无人机倾斜摄影测绘技术在某项目土石方算量中的应用

占游云 崔旭旺 严心军 张红勇 鲍大鑫

（1.中铁建工集团有限公司建筑工程研究院，北京 100160；2.中国建筑业协会，北京 100044；3.中铁云网信息科技有限公司，北京 100036）

引言

近年来，无人机倾斜摄影技术已在项目上得到广泛应用[1]，但是大部分用于实景建模的展示或者为各类GIS 平台提供了基础模型，模型本身的坐标及高程等空间物理信息没有得到充分利用，其测绘方面的价值没有得到充分挖掘。传统土石方测绘方法有水准仪测量法、全站仪测量法和GPS 测量法(GPS-RTK)[2]。对测绘人员的操作经验及水平要传统方法受场地影响大、作业效率低、具有一定危险性且人工成本高，在面对经济高速发展带来的重大基础设施建设项目土石方工程测绘及算量任务复杂多样，周期紧的局面亟待寻求一种高效、安全且经济的测量方法[3]。

无人机倾斜摄影测绘土石方测绘技术，通过无人机倾斜摄影外业数据采集和内业数据处理流程[3]，建立测区的数字三维地物倾斜实景模型，并将其导入到三维测图坐标采集软件[4]中进行坐标采集和处理得到数字地形图，最后将数字地形图导入地形地籍成图软件，对不同涉及高程的区域进行边界绘制和高程计算，完成土石方量的计算。

无人机倾斜摄影测绘技术相对于传统RTK 采集具有适用场景更丰富，作业效率更高，综合投入更低，计算精度更高，数据交互更加便捷等优点。

本文以丽水秀山公园项目为依托，实施无人机倾斜摄影土石方测绘和算量全流程应用，航测地形数据满足1：500 测绘精度，测绘成果及土石方算量成果满足验工需求。利用倾斜摄影测绘技术高效准确计算土石方工程量，对类似工程具有很强的参考及推广价值，经济效益和社会效益显著。

1 工程概况

1.1 项目简介

丽水秀山公园项目位于丽水市莲都区秀山路边三角地块，东侧为高速公路，西侧为在建桐岭路，南侧为枫岭街，项目含地下两层停车场，地上一层辅助用房，其他为园林景观建筑小品等公园景观。项目占地面积51 232m2，总建筑面积59 050m2，其中地下停车场面积57 956m2，绿化面积35 870m2，基坑开挖深度9.5m，地表85 高程范围66 ～73m。项目2021 年10 月即开工，2021 年底完成基坑开挖。项目效果图如图1 所示。

图1 项目效果图

1.2 测绘重难点分析

项目组接到测绘任务后，经过分析，本项目的测绘重难点主要有以下四个方面：

（1）项目为地产的市政配套项目，且地产主体工程已经完成，市政配套项目实施迫在眉睫，工期紧，场平和基坑开挖任务重，全面开展填挖方工作导致预留测绘时间短；

（2）项目地块整体呈现带圆弧的不规则三角形，测区范围内有小溪流、沼泽地，部分区域地面高差起伏较大、视野不通透，传统方式测绘难度大，精度误差大；

（3）测区有输电塔等强磁干扰源，传统测绘仪器可能无法正常工作；

（4）项目基坑开挖采取放坡开挖，二阶边坡存在多种坡度，设计高程较多，土方算量场景较为复杂。

2 无人机倾斜摄影测绘技术路线

面对以上测绘重难点，如果基于传统测绘方式，测绘周期长、测绘难度大、测绘精度难以保证。为了在一周内完成测绘和土石方算量工作，项目组通过对多种方案分析比选，不断研究总结优化，将新技术无人机倾斜摄影测绘技术和传统方格网土石方算量方法进行融合创新，形成了如图2 所示土方算量流程图。

图2 无人机倾斜摄影土方算量流程图

3 .无人机倾斜摄影测绘应用实践

项目组于2021 年11 月20 日～21 日完成本次航测外业，11 月22 日～28 日完成内业处理和土石方算量成果整理和移交。项目测区范围如图3 所示，项目场地倾斜摄影模型如图4 所示。

图3 项目测区范围KML

图4 项目倾斜实景模型

本项目航测采用大疆P4RTK 无人机结合千寻CORS 网络RTK 实施航测， 测区范围约为440*400m，测区内均匀交错布置12 个像控点，利用ContextCaptureCenter（以下简称CCC）完成内业处理和倾斜模型建模和输出，CASS3D 完成倾斜模型高程点采集， CASS 10.1 进行高程处理，最后结合设计高程和设计边界进行方格网土方算量，计算得出项目各区块挖方334 244.30m³、填方14 265.1m³。方格网法土石方算量部分成果图纸截图如图5(a)~(c)所示，算量结果汇总如表1 所示。

表1 土方算量结果汇总

图5 土石方算量图纸

3.1 前期准备工作

结合多个项目实践的经验和教训，项目组做了如下前期准备工作。

（1）相关地形测绘的技术标准和规范，其中包含《工程测量标准》（GB 50026）、《工程摄影测量规范》（GB 50167）、《倾斜数字航空摄影技术规程》（GB/T 39610）、《低空数字航空摄影规范》（CH/Z 3005）、《低空数字航空摄影测量内业规范》（CH/Z 3003）、《低空数字航空摄影测量外业规范》（CH/Z 3004）以及《无人机航空摄影成果质量检查与验收》（CH/T 1054）等；

（2）整理相关施工图，收集基本技术要求，本工程高程系为“1985 国家高程基准”（设计标高±0.000相当于1985 国家高程的70.700m）；坐标系为地方独立坐标系。项目基坑开挖设计高程为60.100m，边坡坡度为1：1.5 和1：2，存在二阶放坡，边坡中间平台高程为65.000m 和64.000m；

（3）市政控制点引测：采用RTK 将场外市政地方坐标系点引到场内；

（4）人员组织：像控点标记人员1 名，像控点测绘人员2 名，无人机航测人员1 名，内业处理人员1 名；

（5） 主要设备：大疆P4RTK 无人机一套、RTK一套、控制点放样板一张、自喷漆若干以及手机一部，如图6 所示；

图6 主要设备

（6） 主要软件：CCC、CASS3D、AutoCAD2016、CASS 10.1、图新地球4 以及DJI Pilot，如图7 所示。

图7 主要软件

3.2 外业流程

外业数据采集质量关系到模型精度，规范外业尤为关键，特别是像控点的布设，标记和采集。主要流程如下：

（1）现场踏勘，无人机巡检，测区规划

通过对现场及其周边地形地貌进行现场踏勘，初步确认飞行边界、飞行高度、重叠度、返航点、像控点布置的大概位置等；通过无人机巡检，对航区内和周围的高大障碍物等有更明确的高度预判，结合无人机航飞高度理论计算公式（见公式1）、地面分辨率规范要求[5]（如表2 所示）和航线和旁向重叠度设置规范要求[5]（如表3 所示），确定初步飞行高度、航向和旁向重叠度等；根据总平面图和踏勘巡检结果，考虑倾斜摄影特点，在图新地球中绘制出对应的超测区10%左右的航飞区域边界，导出对应的KML 飞行范围文件。

表2 地面分辨率

表3 航线和旁向重叠度

式中：

H ——航摄高度，单位为 m;

f ——镜头焦距，单位为 mm;

α ——像元尺寸，单位为 mm;

GSD ——地面分辨率，单位为 m，是指图像中相邻两个像素中心的距离代表实际距离是多少，飞行高度决定了地面影像分辨率（GSD）。

（2）像控点布设、标记和坐标采集

根据测区特点，在测区范围内规划均匀交错布置12 个像控点[6]，利用自制的控制点放样板及自喷漆，尽量选择固定、平整、清晰易识别[7]、无阴影以及无遮挡区域的地方进行标记，并标注对应点号。利用RTK 结合场内市政控制点，逐一对每个像控点进行坐标采集，并对每个像控点和周边环境进行手机拍照记录，如图6 所示。

（3）无人机航飞

将KML 导入无人机，对无人机进行指南针校准、云台姿态校准以及设置倾斜摄影飞行模式、对应的飞行参数、飞行高度以及重叠度等，设置并连接千寻CORS 网络RTK，启动程序开始无人机航测，如图8所示。

图8 无人机航飞

3.3 内业流程

在完成像控点采集和航飞外业后，进行精细化的内业处理，主要包括以下流程。

（1）CCC 中空中三角测量计算和建模

CCC 中空中三角测量计算，像控点刺点，再次空中三角测量计算优化[8]，三维重建倾斜模型OSGB 的输出整理航飞照片，并导入到CCC 中，进行第一次空中三角测量计算，对空三模型进行检查，避免错位分层交叉，接着将像控点导入并逐一对含像控点的照片（5-10 张）进行像控刺点完成坐标转换[9]和区域网平差，完成刺点后进行第二次空中三角测量优化计算，再次检查空三模型，导出空三报告，重点检查空三精度，当精度满足要求时，即可进行下一步三维重建倾斜模型OSGB 输出操作。空三优化成果如图9 所示，倾斜模型如图4 所示。

图9 空三优化成果

图10 倾斜模型导入CASS3D 进行采点

（2）倾斜模型OSGB 导入CASS3D 进行坐标高程点模拟采集和处理

在CASS3D 中对倾斜模型进行模拟RTK 采点，接着通过剔除非地面点[10]（如地表的机械[9]，输电塔，植被等）并插补高程点来完成地形的坐标和高程点采集。

（3） CASS 10.1 中进行方格网土方算量计算

在基础总平面图中，绘制不同设计高程区域的边界，转换设计高程，利用CASS10.1 对不同设计高程区域进行方格网土方算量、输出计算表格和方格网图纸。整合并汇总所有区域的土方算量表格和图纸，最终计算结果如图5 所示，基坑方格网土方算量设置如图11所示。

图11 CASS10.1 方格网土方算量截图

3.4 成果分析

通过对空三报告进行整体和控制点精度分析，检查点的RTK 测量值和倾斜模型的模拟采集值的对比[8]，模型与原勘察设计总图的联动对应点的高程值抽样对比等三个方面进行多角度验证测绘精度，误差均小于0.05m，满足1：500 地形图测绘精度要求，如图12 ～图14 所示。

图12 空三优化后的报告

图13 模型上检查点坐标和RTK 采点对比

图14 模型与原勘察设计总图的联动对应点的高程值抽样对比

3.5 成果整理、验收和交付

成果内容包括土石方测量算量成果报告、算量成果图纸和表格、原始航拍照片素材、像控点文件及模型文件。

4 总结与拓展

本文通过阐述无人机倾斜摄影在丽水秀山公园土方算量中的应用实践，充分体现了无人机倾斜摄影技术在实际工程测绘和土方算量中的价值，测绘精度以及算量成果满足项目要求，为项目验工提供了可靠的依据，为类似项目快速高效土石方算量提供了新技术参考和解决方案。

在经济效益方面，经过测算分析和对比，无人机倾斜摄影测绘技术相对于传统RTK 测绘在工程土石方量方法在适用场景，作业效率，综合投入，测绘精度及数据交互五方面进行对比，如表4 所示，技术经济效益显著。

表4 无人机倾斜摄影测绘与传统测绘对比

在社会效益方面，无人机倾斜摄影测绘土石方算量技术相对传统测绘流程，野外作业时间短，对环境破坏影响更小；同时，人员设备投入更少，节约了资源；新技术减少野外作业外业风险，用无人机代替人采集，以人为本；新技术在传统的技术上进行集成创新，流程上优化和融合，属于智能建造信息化技术，能有效推动行业发展，且具有较好推广应用前景。无人机倾斜摄影测绘在复杂区域中的应用，比如地表地物较复杂（例如植被树木较密集）的区域，测绘区域没有网络RTK 信号的场景下，无人机倾斜摄影能否高质量完成测绘任务，虽然理论可行，但是仍旧需要进一步的探索和实践。