基于无人机航测的土地开发整理工程量复核方法研究*

2020-09-03牛虎林彭劲滔

矿山测量 2020年4期

刘娟，牛虎林，彭劲滔

(甘肃省地质矿产勘查开发局第三地质矿产勘查院，甘肃兰州 730050)

近年来，随着社会经济的快速发展，城市各类重点发展区域、重点产业、重大项目对建设用地的需求日益增加，土地供需矛盾日趋严重，土地开发整理是增加耕地的主要途径，也是实现区域耕地总量动态平衡的重要途径。采用测绘手段完成土地开发整理项目工程量复核是最科学的选择，特别是现代测绘手段能使复核成果更真实更全面。无人机航测技术能够提供高精度、全面的数据，相对而言，复核成本低、效率高，适应复核区域各种复杂的环境，成果完全能够满足工程量复核的要求。本次以兰州市皋兰县石洞镇阳洼窑土地开发整理项目为研究对象，基于飞马V100无人机航测系统快速获取复核区数据，实现DEM、DOM、DSM数据的生产，并通过INPHO、PIX4D构建单相机影像复核区实景三维模型，在此基础上利用设计阶段形成的BIM模型与实景三维模型融合，实现三维模式下土地开发整理项目实施后的三维实景，对项目质量和设计实施情况提供准确的、直观的数据支撑。

1 工程量复核理论

1.1 工程量复核概念

土地开发整理项目工程量复核是通过项目设计与竣工工程量初步对比、基本工程量复核、工程现场复核测绘，准确测评土地平整工程、农田水利工程、田间道路工程、农田生态防护工程等竣工完成的数量、规格和质量，计算工程量完成的增减比率，完善土地开发整理项目的验收程序，确保项目验收质量。

1.2 工程量复核程序

工程量复核工作是在土地开发整理项目完成建设任务、提交竣工材料、完成变更工程审批及签证结算完成的前提下进行的。首先根据工程量复核技术方案，分析项目设计工程量、变更工程量和竣工报告完成工程量差异。其次是明确有审批文件的变更工程量，确定复核重点，对重大工程进行重点复核。最后进行现场复核，针对新建工程进行现场巡视，清点数量，采用测绘手段进行空间数据采集，对项目建设范围、土地平整开发范围、田间道路工程、农田水利工程及建筑物等进行测绘。

1.3 工程量复核方法

工程量复核一般采用综合法进行，主要包括资料查阅分析、外业数据采集、内业数据处理、工程量复核报告编写及工程量复核图件编制等，常采用几种方法组合来进行工程量复核：

(1)理论计算法，即对挖(填)方、客土、垫层等隐蔽工程依据设计量、竣工签证量等结合测绘数据，计算新增耕地面积及工程量；

(2)现场勘测法，即对土地开发整理项目所有的工程采用测绘手段进行全面的测绘，包括面积、长度、工程点位，最后统计工程量；

(3)对比分析法，主要针对土地开发整理项目土方测算，收集项目区实施前的影像和地形资料，叠加项目实施后的测绘成果，圈定项目实际实施区域，通过对比分析确定新增耕地面积和土方量；

(4)抽样调查法，主要针对部分隐蔽工程实施的方法，重点为施工工艺、单个建筑、单个设备进行抽样调查。同时进行针对明确工艺和质量要求的工程和设备进行破坏性试验，确保质量达标。

1.4 工程量复核内容

土地开发整理项目工程量复核主要内容为：主要建设指标(建设规模、新增耕地、新增耕地率)、土地平整工程(平整面积、土石方挖填、表土剥离等工程量)、灌溉与排水工程(沟渠、管道长度、宽度；水工建筑物的位置、数量、尺寸；施工工艺等)、田间道路工程(田间道、生产路的长度、断面及施工工艺等)、农田防护及生态环境保持工程以及其他工程。

2 工程量复核研究

2.1 研究区域概况

项目区位于兰州市皋兰县石洞镇阳洼窑村，东面靠近小毛刺沟，西面紧邻兰州新区岘子村，南面靠近阳洼窑村居民点，北面靠近毛刺沟山梁，地理坐标为东经103°51′50″～103°52′48″，北纬36°24′14″～36°25′12″，如图1所示。项目建设规模128.01 hm2，其中，开发面积97.72 hm2，整理面积39.29 hm2，主要建设工程包括土地平整工程、灌溉与排水工程、田间道路工程和生态环境保护工程，其中土地平整工程为主体，也是工程量复核的核心工作。

项目区为低山区，最大高差为114 m。为了研究方法的可靠性，本次同时采用传统手段和新技术手段。

2.2 传统手段

传统的复核方法主要采用GNSS-RTK快速定位法，即测量技术人员手持GNSS-RTK对项目区的地物、地类、平整区(开发区)、边界、沟渠、田间道路以及挖方区填方区地貌进行测量，在室内完成复核成果图的编绘，按照工程量复核的相关要求进行报告的编绘。此方法适用于小范围、小规模的土地开发整理项目工程量复核，但相对于大规模和超大规模的土地开发整理项目，复核困难较大，需要投入大量的人力物力，耗费很长的时间进行外业数据采集，同时对于需要测算土方的工程来说，人工采集的地貌点覆盖度、密度往往不够，测算的土方量准确性低，不可靠。本次为了验证成果的准确性，对项目区全部工程进行了GNSS-RTK实测。

2.3 新技术手段

在传统手段的基础上，本次引进了飞马组合翼V100无人机航测系统，该系统能够实现各种复杂区域的垂直定点起飞降落，起飞重量8.5 kg，载重1 kg，续航时间90 min，同时配备了20 Hz高精度差分GNSS模块，携带35 mm索尼SONY RX1R II全画幅相机。本项目工程量复核相对大部分复核来说有所不同，除了常规点状工程和线状工程的复核外，本次复核的重点是土方挖方量和填方量的复核。相对而言，绝对高程的精度要求高，而高程精度恰好是航测技术的难点，因此提高本次航测的高程精度至关重要。本项目充分利用了V100无人机高频高精度GNSS-RTK技术，在项目实施过程中，提前在项目区均匀布设了像控点，测设了大量检核点。同时在内业利用INPHO进行空三解算与PIX4D输出DEM、DOM、DSM等多种软件最优化处理的方法，通过EPS裸眼三维立体测图模式下测制相应的复核成果。最后通过PIX4D实现了实景三维模型的建模，将三维设计BIM模型与实景三维模型叠加，实现二三维联动复核，通过多种平台、多种技术的融合，实现工程量复核项目多元成果的生产与联动。

2.3.1 外业数据获取

根据项目的实际要求及测区的实际情况确定航飞区域3.8 km2，设计航测路线13条，航向重叠80%，旁向重叠65%，地面分辨率4 cm。测区采用均匀布控，布设控制点11点，检核点15点，航摄完成后采用Photoscan软件中照片检查模块对照片质量进行了快速检测和初步评估。航向布设如图2所示。

2.3.2 空中三角测量与3D产品生产

小型无人机搭载的相机大部分为非量测型相机，畸变较大，消除畸变对空中三角测量来说至关重要。本文为了提高整体精度，在内业处理中采用多种软件组合模式，即空中三角测量采用INPHO软件Match-AT模块完成，畸变校正基于Matrax软件完成。同时为了提高POS数据精度，利用空三加密模块对测区进行基于POS系统的光束法区域网平差，获取高精度的定向点，为建立测区模型及内业数据采集提供准确的数学基础。本次空中三角测量主要包括数据的预处理和空中三角测量两个阶段。其中预处理主要包括：(1)原始航片准备；(2)POS数据整理；(3)原始航片畸变处理；(4)控制点数据整理等。空中三角测量包括：(1)工程建立(①相机编辑②添加航片③添加POS④添加控制点文件⑤调整航片旋转等)；(2)生成航片金字塔等；(3)航空摄影测量(①生成连接点②控制点添加③平差运算生产空三成果)。基于多年的实践成果,DEM、DOM、DSM采用PIX4D软件完成，该软件可以直接应用Inpho软件完成空三成果，能够实现多格式的成果输出。项目区DEM成果如图3所示、项目区DOM成果如图4所示。

2.3.3 垂直模型生产与裸眼三维立体测图

鉴于项目区地表植被、构筑物覆盖少的特点，依据DEM和DOM成果在EPS三维测图软件中生产垂直摄影模型，如图5所示，通过EPS裸眼三维测图模块进行复核点的检查，经系统检查本次检核点平面中误差为±0.08 m，高程中误差为±0.12 m，精度完全满足工程量复核的要求，极大地提高了作业效率、减少了外业的工作量、降低了生产成本。

图3 复核项目区DEM成果

图4 复核项目区DOM成果

图5 垂直摄影模型(局部)

2.3.4 实景三维与设计BIM模型叠加对比

常规的复核一般基于二维模式完成，介于土方项目工程量大的特性，为了准确反应土方挖方填方的完成情况，本次在传统基于方格网法和三角网法土方测算的基础上，引入三维模型叠加设计BIM进行三维模式下的土方量测算和三维展示，如图6所示。

图6 区域BIM效果图

三维叠加后提取与设计不符的部分重点标记出来(如图7所示，黑色为施工不到位区域)，作为核查成果的直观展示，既有定量成果，又有支撑数据。

图7 叠加后局部三维效果图(黑色为差异区样本)

2.4 对比分析

为了更好实现更多土地开发整理项目快速的复核，在研究新技术的同时沿用传统手段进行了复核，同时对传统手段与新技术进行了各项参数的对比，如表1和表2所示。

从表1和表2可以看出，采用新技术和传统技术手段复核的工程量基本一致，而通过新技术完成的复核量更加精准，效率更高，复核结果既有创新点又能提高客户的满意度，同时大大降低了复核成本。

3 结语

随着测绘技术的发展，多元化的测绘产品正改变着传统的测绘手段，以BIM为导向衍生了很多新的学科。本文以实践助推理论，以项目生产探讨研究新的技术方法，从无人机快速获取基础数据到3D产品的生产到基于垂直影像构建三维模型，将设计BIM与实景三维模型相结合，构建从二维到三维联动的复核成果，让土地开发整理项目工程量复核更直观、更科学、更高效，同时为大型土地开发整理项目的复核提供借鉴。