无人机航测技术在土方量计算中的精度研究

2024-05-06姚鹏程

装备制造技术 2024年3期

姚鹏程

（甘肃智广地质工程勘察设计有限公司，甘肃兰州 730010）

0 引言

在高速公路、铁路、管道、港口等大型建设项目中，土方工程占了总建设成本的很大一部分。以经济施工和成本节约，土方量必须尽可能准确地计算。特别是在计算山脉、水库、湖泊和海岸等不规则弯曲地形的面积和体积时，必须合理、系统地建立边界方程的垂直假设。无人机航测技术在土方量计算中的精度研究是当前热门的研究方向之一[1]。无人机航测技术是近年来快速发展起来的一种高新技术，在土方量计算中具有很大的潜力。通过搭载高精度传感器和全球定位系统，无人机能够快速获取地面的空间数据，实现对地形的高精度测量。随着无人机技术的不断发展和成熟，无人机航测技术在土方量计算中的应用将会进一步拓展。同时，还存在一些需要解决的问题和挑战，如无人机航测技术的准确性、数据处理的自动化等。本研究有助于提高土方量计算的精度，为工程项目的规划和设计提供科学的依据[2]。

1 传统土方量计算的方法分析

传统的土方量计算方法主要依赖于人工巡检和手工测量，这种方法存在着效率低、准确性不高、安全风险大等问题。此外，由于传统方法只能在接近的情况下进行测量，很难覆盖整个结构，无法全面了解桥梁的状态和问题[3]。随着科技的不断发展，无人机逐渐被应用到土方量计算中。无人机是通过空中平台在特定高度和角度上获取图像资料的机器人。由于其灵活性和高效性，无人机正在被越来越广泛地应用于图像采集，有助于提高建筑的安全性和运行维护水平。无人机技术相比传统的土方量计算方法具有提高计算效率、加强安全保障及降低成本的优势。

为了快速高效地采集图像，我们使用大疆Mavic2 pro 无人机对土方进行图像采集。Mavic2 pro 搭载了一个2000 万像素的高精、高清影像采集系统，在计算任务中，大疆Mavic2 Pro 无人机的高空视角、轻便灵活的机身和高精度的影像采集系统可以提高效率。实际任务中，我们操作无人机沿着混凝土结构，利用无人机的自动测距技术，在整个过程中控制无人机保持固定的飞行距离，使摄像机镜头尽可能平行于混凝土表面[4]。使用的采集设备参数见表1。

表1 无人机参数

2 施工阶段土方体积计算三维建模设计

2.1 施工阶段土方体积计算技术

大型建筑工程填切土土方量的计算主要由运输、土、勘察工程师完成。由于土方工程占了总施工成本的很大一部分，高速公路、运河、铁路、大坝、管道的土方工程量应尽可能准确地计算，以实现经济施工和成本节约。在土木工程工作中，由于难以获得土壤开挖场地，施工挫折的可能性很高。因此，进行与真实地形一致的土方体积计算是一个关键的过程。如果施工场地位于地形形状不直的不规则弯曲区域，如山地、水库、湖泊或沿海区域，需要合理、系统地计算其面积和体积。在一般的土方体积计算方法中，将整个区域划分为网格，并测量每个交叉点的高度。典型的土方体积计算方法包括截面法，主要用于公路、铁路、河流等长路线的施工和点高法，体积用平均面积乘以分区三角形和矩形计算大面积。土方量的计算采用平均端面积法，是一般建筑工程的代表性剖面法。为了检验无人机在建筑现场的应用，我们分析了使用链和具有规划平面图的土方体积计算方法[5]。采用平均端面积法对链法进行了土方体积分析，旨在分析该链法中土方量是否因链间距的不同而不同。通过根据直接链区间分析现场适用性，与现有方法有一定的区别。

2.2 施工阶段无人机技术的研究

目前建筑领域的使用水平仅包括通过检查无人机拍摄的图像或通过数据后处理获取所需信息来支持决策。这种基于摄影测量的数据后处理过程已经变得普遍，很容易被任何人使用。韩国的上市公司，如韩国土地和住房公司、土地特别公司和韩国高速公路公司，已经建立了无人机的引入和利用计划，并正试图将无人机图像应用到他们的工作中[6]。

对无人机在建筑中的使用情况的研究表明，它们主要用于通过摄像机收集信息。由于最近对相机性能的改进，当使用4K 或更高级别的相机时，在100 m的高度可以达到4 cm 的空间分辨率。一些专家试图将无人机应用于各种应用，如建筑物变质评估、天坑探测、土壤水分含量分析，以及使用热成像摄像机、多光谱摄像机和激光雷达进行斜坡管理。然而，在施工现场使用装备昂贵设备的无人机给带来很大的负担。此外，在各种建筑工地的标准工作类型获得的无人机图像不能立即用于现有的工作过程。无人机图像的缺点是需要对数据进行再处理、Pix4D 等应用进行后处理。

无人机的数据采集具有在短时间内覆盖大面积的优点。在室内空间控制无人机的技术也在开发中，预计安全快速通过狭窄和复杂的内部空间的无人机将在未来商业化。然而，无人机在建筑工地最有效的应用是地形测量，这适用于要求精度为1～2 cm 的工作类型。典型的工作类型的精度2 cm 或更高的可持续性的标准类型的工作，包括施工前状态调查和障碍调查。如果在使用无人机施工前记录数据，则可以提前识别出大规模状态调查的不足部分，并可以解决问题。

3 基于无人机航测技术的土方体积计算方法

3.1 创建三维模型和连接现场土方量数据

在现场使用的三维模型文件的可视化过程中，需要一种技术，通过将系统中生成的三维模型与通过无人机记录的数据连接起来，来实现土方工程体积计算的可视化功能。作为一种数据可视化的链接方法，在Revit 程序中创建了一个与该领域中使用的坐标系统重合的三维模型文件。已创建的Revit 程序文件已被转换为一个可以在AutoCAD 中查看的绘图文件（.dwg文件）。.dwg 文件最终被转换为一个.tif 文件，这是一种可以在可视化系统中查看的文件格式。

一般来说，通过无人机的三维模型是通过无人机飞行收集的正坐标创建的。当无人机飞行进行坐标识别时，也可以建立应用于本研究的三维模型。一般来说，当用两张或两张以上的照片拍摄具有冗余性的物体时，即使该信息没有该物体的坐标信息，所拍摄的信息也可以识别该物体的三维坐标。根据这一原理，当使用无人机拍摄地面时，可以通过解释多个叠加点来产生具有三维坐标的地形信息。此外，通过将两种模型叠加和可视化，通过计算两种模型之间的体积，可以定量分析进展。由于提供了三维模型和链接信息，在设计模型中形成各层内部对象后，只选择用户所需的对象就可以激活或停用可视化功能。此外，还实现了一个功能，当仅应用用户所需要的层时，可以单独计算土方切割和填充量。通过叠加和可视化当前水平和设计水平，可以实现一个快速显示现场土方切割和填充部分的功能。在这个图中，设计水平用红色表示，使用无人机摄影测量法创建的三维模型用绿色表示。因此，数据可视化的实现方式很容易看到在每个施工部分中需要土方切割或填充的部分。

3.2 基于平均端面积法的土方量计算方法

图1 使用无人机的可视化三维模型

土方体积计算提取规划平面图的每个链截面后，每个截面采用平均端面积法计算相应规划平面图的体积。采用平均端面积法，通过每个横截面生成的链来比较和验证土方工程的体积。对于平均端面积法，采用基于目标截面体积和截面间距离的适当土方体积计算公式。在平均端面积法中，如果确定土方体积的目标区两个截面面积为A1和A2，两者之间的距离为e，最终土方体积V为：

利用该计算方法并利用无人机的现场摄影测量方法建立了三维模型，并利用三维模型建立了DSM。DSM 与场地面积一致进行切割，从顶部以固定间隔生成链和截面。生成链和横截面的间隔分别设置为20 m、10 m 和5 m，每个链的起始点和终点在DSM 上表示。

3.3 采用DSM 方法计算土方体积

该计算方法的基本原理是利用场地地形的海拔高度的差异来确定土方工程体积的差异。如果在两个比较日期之间的较早日期的当前水平低于较晚日期的当前水平，则该站点被认为是一个填方站点，并添加到土填方量中。然后，估计了这两个日期之间的体积变化。DSM 用于测量三维模型中的体积。当用户选择地形边缘测量DSM 中的体积为点时，根据所选的点序列生成一个多边形，可以计算出多边形地形的体积。体积是通过使用所选多边形的三角测量计算的。三角剖分可以从沃罗诺伊图中得到，它是将一个平面划分为最接近给定点的点集。当图中所包含的点被连接时，可以得到一个三角形。由三角剖分生成的三角形具有三角形的周圆不包含其他三角形的任何顶点的特征。因此，由于该方法有利于从点创建平面，因此将其应用于估计三维模型体积的技术中。