倾斜摄影测量技术在土方量计算中的应用

罗明强

中国市政工程西南设计研究总院有限公司四川省成都市610000

摘要：土方量计算是诸多工程实施中都要涉及的一个环节，本文通过行业级无人机快速获取目标物影像数据，建立实景三维模型，对模型进行修饰处理，去除影响土方量计算的地物，最后基于CASS 3D软件导出修饰后的实景三维模型高程点坐标，进行土方量计算。工程实践结果表明，无人机航测能进行土方量的高精度自动量算，显著提高土方量工程的效率，具有广泛的应用前景。

关键词：行业级无人机；实景三维模型；土方量计算；CASS 3D软件

0前言

随着经济的发展，国家在大力推进城镇化进行，势必会带来基础设施大量的建设。其中原材料需求的增加，特别是砂石材料的需求旺盛。国内一些石料开采单位，为追求利益最大化，不规范开采，直接引发了资源浪费与生态环境破坏的问题时有发生，为此提高石料开采的科学化、规范化、合理化是解决资源浪费、环境破坏的最好方法。目前石方动态监测主要是以全站仪获取轮廓特征信息为数据或RTK碎部点采集的方式获取石料高程数据，再结合EPS、CASS等成图软件进行石方变化量的计算。上述方式被生产单位广泛认可，但这些石方监测技术存在数据采集速度慢、采样密度低、误差大、分析困难等不足，如遇一些石料堆积高大，坡度较陡的情况时，常规数据获取难度大、危险性高且人力成本较大。

无人机现分为行业级应用和消费级两类。消费级无人机由于其未搭载RTK模块且无法负载高质量的镜头模组，一般仅能进行简单的航拍作业，无法进行航测工作；行业级无人机单架次作业面积广、速度快、负载选择多，且自带网络RTK模块，是航测工作首选。本文以大疆M300 RTK无人机为例，对测区进行航测作业并生成倾斜模型，研究倾斜模型土方量计算方法，并对土方量计算结果进行精度验证。

1石方储量变化监测总技术路线

利用低空无人机进行石方储量计算，包括测区踏勘，外业像控点选择与实测，无人机作业获取影像，内业空三计算、加密、优化，DSM模型组建，三维模型生成，高程点采集及特征点高程采集，生成TIN数据集等多个作业步骤。基于ArcEngine二次开发实现石方储量变化计算包括导入TIN数据集，TIN模型的渲染，储量三维可视化，确定变化范围与计算石方储量变化量，精度分析。

2无人机倾斜摄影测量获取数据关键步骤

2.1采石场像控点测量

外业像控点测量，通过空三计算将每张像片的坐标转换为与像控点同一参数的坐标，一般根据测区周围环境并结合相关规范布设与实测像控点，做到精度达标、费用节省的原则，待飞区中像控点布设均匀，有条件单位可选择强制对中像控点，每平方千米布设8个点左右。像控点坐标系根据实际情况而定，一般利用当地的城市CORS系统获取，野外可制作标靶或者选择清晰地物角位置刺点。对于采石场来说，地形环境较复杂，石壁都在山头上，像控点布设与测量较困难，一般选择在路边不易破坏且稳定的地方，并且布设像控点时间与航飞时间间隔尽量短，避免自然环境与人为破坏，影响成果精度。

2.2航向规划与倾斜摄影外业采集

开展外业作业时要考虑天气的影响因素，应在晴朗无云的天气进行航测任务，风速小于6.0m/s，无人机中机载POS系统数据采样率小于1秒，选择测区范围中最高点与最低点海拔高程值均值为航高。采石场地形都较复杂，进行任务前需充分了解该测区的地形地貌，确保航线高度设置合理，项目安全顺利进行；无人机作业航速一般设置为8m/s，如设置过快，会导致最终建模成果拉花，影响最终成果质量；航测镜头感光度ISO晴天一般为1/1000，阴天为1/800；航向重叠度一般为60%-80%，旁向重叠度一般为15%-60%，航向弯曲度一般不大于3%，飞行时尽量保持飞机处于同一航高，同一航线相邻照片航高差应小于20m，最大航高与最小航高差应小于30m。飞行过程中时刻观察飞机电量与存储空间的剩余情况，重点观察相片的连续性与机载pos系统的工作情况，如出现摄影漏洞，应按照原计划进行补飞，确保模型完整性。

2.3空三加密与采石场三维模型重建

无人机倾斜摄影测量技术内业空三解算具有人工干预少、自动化程度高、解算精度高且快等优点，各方面均优于传统航空航天正射影像。目前大部分无人机自带POS系统，该系统能够实时快速地获取每张像片曝光时的外方位元素，为后续数据处理提供保障。

以大疆智图软件为例，新建项目，导入镜头所摄五个方向的照片文件夹，导入像控点文件进行刺点，一般选择测区周围分布均匀的像控点；选择像控点对应坐标系统和高程系统，进行空中三教测量及优化，生成空三解算质量报告；最后构建高分辨率的三维立体模型、DSM及DOM相关产品。

2.4采石场高程采集

利用三维建模软件构建的石方场地三维模型，导入CASS 3D中进行高程点采集和特征点高程采集。为提高计算石方的准确性，在地貌变化明显地区加密采集高程点，包括变坡处，坎上与坎下均需要错开采集高程。长斜坡中间增加高程点，以保持斜坡特性。

4.1项目概况

奉化县属亚热带季风性气候，四季分明，温和湿润，年均气温16.3。，降雨量1350至1600毫米，奉化县境内有状元岙、许家、南岙、兴奉四个采石场。本文数据来自许家采石场，该采石场采用的露天开采的方式进行石料获取，主要开采方式为钻孔爆破法将山体表面石料剥离山体，随即由大型铲车运至石料加工点将其粉碎至颗粒状。该种采石方法形成的岩体表面陡峭整体分布程规律状。

本次石方量计算任务采用大疆Matrice 300 RTK无人机，该机型配备网络RTK模块，可实现厘米级定位，最大续航为55分钟。负载为赛尔倾斜摄影五镜头相机PSDK102S，该相机配备五镜头，可实现一次航线飞行获取五个方向的影像，作业效率大大提高。任务场地空旷无高耸建筑物及构筑物，飞行高度为80米，地面分辨率1.5cm，旁向与航向重叠度分别为70%、80%,三维构建软件选用大疆公司研发的DJI Terra软件。

4.2精度对比分析

为检验倾斜摄影测量进行土方量计算精度是否满足规范要求，本文基于无人机倾斜摄影测量和GPS-RTK外业测量进行填挖土方计算，内业均使用南方CASS软件构建DEM，利用５ｍ方格网法计算两种方法的填、挖方量及二者较差。结果显示，无人机倾斜测量法进行的土石方量测算与GPS-RTK外场测量结果相差不大。无人机倾斜摄影进行的土石方量计算，需要２人工作0.5天，内业需要１个人工作1.5天；GPS-RTK法进行土石方量计算，需要２个人工作２天时间，内业需要１个人工作１天。因此，利用无人机倾斜摄影测量法进行的土石方量计算效率要优于GPS-RTK外业测量法。

本文归纳了基于无人机倾斜摄影测量技术进行的土石方计算的优越性：１）与传统全站仪、GPS-RTK等外业测量方法相比，其精度能够充分满足土方工程的计算要求；２）与传统的野外测量方法相比，效率提高了2-3倍，特别是在外业测量方面，可以大幅度降低野外作业的工作量；３）基于无人机倾斜摄影测量的土石方量算，是在实景三维模型上量取的高程点，任意一点都具有坐标，在高程点提取时，采点密度越大，测算精度越高，可以根据实际情况进行采点间距和密度选择。

4结论

土石方的计算涉及领域众多，包括露天采矿、土地开发和工程建设施工等，土石方的精度将直接关系到工程项目的经济效益。本文应用行业级无人机通过倾斜摄影测量得到目标区域实景三维模型，再通过提取模型高程点坐标计算目标区域填挖方量，与传统的全站仪、GPS-RTK等土方量测量方法相比，采用无人机倾斜摄影测量进行的土石方计量工作效率更高，具有较好的发展应用前景。

参考文献

[1]李博，徐敬海．无人机倾斜摄影测量土方计算及精度评定[J]．测绘通报，2020(2):102-106．