基于倾斜摄影技术的土方计算在长沙冰雪世界项目的应用

吕基平，李 智，曾 波，李 璐

(中建五局第三建设有限公司，湖南 长沙 410004)

0 引言

数字高程模型(DEM)计算土方工程量，自动化程度高，计算精度高。但DEM数据采集耗费资源较多，实际应用难度较大。为满足我国面向大量基础设施项目建设的需求，长沙冰雪世界项目利用基于倾斜摄影测量技术的DEM法实现土方可视化计算，以推广DEM法在工程实际中的应用。

1 工程概况

长沙冰雪世界项目坐落于深达百米的废弃矿坑中，地形地质条件复杂，土石方挖填工作量大。每个单体工程进场前均需进行原始地貌收方，场内土方的外运、转运工程量也非常大。

从平面看，该项目大体分为屋顶水上乐园区、上区水乐园、下区水乐园、雪乐园主体4个大区。除上区水乐园外，其余3个区域均位于矿坑内部，矿坑长440m，宽350m，深100m，是本次倾斜摄影重点量测的区域。项目俯视如图1所示，基坑规划如图2所示。

图1 无人机航拍俯视

图2 基坑规划

2 数字高程模型(DTM)法介绍

数字地面模型(DTM)是按一定结构组织在一起的数据组，代表地形特征的空间分布。以高程为特征值的DTM也称为数字高程模型。DEM用数字形式x,y,z坐标表达区域内的地貌形态，以微缩的形式再现地表形态起伏变化特征，具有形象、直观、精确等特点。DEM不仅能应用于各种工程规划和地形分析，而且可直接用于土方工程量计算。

部分主体结构需嵌入周围80°～90°的岩壁中，需开挖大量土石方，因此对石方工程量的计算精确度提出了相当高的要求。传统的方格网法、等高线法及断面法存在大量缺陷。因此如何高效地获取原始地貌特征点的坐标数据是实现DEM法计算土方量技术成功运用的难点之一。

3 实施前准备

3.1 数据可靠性检测

依据近地倾斜摄影测绘的原理，选取进行空中三角测量运算的软件建立DEM模型。利用全站仪测定DEM模型部分点的空间坐标，并对其进行精度评价。

3.2 设备与空中三角测量运算软件的选取

近地摄影测绘是依据近地影像中特征点的相对位置关系形成的一项测量技术，故对无人机的相机参数、飞行高度及无人机动态成像的稳定性有一定要求。甄选市面上的无人机，最后决定选用大疆精灵3标准版无人机。空中三角测量运算软件选用Bentley公司的Context Capture软件，完成数据的处理与输出。

4 实施

矿坑生态修复利用工程(冰雪世界工程中的土方临时堆场)原始地貌起伏变化较大，占地面积约为4 700m2，最大高差约10m。需进行土方外运，计算土方工程量。

通过高精度相机，完成影像资料处理，最终生成DOM文件；借助3D建模和偏差修正技术，建立3D数据库模型；构建TIN模型，与3D模型整合，形成成果文件。

4.1 外业实施

4.1.1明确航拍任务

2016年11月1日，天气晴朗，空气湿度25%，风向为北风1.3级。拟定采用大疆精灵3标准版无人机进行航拍，航拍区域为屋顶雪乐园、下区水乐园和雪乐园区。

4.1.2试飞准备

对周边场地进行调查，重点标记树木和电线杆密集区域，在无人机飞行时需特别注意，避免坠机。在飞行区域设置4个观测点，由专人负责看管，出现突发情况及时沟通。

飞行前，确认电池电量，机翼有无破损，并检查无人机操作杆是否失灵。将无人机缓慢起飞至空中距离地面1m处，确保无人机的悬空稳定系统正常。

726 Separation and purification of extracellular vesicles in tissue microenvironment and its physiochemical characteristics

根据项目特点，在距离土方最高点10，20m高度设置航拍路线，每隔5m捕获一张地面影像，相邻照片影像重合率设定在60%～80%。累计捕获10m段照片72张，20m段照片28张。

4.1.3正式飞行作业

一块电池的平均飞行时间为20min(考虑无人机返航时间)，备用电池2个。平均完成一个区域数据采集的时间为10min。B区区域较大，分2次航拍，进行数据采集。具体飞行计划为：①A区15：00—15：20；②B1区15：30—15：50，B2区16：00—16：20；③C区16：30—16：50。

倾斜摄影测绘飞行轨迹如图3所示。

图3 无人机航拍轨迹

在空中三角测量计算软件Context Capture中进行图形数据计算，输出合成遥感图像。将遥感图像导入AutoCAD中，选取遥感影像中部分与DEM数字模型相关度高的影像特征点，利用全站仪复核其空间三维坐标。数字模型的生成与近地摄影的环境有极大相关性，在相对稳定的日光环境下建立3个数字模型，根据项目地形的特点，选取不同区域、不同高度及地形地势变化较大的特征点，每个数字模型选取10个特征点，共计30个特征点。选用系统误差为(2±2×10-6)mm的全站仪对特征点的空间三维坐标进行复核。复核计算结果如表1所示。

表1 控制点复核结果

4.2 内业实施

4.2.1无人机数据处理

选择合适的无人机相机后，进行相机标定工作，确保无人机航拍的准确性和完整性。

航拍结束后，进行影像的预处理，然后开始影像匹配。完成空中三角测量后，进行DEM数据提取，完成DOM生成和拼接。

4.2.23D数据处理

完成高精度相机标定工作，进行多视角影像处理，对生成的几何模型进行校正，整合偏差，确保三维影像资料的正确性，最终形成3D数据库，处理流程如图4所示。

图4 倾斜摄影测量影像处理流程

4.2.33D模型构建

在CIL3D或犀牛软件中，导入数据点，提交空中三角测量加密，生成点云数据，构建TIN模型与生成的3D模型整合，得到初步的数据模型(见图5)。

图5 建立数据模型

4.2.4模型整合及计算

整合模型，将无人机三维实景模型运用点云技术处理，结合现场实际情况，对实景模型扭曲处进行适当修正，得到实景3D模型，如图6所示。

图6 实景3D模型

整合模型，对A，B，C区的土方开挖量进行计算，并与全站仪通过方格网法测量的数据进行对比分析，结果如表2所示。

表2 土方量比较

由表2可知，基于无人机倾斜摄影测量的土方算量和全站仪外业测量的土石方精度差距很小；采用无人机倾斜摄影测量的土石方算量外业工作需4人工作1d，内业需1人工作2d；基于全站仪外业测量的土石方测量外业需2人工作7d，内业需1人工作2d。相对而言，采用无人机倾斜摄影测量的土石方算量效率优于全站仪测量。

5 结语

在各种工程建设如铁路、公路、港口、城市规划中,土方量计算是一项经常性的、不可缺少的工作,且在整个工程量中,土方工程常占有较大比例。土方工程量计算精度的高低直接影响整个项目的建设周期和经济成本，高精度的土方工程量有利于土方资源调配，降低施工建造成本，缩短项目建设周期。利用倾斜摄影测量技术获取原地貌的数字高程模型(DEM),对土方进行可视化计算具有一定优势。