基于无人机摄影测量技术的土石方快速测量方法

张佩琳

（杭州方圆测绘技术服务有限公司 浙江 杭州 310000）

0 引言

在工程领域中多方面涉及土石方量的统计测量，传统方法主要有仪器测量法，如利用GPS、全站仪或者水准仪测量地形特征点，这些测量方法需要消耗大量的人力和物力，且对场地环境要求较高，当遇到恶劣环境时，测量人员的人身安全得不到保障，同时会延长工期，大大提高工程的成本[1]。随着科技的发展，三维激光扫描技术可快速、精准获取被测目标的体积，但由于其扫描区域受限、设备成本高、机动性差，对土石方进行量算时仍需通过人工估算或利用传统方法实地量测，在现场作业中仍然难以普及使用；而传统的土石方量计算方法如断面法和方格网法，不仅受测量人员的经验和专业水平的影响较大，而且效率低、准确性差，更不适用于危险区域的土石方测量。随着无人机技术和计算机技术的发展，消费级无人机以其机动灵活、操作简单、成本低廉等优势发展迅猛，广泛应用于地质调查、基础地理信息采集、测绘等领域，国内众多学者开始把该技术应用于大面积土石方测量计量中。

1 基于无人机摄影测量技术的土石方快速测量方法

1.1 无人机摄影测量技术

近年来，无人机摄影测量技术也逐渐发展成熟，无人机摄影测量技术集成多项高新技术于一体，包括无人驾驶飞行技术、遥控遥测技术、摄影测量技术等，其中，空中飞行平台主要有自动控制系统、无人飞行器、非量测型高分辨率数码相机等传感器设备[2]。无人飞行器主要用来搭载自动控制系统和数码相机，作为任务设备，非量测数码相机主要用来获取高分辨率地面物体的影像，其可通过定时或者定距来操作，具有高度自动化等特点；自动控制系统能够接受并处理控制指令，精确控制无人机按照设定的航线飞行，其主要由微处理器、GNSS接收机和惯导等传感器组成，系统可参照作业时发动机的转速、风速等气象信息自动设定参数，地面控制系统发出指令后就能实现无人机的遥控和自主飞行，保证飞行姿态，自动采集地面物体的影像数据。获取的影像数据通过摄影测量系统进行处理，主要关键内容有影像预处理、区域网联合平差、多视影像匹配、DSM生成、正射纠正、三维建模等[3]。

1.2 土石方测量原理

基于无人机摄影测量的方法快速测算土石方量，测算效率及精度直接与利用无人机影像生成的DEM相关。为了保证生成DEM的效率及精度，采用三维重建和空中三角测量相结合的方法，对无人机影像进行处理，其核心算法是SfM（structure from motion）算法[4]。该算法对相机拍摄位置、图像尺寸及拍摄焦距有严格的要求，可以从重叠图像中自动提取特征点，构建目标物体三维模型；基本原理是通过不同图像中对应像素间的视差，反推出场景中目标物体的空间几何形状和位置，进而构建三维模型。首先，利用消费级无人机搭载非量测相机，获取测区影像数据；然后，利用三维重建的方法生成DEM，并通过边界点构建不规则格网，生成土石方开挖前的DEM；最后，计算两个DEM的差异，即得前后两次的土石方量，从而达到在保证人员安全的情况下，提高土石方测量精度和效率的目的。

1.3 技术路线

基于无人机摄影测量技术的土石方快速测量方法技术路线如下：

第一步：利用消费级无人机获取地面影像数据，同时利用GNSS RTK开展外业像片控制测量；DEM数据采用软件自动进行空中三角测量和三维重建，通过SfM法三维重建、空中三角测量后进行建筑物植被过滤来构建TIN，根据TIN创建DEM，将DEM切割、融合并进行边缘裁切，设置参数并纠正，拼接匀色出图生成DEM，通过土方开挖前后两次的DEM曲面的差值来计算出土石方量。

第二步：DTM法计算土石方量。利用传统的GNSS RTK在实验区域内采集一定密度的高程点数据，将数据展绘到CASS软件中来构建土石方DTM计算土石方量。

第三步：对比两种土石方测量方法的精度。DTM法直接采用野外测得的离散高程点（包括地形特征点）构建三角网来计算土石方量，与方格网法、断面法相比，采样高程点选取自由度大、测量精度高、工作效率高，更适用于地形条件复杂地区。因此，本文以DTM法测得数据为基准，比较土石方计算方法的效率及精度。

图1 无人机土石方测量技术路线图

2 工程实例

2.1 外业数据采集

本案例中采用设备是大疆M300-RTK无人机搭Share102S Pm五镜头倾斜相机，无人机航飞的高度为200 m，获取影像地面分辨率为0.05 m，航向重叠度为80%，旁向重叠度为70%。M300-RTK无人机上的全球定位系统采用GPS+GLONASS+BeiDou+Calileo多星定位技术，使得定位精度更高，相机曝光瞬间可以获取精确的POS数据。本次航摄面积约0.159 km2，获取影像13张，航向重叠为75%，旁向重叠为60%，地面分辨率为5 cm。为了对无人机获取的影像进行绝对定向和对生成的DEM影像进行精度验证，本文在研究区域根据地形布设15个地面标志点，并采用天宝GPSRTK进行测量。其中，选定9个标志点为控制点，用于绝对定向；其余6个地面标志点为检查点，用于精度验证，外业数据采集的步骤包括：

（1）航测参数设定：通过前期踏勘结合当日飞行天气与环境，确定了相关飞行参数。在当天太阳光线较强，调整了相机曝光度。结合飞行经验与区域地形，将区域航高设置为150米，航向重叠度和旁向重叠度分别为80%和70%。

（2）像控点布设：无人机倾斜摄影测量具有较强的现势性，以无人机航线规划为前提条件，本项目像控点进行针对性地布设在航线、航带相接的区域，据此来完成航测内业加密和测图。在像控点布设之前一般以卫星影像图为底图进行预布设，再参照现场踏勘的地理位置布设具体的点位。本测区采用区域网布点，分为平面像片控制点和高程像片控制点，布设主要以靶标为主，少量采用明显地物（房角，渠道边）等，测量的手段主要为GPS-RTK快速测量方法施测。

（3）结合外业像控点进行数据采集：在完成设备检校、航线规划、像控点布设等步骤后，便可择机进行外业航飞。外业航飞挑选天气晴朗、空气质量良好、气象条件温和的时间窗口实施。执飞时，无人机起、降方向应考虑实地风向设置，利用配套软件实时监测飞行状态，如果在飞行期间遭遇多次严重瞬间大风，应考虑补飞。

2.2 数据处理

首先使用匀光软件对航拍好的照片进行色彩和曝光度等处理，使影像效果达到最佳状态，由于影像POS已经写入相片中，因此不需要进行POS与照片对应处理。采用无人机倾斜摄影测量方法建立实景三维模型的主要技术要点是影像采集和预处理、空中三角测量、TIN网构建、纹理映射等。其中空中三角测量中主要技术包含影像内定向、相对定向、同名点提取、光束法平差等。空中三角测量：将处理后的相片导入空三软件，只单纯用无人机自带的POS进行一次粗略的空三加密，便于控制片刺点影像与航片影像匹配，之后就要进行像控点的刺点。所拍摄的影像再借助于全自动高性能后处理系统进行批量定向和建模，可快速构建出具有地物准确位置和清晰纹理的高分辨率真三维场景，借助于专业数据处理软件生成测区三维实景模型，满足下一步土石方测图计算的需求。

2.3 土石方量计算

结合Pix4D软件进行影像数据处理以及Civil3D软件进行土石方计算，具体步骤如下：

（1）构建DEM

通过自动计算DSM点云，建筑物植被过滤，构建TIN，根据TIN创建DEM，将DEM切割、融合并进行边缘裁切，设置参数并纠正，拼接匀色出图生成DEM。

（2）地形分析

将工程区域土石方开挖前后的点云数据更改成文本格式，使用Civil3D软件读出该文件，并生成TIN曲面模型，对地形进行分析，统计区域内最大高程、最小高程以及各高程区间范围。

（3）土石方计算

方法一：利用Global Mapper软件对数据进行处理，计算研究区域的土石方量为79 552.524 m3。在Global Mapper中构建基准面影像，无人机影像处理后生成的DEM影像得出填挖方量结果，同时输出土石方填挖方量报告。

方法二：利用南方CASS9.0软件对采集的高程点数据进行处理，得到实验区内的土石方量为78 839.25 m3。在CASS中构建基准DTM，土石方量为7 592.2 m3；构建的表面DTM，土石方量为86 439.2 m3。两次差值即为RTK法测得的研究区域的土石方量，如图2所示。

图2 土石方堆土后模型与原始地形叠加图(绿色为原始地形，红色为土石方)

2.4 精度验证

DEM的高程精度直接影响土石方量的计算精度，与其关系紧密，DEM的高程中误差，按公式（1）计算：

式中，Mh为模型的高程中误差，n为检查点个数，Δh为检查点高程与模型高程的较差。

经公式（1）计算得出，研究区中选取的9个检查点的中误差为4.3 cm，精度达到了厘米级，满足相关规范的要求，检查点误差明细如表1所示。

表1 检查点实测与采集数据对比

3 结果分析

本文分别利用消费级无人机和RTK对选定区域进行测量，从外业获取时间看，利用无人机方法的外业时间为0.5 h，GNSS RTK方法的外业时间为2.5 h，后者用时是前者的5倍。从土石方量计算结果看，在选择基准面一致的情况下，无人机方法测得土石方量比RTK法测得的土石方量多705.524 m3。分析其原因，可能因为研究区域有少量树木，进行土石方计算时未过滤，存在一定的误差[5]。若以RTK法测量的结果为基准，则无人机方法的相对误差为0.89%。对于工程实际情况，时间要求比精度要求更加迫切，所以，利用消费级无人机测量土石方量的速度和精度均可以满足工程的需求。研究结果表明无人机摄影测量对土石方计量有以下优点：

（1）无人机相对传统测量方法，其技术更加灵活，不受外在地形影响。

（2）采集数据更加快速，内业数据处理自动化程度高，在大面积测量中更能体现其优势。

（3）无人机摄影测量成果结合Civil3D软件计算土石方量，实现内外业一体化，减少了作业步骤。

（4）减少了测量人员投入，减轻外业工作量，提高了工作效率，节约了生产成本。

4 结语

土石方测算是在工程中经常遇到的问题，采用GNSS RTK等传统测量方法进行量测，工作效率低、精度不高，在土石方工程的危险区域，工作开展起来比较困难，且危险系数大。本文提出的基于无人机摄影测量技术的土石方快速测量方法，简单易行、准确方便。然而，该实验是在理想状态下进行，在实际工程中，可能会受到地形、地貌、天气等诸多因素的制约，面临影像数据分辨率不高、控制点数量减少或没有、构建的土石方基准面不准等问题，会导致计算土石方量的精度下降。因此，在以后的实际应用中，可尝试通过提高POS精度和地面分辨率，改变航摄方法等途径，提高航测高程测量精度，以期提高本方法在工程应用中的适用性。