倾斜摄影测量在复杂场地土方计算中的应用

张春明

（吉林市测绘院，吉林吉林 132011）

0 引言

传统的土方测量主要是通过全站仪和GPS RTK 对场地的地形进行外业实测获取特征点数据，内业采用三角网法、方格网法、断面法等，计算出场地内需要填方和挖方的土方量。土方量的计算精度主要取决于外业采集特征点位的精度和密度，以及内业计算方法。面状区域，地形起伏较大，多采用三角网法；地形起伏变化小的区域，多采用方格网法；线路工程多采用断面法。传统的土方测量方法受现场场地环境影响较大，对于现场有大量挖土、堆土的破碎地貌，野外实际测量获取准确数据难度大，效率降低，土方量计算结果也会存在一定偏差。

无人机倾斜摄影技术不受场地环境限制，通过自带的航空摄影测量平台可以快速地获取场地内高质量的多视影像，利用后期影像处理软件进行空中三角测量和三维建模，依据生成场地的实景三维模型来计算土方量。无人机倾斜摄影测量计算土方量有2 种方法：一种方法是将无人机倾斜摄影获取的数据转换成点云格式，对点云数据进行滤波、去除噪点、采样、配准等处理操作，构建不规则三角网来计算土方量；另一种方法是利用带有三维模型体积量算功能的软件在三维模型上圈定量取范围，直接计算土方量，这种方法更加简单直接，但实际应用案例很少。本文通过采用无人机倾斜摄影测量技术对某一复杂场地进行无人机倾斜摄影测量，获取地表三维建模，并利用软件设置一定的设计高度，直接在三维模型上量算土方量。将模型量算土方量与传统GPS 外业采集特征点高程计算土方量的结果进行了比较，评价模型量算结果精度和适用性，为复杂场地土方计算提供了更加高效、便捷的新思路。

1 无人机摄影测量系统

本文在工程应用实例中采用的无人机摄影测量系统是大疆创新的DJI Phantom 4Pro，参数如表1所示。

表1 DJI Phantom 4Pro 配置参数

2 无人机摄影测量土方计算流程

2.1 外业数据采集

根据场地及周边环境情况设计航线、行高，布设像控点和检查点，利用GPS 采集像控点、检查点平面和高程数据，利用DJI Phantom 4Pro 无人机多角度获取地表影像数据。摄影时天气情况要求良好，确保有足够的光照度，太阳高度角应大于45°，阴影不大于1 倍。摄影时间要求为10～15 时为最佳选择。影像质量特别强调影像清晰，反差适中，颜色饱和，色彩鲜明，色调一致，有较丰富的层次，能辨别与地面分辨率相适应的细小地物，能够建立清晰的立体模型。

2.2 内业三维建模

对获取的影像进行质量检查，不合格的影像进行外业补飞。在空中三角测量前，先对倾斜摄影原始影像数据进行色彩、亮度和对比度的调整和匀色处理。匀色处理应缩小影像间色调差异，使色调均匀，反差适中，层次分明，保持地物色彩不失真，不应有匀色处理的痕迹。

利用ContextCapture 软件导入影像数据、相机参数、POS 数据和像控点数据进行空三解算。利用空三后的成果生成三维TIN 格网，创建白体三维模型，进行自动纹理映射，生成场地实景三维模型。利用外业采集的检查点对三维模型的精度进行检核。

2.3 内业土方量计算

利用ContextCapture Viewer 模块导入三维模型，设置好坐标系、单位，输入设计标高和采样距离，自动量算出划定范围内的土方填、挖方量。

3 工程应用实例

3.1 工程区域概况

场地位于吉林某开发区内，面积0.8 km2，场地内坡坎纵横，存在大量的堆土和建筑垃圾，无建筑和茂密的植被覆盖。场地设计标高确定，需要根据设计标高计算出土方量。由于现场地形破碎复杂，传统土方测量、计算方法实现困难，效率和成本较大，所以尝试采用无人机倾斜摄影测量技术建立场地的三维模型，利用三维模型来计算土方量。

3.2 无人机倾斜摄影测量

3.2.1 航线设计

采用DJI Phantom 4Pro 自带的飞控软件进行航线设计，根据场地周边环境情况、土方计算对地面分辨率的要求及无人机的性能参数，确定航向重叠率和旁向重叠率均为70%，地面分辨率为3 cm，飞行航高为150 m，计算式如式（1）所示。无人机飞行速度不超过10 m/s，至少以不同视角飞行2 条航线。

式中：h为飞行高度；f为镜头主距；a为像元尺寸；GSD为地面分辨率。

3.2.2 像控点测量

考虑到场地面积大，地形复杂，起伏变化较大，在场地周边及场地内均匀布设了23 个像控点，为检核三维模型精度，在场地内布设了44 个检查点，采用RTK 测量的方法对所有的像控点和检查点进行了坐标和高程数据采集。

3.2.3 倾斜摄影三维建模

采用Bently 公司的ContextCapture 软件导入航测像片与POS 数据，在相应的像片中加入对应位置的像控点，保证每一个像控点关联到不同视角的像片。设置数据处理参数，划定模型边界，自动完成空三加密处理，生成地表地形，进行纹理映射，建立场地地表三维模型。三维模型构建流程如图1 所示。

图1 倾斜摄影三维建模流程

3.2.4 三维模型质量要求

1）位置精度：采用的大地基准和投影参数符合要求，平面位置精度、高程精度符合要求，场景中模型相对位置关系正确；

2）表达精细度：三维模型应精准反映场地内地形的详细特征，模型没有明显的拉伸变形或纹理漏洞，模型结合处没有穿插、漏缝、悬浮，纹理分辨率保持一致；

3）场景效果：场景中的模型完整，相对关系协调，在200 m 视点高度下浏览模型，没有明显的纹理漏洞、变形和侧视。

4）三维模型高程精度分析：利用采集的44 个检查点高程与相同点位三维模型获取高程进行了对比分析，结果如表2 所示。高程中误差为3.36 cm，模型高程精度满足要求。

表2 高程较差比较表

3.3 土方量算及精度分析

3.3.1 模型土方量算

利用生成的地形三维模型，根据设计标高的变化，划分成不同的计算区域，分区域计算土方量。本次项目利用ContextCapture Viewer 模块导入三维模型，来计算土方量，计算步骤如下：

1）将三维模型导入ContextCapture Viewer 模块中；

2）在空间参考系统里设置好相应的坐标系统、投影和中央子午线；

3）进入体积功能菜单，首先在三维模型中选取需要计算土方的范围，在“方法”栏中选择“自定义平面”，在“高度”栏中输入设计标高，在“采样距离”栏中输入所需的数值，将自动在下方的空白栏内显示周长、面积、挖方和填方数量。采样距离数值越小，计算结果越精确。土方量算界面如图2 所示。

图2 倾斜摄影测量土方量算界面

3.3.2 土方计算精度分析

为验证模型量算土方的准确性和可靠性，在场地内选取某一地形破碎区域，通过GPS 均匀采集特征点的方式进行地面数据点采集，利用南方CASS9.1 中的三角网法土方计算功能，对所选区域的土方填、挖方量按设计标高进行计算。

对该相同区域采用三维模型量测的方法量算土方量。

对2 种方法的土方量计算结果进行了比较，数据对比如表3 所示。

表3 土方量计算比较表

通过比较可以看出：2 种计算方法得到的填方量较差为18 m3，挖方量较差为27 m3，误差百分比分别为2.5%和2.8%，计算结果比较接近。GPS 测量结果的填、挖方量多于倾斜模型的量算结果，原因可能是场地内有堆土和建筑垃圾，地形破碎，GPS测量时采集特征点的密度不能完全体现现场实际地形情况，而倾斜摄影实景三维模型则可以构建出场地的真实地形表面，最终影响土方量的计算结果。土方量计算结果受场地情况、测量方法、计算方法等影响较大，一般用于工程成本的概算，误差在10%以内是可以的。

通过本次应用实例的土方计算精度分析结果可以说明，运用无人机倾斜摄影测量的方法建立实景三维模型，通过内业处理软件在模型上直接进行土方量算的结果是可靠的，方法更加便捷。

4 无人机倾斜摄影测量土方量计算关键技术

本文介绍了无人机倾斜摄影测量土方计算的工作流程，并依据应用实例对其计算结果进行了对比分析，但在实际工程应用过程中还要注意以下关键技术：

1）航线设计。在无人机航线设计时一定要有足够的航向和旁向重叠度，地形、地物高差比较小的场地，航向、旁向重叠度最低不小于70%。航向覆盖超出摄区边界线应不少于2 条基线，旁向覆盖超出摄区边界线一般不少于像幅的50%。在便于施测像控点及不影响内业正常加密时，旁向覆盖超出摄区边界线应不少于像幅的30%。必要时可按不同航高分区域飞行，保证足够的地面分辨率。

2）像控点和检查点布设。根据场地地形情况和采用的飞行平台，在周围和内部均匀布设一定数量的控制点和检查点，特别是在场地的外部一定要布设控制点，在场地的边缘地带要布设检查点，保证三维模型控制精度和对模型真实精度进行有效检核。

3）三维模型精化处理。本文工程应用实例中的场地内没有房屋、树木和密集植被覆盖，因此生成三维模型后直接利用模型进行了土方计算。当场地内存在建构筑物、绿植等物体时，获得的三维模型数据无法真实反映实际地形起伏变化，要采用模型修复技术踏平或去除影响地物后，获得精化的三维模型再进行土方计算。

5 结语

无人机倾斜摄影测量技术的发展，为复杂场地土方量计算提供了新的思路。其非接触式、安全、高效、经济的数据获取方式，克服了传统GPS、全站仪土方测量方法在复杂地形数据采集中存在的问题，且模型高程精度可控制在5 cm 内，土方计算误差控制在10%以内，证明了无人机倾斜摄影测量技术在工程土方测量中应用的可行性。无人机获取的高分辨率影像，可以快速生成DOM、DSM、DEM和DLG 产品；利用构建好的实景三维模型，还可以为地表覆盖物确定、房屋拆迁、规划方案对比提供直观的可视化数据。