基础工程土石方量计算中无人机的应用探究

王超

湖北省水文地质工程地质勘察院有限公司，湖北 武汉 430100

摘要：当前传统土石方量测量手段在实际操作当中出现了很多弊端，例如作业效率较低、安全隐患较多等，随着经济的蓬勃发展，无人机摄影测量技术被用于工程土石方量测量方法当中，并展现了高效获取工程区域三维地形、减少外业工作量和使内业自动化程度高等众多优势，从而达到符合国家规范的土石方计算精度要求。据此，本文以无人机摄影技术概况为出发点，阐述了当前基于工程土石方量计算的无人机操作流程，并对无人机倾斜摄影测量土方量实验与应用进行分析，希望为未来基础工程土石方量计算中无人机的应用探究提供新思路。

关键词：土石方量计算；无人机应用；工程测量

引言：近几年国内许多工程更多利用三维扫描仪来得到有关土石方测量的具体数据，三维扫描仪得到的云数据虽然能在密度上能维持测量的精确度,但是其设备获取的数据在图幅拼接上对工作人员的职业要求较高，在拼接过程中为了保证图像的重叠度,测量效率将大幅度下降。除此以外，测量点的选择也十分重要，这将依靠于测量人员的操作水平，因此通过利用无人机的测量技术来计算土石方量，既能减轻内业工作人员的操作负担，还能得到高精度的地面数据，提高测量结果的准确性。

1.无人机摄影技术概况

现代无人机摄影技术具备机敏、反应快、操作简单等多种优势，所以通过无人机作为航空摄影设备可以更快速地获得符合要求、高分辨率的图像与数据。随着无人机摄影测量技术的发展与应用，其内容通常包括图像预操作、区域网联合平差、多视影像合作、三维立体建模等，以下为主要三种测量功能。

首先是无人机的多视影像联合平差功能，多视摄影不仅囊括了垂直拍摄信息，还包括倾斜摄影数据，再结合POS设备提供的多视影像外方位数据，使得其在影像上得以同名点自动匹配和自由网光束法平差，以此得到更好的同名点匹配效果。

其次是多视影像密集匹配功能，现代影像匹配始终是国内企业对土石方量摄影测量的基本问题之一，因此怎样在匹配过程中充分思考冗余数据，得以准确获取多视摄像中的同名点坐标，进而得到地质的更多数据，是多视影像匹配的重要任务。

最后是数字表面模型生成和真正射影像纠正功能，基于无人机摄影的多视影像密集匹配可以获得高精度且高分辨率的数据表体模型，从而充分表达出地形地物的形象特征[1]。除此以外，多角度倾斜图像之间的差异较多，同时较严重的遮挡和阴影也将影响无人机的摄影效果，所以影像的模型获取也将存在难点。

2.基于工程土石方量计算的无人机数据处理流程

2.1数据获取

无人机设备可直接采用旋翼式或固定翼式飞行平台，并再无人机上方承载五个倾斜相机，使其从五个不同的角度，即1个垂直角度和4个倾斜角度，同步采集地面影像，或者承载单个镜头相机，并依据图像重叠度以及拍摄高度进行航线重叠以及设计，最终成功获取地表实际物体的顶面及侧视高分辨率图像信息，以及地面物体的纹理信息，最后对影像的质量进行充分检查[2]。

2.2数据处理

土石方量测量人员应当对通过无人机获得的影像质量进行充分检查，并将照片与多视几何影像进行匹配从而获得稀疏点云。再通过相应的算法对稀疏点云加密，从而得到密集点云现象，最终对密集点云进行立体化和纹理映射得到土石方量的立体三维模型。

2.3数据计算

土方测量工作的关键之处在于将测量地质的原始地形地貌和开挖后地貌进行准确的表达，所以通过相应软件来计算土方量，以此制成数字三维模型，再将其作为数据基础经过空间分析和叠加分析功能，对开挖前后立体模型进行分析，以此用软件的统计分析模块来得到填挖区域的实际体积，最终得到填挖土方量。

3.无人机倾斜摄影测量土方量实验与应用

3.1无人机实验数据采集及处理

以某地区的土方测量工作为例，测量人员首先在地面站上选择特定参数，并找到可自动完成的任务航线,使无人机在自动模式的航线中将其摄像头在标准角度进行对焦，再根据自动航线及飞行设定的自动模拟像机拍摄频率得到拍摄数据。在获取信息后无人机将自动返航，并在返航降落时自动关闭飞行模式，将测量数据导入处理的软件中，形成云空间的操作数据，并在空间中自动模拟出立体框架，再自动建设出三维点云模型并予纹理，最后导出云模型的实际数据，测量人员将依据三维建模来计算土方量的体积[3]。在利用无人机进行数据收集时，前期布置只需进行航线设置和参数选择,工作人员只需要在待测区的起飞点处，关注无人机的飞行实况即可。

3.1.2与传统RTK数据采集对比

在无人机的后期测量数据处理过程中，通过将无人机对土方测量得到的数据进行软件建模，此实验选取Smart3D作为建模软件，现代Smart3D软件建模具备操作建议、数据处理速度快、自动化以及可生成真实影像位纹理的高质量实景真立体模型等多种优点，与人工制成的实景三维场景模型相比，无人机的软件处理可以节省大量的人力资源。将传统RTK的数据导入以往经常使用的CASS软件中,再土堆构建三角网，从而逐个计算土石方量。通过实验对比，可得到用传统CASS软件计算出的土石方量所用时间较短，但是人力资源需求较大，且在模型建造时易出现纰漏，有时需要反复检查。而利用无人机的自动建模所需时间比CASS软件多大概3个小时，但无需在建模时安排更多的人力资源，因此基于无人机的土石方量测量也可充分完成实际应用与未来发展。

结束语：通过对现代无人机摄影技术的运用，以及多角度的拍摄与记录，可以获取更加丰富与准确的数据，不仅减少人工数量,还充分提高测量作业的效率,同时使平坦地面与复杂的地形均都能获取理想的测量数据，使其满足工程土石方量的计算。综上所述，本文以无人机摄影技术概况为基本点，浅析了当前基于工程土石方量计算的无人机操作流程，并对无人机倾斜摄影测量土方量实验与应用进行研讨，旨在为未来基础工程土石方量计算中无人机的应用探究提供理论基础。

参考文献：

[1]张伟红,竺会梅,林早红,等.无人机在基础工程土石方量计算中的应用研究[J].昆明冶金高等专科学校学报,2020,36(3):5.

[2]杨喜明.工程测量中的无人机航空摄影测量技术[J].黑龙江科技信息,2019,000(021):141-142.

[3]师树宇,周广胜.工程测量中无人机遥感技术的应用分析[J].科技创新与应用,2021(2020-11):184-185.