航空摄影测量系统的组成

对于无人机航空摄影测量系统而言，其主要由硬件和软件系统两部分组成，无人机作为硬件系统中至关重要的一部分，其中机载遥感设备是用来获取地面数据信息的重要监测设备，数据的传输要由通讯系统来实现，航线设计的设计使用过软件系统来制定的，可以根据实际的工程需要设定所需要监测的区域范围，同时还可以根据工程所需要的数据精度、分辨率、以及测量参数等数据信息来设定无人机的航线。综上所述，无人机航空摄影测量系统是由五部分组成的，其中包含地面监测、数据处理与传输、无人机控制、地面保障、无人机的发射与回收。

1.2无人机航空摄影测量

对于无人机航空摄影测量来说，其可以根据实际的工作需要以及设定的一系列技术要求等，在无人机上安装航测遥感装置，通过相关技术人员需要提前设定好飞行区域，然后才可以实现对所在区域的拍摄得到相应的影像数据。相关技术人员还需要利用影像和地面之间的数据传输关系，通过利用数据处理软件将影像信息提炼出工程所需要的信息。同时在实际的市政工程项目中，利用无人机快速测量技术还可以实现范围的放大缩小以及大比例尺航空摄影等功能，为我国各行各业的发展以及科技的进步提供了强有力的技术支撑。

现阶段，随着各种高新测量技术的突破性发展，尤其是RS、GPS、GIS等测量技术以及计算机技术、5G传输技术等，在市政工程土方测量工程项目中      无线遥感测量技术越来越被工程所接受，尤其是无人机遥感技术作为低空测量技术的代表被广泛应用于市政工程土方测量项目中，其主要应用于测量区域相对较小、大比例尺以及工期相对比较紧张的项目中，无人机土方快速测量技术以其独特的优势所在，抢占了大量的市政工程测量市场。

2、项目概况

某省市需要对其现有的污水处理工程进行改进，该省市所在的区域的地形地貌表现为丘陵特征，其地势相对比较平缓。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。该工程作为优化建设，需要在原有的污水处理工程上增加新型的处理工艺，从而最大限度的达到城市的污水处理效果。最终要求所建成的污水处理能力一天可以达到5万立方米，其实际的用地面积为15万平方米，实际的建筑总面积是5300平方米，整体的绿地率需要在一半以上。

3、具体实施方案

3.1研究的内容

根据实际的污水处理项目中土方施工的具体情况安排，本次工程项目中利用无人机快速测量技术实现对土方的测量，采用旋翼式无人机对整个污水处理工程项目区域在不同的高度进行全方位的拍摄工作，从而得到航拍影像资料，然后对影像资料进行综合分析并利用数据处理软件提取出工程建设所需信息，其中包括施工现场的三维点云数据数字高程模型、等高线分布情况以及正射影像图等等，最终计算出土方堆放数据。

3.2研究方法

我们选择旋翼式无人机作为测量平台，对于所拍摄的低空影像来说，应控制器参数，其中航向和侧向重叠度需要控制在60%以内，飞行器的高度要控制在120米以内。然后相关技术人员通过使用Agisoft软件来综合分析影像资料，使用倾斜摄影测量技术及时的提取相关数据信息资料，包括三维点云、数字高程模型、等高线分布情况以及正射影像图，从而最终计算出堆放土方量。除此之外，我们还设计了两组对照实验进一步分析数据变化情况，主要是针对飞行器的飞行高度、影像重叠度以及提取数据的质量三者之间的关系。A组对照实验设计为在同一飞行高度下，影像重叠度不一致，而B组对照实验设置為在同一影像重叠度下，飞行高度不同。

4、结果与分析

4.1场平标高的选择和土方量测算之间的关系

通过实际的测算得到堆土坡脚最外围总长度为450米，其投影下来的总面积大约为15000平方米。堆土位置的坡脚边界表现为不规则的形状，无人机只有得到堆土的标高才能合理的计算堆土的总体积，这就需要确定好基底的标高。在实际的估计堆土运输总体积时，一般情况下，使用场平的最终标高作为土方测算的基底高程，其测定值直接影响最终运输的土方总量。在利用软件计算过程中，相关技术人员需要根据实际的地面情况来选择计算方案。现阶段，有非常多的GIS软件可以根据实际的场平情况来综合分析选择最佳标高算法，例如在实际的无人机快速测量技术中，其最常使用的软件就是Agisoft，该软件可以提供3种最为常用的基底起算方案，其中包括单一、平均和拟合标高。对于单一标高来说，其主要应用于在场平后的最终标高是单一值时，就是在堆土工作完成后进行统一场平后，到达统一的标高进行体积测量的方案;对于平均标高来说，其主要应用于在场平完成后地面的最终标高的值不一致，但是可以大致看错成一个相对比较均匀的体积来进行计算的方案;对于拟合标高来说，其主要应用于在场平之后最终的标高是无规律变化的情况。由于该污水处理工程在实际的堆土区使用完成后，场平之后将最终标高统一设置为150米，这就符合单一标高测算方案，因此基底的类型也需要根据单一标高的体积测算方案来进行合理的选择，然后将最终场平标高等价于基底高程就可以测算最终的土方体积。该工程项目在应用Agisoft软件过程中，在选择volume中的选项时，需要在Abovecustomevel模式下输入实际的场平标高，这样就可以得到最终的需要测量的土方总量。

4.2无人机飞行高度和影像重叠度对数据提取质量的影响

对于无人机土方快速测量技术来说，在同一区域范围内进行测量工作时，飞行高度一致的情况下，影像重叠度不同，相应的收集到的影像数据总量也就会不一致，这就都会导致后续提取影像资料的质量有很大差异;另外，飞行高度不一致的情况下，无人机的飞行方向、风速的变化以及空气能见度等情况从而影响重叠率，最终也会对影像数据提取的质量产生很大影响。因为为了深入分析无人机的飞行高度、影像重叠度对于最终提取数据质量影响情况，我们进行了两组对照实验，一组是飞行高度一致的情况下，影像重叠度不一致的实验，另一组是飞行高度不一致的情况下，影像重叠度一致的实验。

（1）飞行高度一致的情况下，影像重叠度与提取数据质量之间的关系

对于在无人机飞行高度一致的情况下来说，其生成的正射影像在分辨率上并没有很大的不同。但是根据该实验结果表明，如果影像航向和侧向重叠度在小于70%的情况下，这就可能出现比较严重的误差，大约会在1m左右，这就会导致对土方体积的估算上产生非常大的偏差。但是航向和侧向重叠度比70%大时，测量的精确度就相对较高。所以，在进行无人机测量工作时，必须要充分考虑风力大小以及空气能见度的影响，尽可能的避免出现低于70%重叠度的情况。

（2）飛行高度不一致的情况下，相同的影像重叠度和提取数据质量之间的关系

对于同一测量区域来说，在相同的影像重叠度情况下，飞行高度与影响分辨率上成反比关系，即高度越高，采取到的图像分辨率也会随之降低，同时相应的正射影像图中的RMS值会随着增加。但是，在实际的规划无人机飞行航线时，其飞行方向、摄影方向同方向一致的情况下，飞行器的飞行情况受到风速以及GPS定位误差的影响，基本表现为正比关系。所以，在确保精度的情况下进行无人机土方测量工作时，相关技术人员应该尽可能的降低飞行高度，同时还要选择风速较低以及能见度较高的环境下进行测量。

结语：

综上所述，本文作者结合了多年的市政项目的工作经验，综合分析了无人机土方快测量以在实际市政污水处理工程项目中应用情况，合理的利用数据处理软件来有效的提取土方相关数据信息。除此之外，我们还综合分析了无人机飞行的高度与影像拍摄质量和数据提取之间的关系、无人机飞行高度与影像重叠度之间的关系，最终得到如下结果：

（1）对于无人机飞行的高度与影像拍摄质量和数据提取之间的关系而言，在相同的飞行高度下，影像的数据提取质量与影像重叠度成正比关系存在。因此在实际的市政工程项目中选择无人机土方快速测量技术时，尽可能的不要选择航向和侧向重叠度都小于70%的设置情况。

（2）对于无人机飞行高度与影像重叠度之间的关系而言，如果处于相同的影像重叠度时，采集的影像数据信息伴随着飞行高度的升高而降低，而且其数据精度也会随之下降，但是可以节省大量的处理数据时间。

参考文献：

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[2]明国辉，委民正.SURF算法在无人机倾斜摄影测量三维建模中的应用[J].测绘工程，2017，26（09）：41-45.

[3]仇春平，卢晓攀，王平论，等.无人机低空数字摄影测量成图精度实证研究[J].矿山测量，2016（01）：67-70+73+5.

作者简介：

王祥（1995.08-），男，汉族，湖南娄底，本科，助理工程师，研究方向：工程测量。