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技能Get!如何使用无人机量测土石方?

2019-01-24 07:04 11

本期期刊速读内容来自《现代测绘》杂志2018年3月的文章《无人机航空摄影测量在土石方量计算中的应用》,作者王刘文肖。

作者:刘文肖,工程师,研究方向为GPS数据处理及无人机测量。

本文针对土石方测量中快速、准确和安全计量的需求和采用传统方法作业过程中存在的外业工作量大等问题,研究了无人机航空摄影测量技术的工作原理及其在土石方测量中的应用方法,解决了传统方法作业过程中存在的外业工作量大、效率低、费用高等难题。

作者以实例介绍了无人机航空摄影测量在土石方测量中的应用过程,通过外业数据采集、内业数据处理得出土石方量,分析了测量精度。

实验证明,该方法可达到相应国家规范的土石方计算精度要求,且快速安全,避免了大量人工作业,降低了人员安全保障投入,提高了生产效率,节约了生产成本。

本文采用无人机航测技术,对测区改造前后的地形分别进行航空摄影测量,获取场地变化前后三维地形及影像数据,再将数据导入Autodesk的Civil3D软件中,快速生成前后两次三维地形模型,以对改造前后土石方量的计算进行分析。

如何选择合适的测绘方法?

近年来,伴随国家经济高速发展,各种基础设施建设项目越来越多。土石方量计算是工程项目核心环节之一。为了能合理安排项目进度,准确计算工程量大小与费用,通常需要高效、准确地计算土石方量。因此选择合适的测绘方法十分重要。

传统的土石方测量方法有水准仪测量法、全站仪测量法和GPS测量法

水准仪测量法

是通过使用水准仪测量事先在测区布设方格网的每个角点高程来计算土石方量的。该方法适用性单一,若测区不适合布设方格网,该方法就不适用了,且费时费力。

全站仪测量法

具有操作简单,仪器要求低等优点,适合测量面积较小和通视良好的区域,反之,则会非常繁琐,且效率低下。

GPS测量法

是目前土石方测量中应用较多的一种方法,它不受距离和通视限制,且测量速度和精度较全站仪测量有所提高,但当测区有一些建筑、树木、电磁场等影响GPS信号时,该方法就不太适用了。因此传统方法受场地影响大、效率低下、人工成本高,亟待寻求一种高效、安全且经济的测量方法。

无人机航测成为解决问题的新手段

新兴无人机航测技术为解决上述难题开辟了一条崭新途径。无人机航测作为测绘发展的新技术,以其机动灵活、数据现势性强、影像分辨率高、减轻劳动强度、提高生产效率等优点,已在工程勘测、设计、施工、竣工验收及运行等多个环节中发挥了重要作用。国内外众多学者也已开始尝试用该技术进行土石方量测量。该方法不受场地障碍影响,费用相对低廉,在对场地土石方量追踪管理方面成本较低,同时由于避免了大量人工现场作业,大幅提高了测量人员的安全保障。

1 无人机航测实施技术路线

土石方量计算的目标是求取地表面体的体积差,关键在于对现状地形和改造后地形进行表述。因此,利用无人机航测技术进行土石方量计算主要是通过无人机获取地形改造前后同一区域数字高程模型DEM与数字正射影像DOM,然后将地形改造前后的DEM与DOM导入Autodesk的三维可视化分析软件Civil3D中,分别进行统计分析,再通过DOM选取需要计算土石方量同一区域的DEM,对其进行统计分析,得出改造过程中土石方的填挖方量。

总之,基于无人机航空摄影测量的土石方量计算作业流程主要包括:测区踏勘、航线规划、地形改造前后航测数据采集、航测数据处理、DEM制作、DOM制作、地形改造前后数据分析、土石方量计算分析8项。

2 无人机测量土石方应用实例

本实例为某一房建项目的土石方量计算任务。本任务航飞工作采用六旋翼微型无人机对改造前后的地形分别进行航测数据采集,内业航测数据处理使用Pix4D进行,再使用Autodesk的Civil3D软件做前后两次地形分析,计算改造前后地形变化,得出场地平整过程中的土石方量。

2.1 外业数据采集

实施航测外业数据采集时,基本流程如下。

(1)航带设计。对测区进行现场踏勘,确定测区范围与地形情况,根据《低空数字航空摄影测量外业规范》(CH/Z 3004—2010)中1:500地形图航测规范要求,对本项目外业进行航带设计。根据要求,该项目确定航飞高度为200m,航向重叠度和旁向重叠度分别为75%和45%。

(2)像控点布设。根据规范要求,本项目在测区四周以及中间均匀布设了12个平高控制点,保证100张相片能有6个控制点,并保证控制点至少能在两张影像上同时找到。

(3)航测参数设定。根据航飞现场情况,确定各项飞行参数,完成航测数据采集工作。

2.2 航测数据处理

对采集完成的两期航测数据采用Pix4Dmapper软件进行数据处理(图1)。

图1 航测数据处理流程图

2.3 土石方量计算与分析

在计算机处理过程中,地表面模型DEM的主要数字表现形式是不规则三角网TIN,故土石方量计算主要是利用TIN进行的。因此,需要将改造前地表DEM生成的TIN和改造后生成的TIN叠加,形成交线,即是场地开挖过程中开挖区与回填区的分界线。通过计算每条分界线所包围成的封闭区域的体积大小,就可以计算每一个开挖区与回填区的体积,然后对每个开挖区与回填区进行累加,即为所求区域里土石方的挖方与填方量。因此,改造前后两期地形的土石方量计算主要流程如下。

(1)将改造前的点云数据DEM导出为文本格式,并导入Autodesk的Civil3D软件中,生成TIN曲面模型。对改造前的地形进行分析,统计各处最大高程、最小高程以及各高程区间范围(图2)。

图2 改造前地形TIN曲面模型分析结果

(2)将改造后的点云数据DEM导出为文本格式,并导入Autodesk的Civil3D软件中,生成TIN曲面模型。对改造后的地形进行分析,统计各处最大高程、最小高程以及各高程区间范围(图3)。

图3 改造后地形的TIN曲面模型分析结果

(3)在正射影像上圈出需要计算土石方量的区域,并用确定的边界对该区域地形的TIN曲面模型进行提取(图4)。无人机航测可同时得到测量区域影像,可直接在影像上确定土石方量的计算范围。

图4 确定土石方量计算范围

(4)在Civil3D中打开需要计算土石方量区域的两期地形TIN模型,利用软件中的地形分析工具,以改造前的地形为参考基准,计算改造后地形的填方量和挖方量(图5)。

图5 改造前后地形的填挖方量结果

(5)统计分析两期地形变化,得出填挖方量结果,输出土石方量报告:投影面积14814.51m2,挖土石方量18740.80m3,填土石方量47.28m3。

3 无人机测量精度可以满足一般工程规范要求

为了分析无人机航测技术测算土石方量的精度,本文将该方法与传统GPS测量法进行比较。采用传统GPS-RTK方法获取测区范围内两期地貌特征点各60个,记录各点平面坐标、高程及每个点对应的实地位置作为检查点。从两期地形模型中提取各检查点对应位置的模型点坐标与检查点坐标作比对,进行精度评估。

先利用两期测量的各60个检查点分别对两次航测的平面、高程进行精度分析,结果为地形改造前平面中误差±0.39m,高程中误差±0.32m,改造后平面中误差±0.36m,高程中误差±0.29m,满足1:500大比例尺低空数字航空摄影成图要求。

再利用CASS9.0软件中土方计算功能完成异常点剔除、计算边界界定以及基准确定等工作后,基于方格网法计算改造前后的土石方量。然后将传统GPS测量法计算得到土石方量结果与无人机航测计算结果进行比较,结果为两种方案的挖方量相差80.95m3,占总挖方量的0.4%,填方量相差1.59m3,占总填方量的3.3%。

比较分析结果显示,采用无人机航测得到的土石方量精度可以满足土石方量计算的一般工程测量规范要求,可用于工程项目土石方量计算。

4 总结:无人机测量土石方的优势分析

研究了采用无人机航测技术进行土石方量计算的流程以及数据处理法,结果表明,将无人机航测技术运用于工程土石方量计算有如下优势:

① 相对于传统土石方测量方法,无人机航测技术更加机动、灵活,不受地形限制,在平缓、陡峭地区均适用;

② 数据采集更加快速,传统方法数据采集通常需要数周,该方法一般仅需1d就能完成,特别是当测量面积较大时其优势更加明显;

③ 在测得地形高程数据同时,该方法获取了影像数据,可更加精确界定土石方的计算范围,使计算结果更加精准;

④ 所得的DEM为数字形式,可直接导入商业软件中进行计算分析,提高了计算效率;

⑤ 减少了人员投入,减轻了外业工作量,节约了生产成本。

  

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