无人机航空摄影测量技术在土方平衡中的应用研究

无人机航空摄影测量技术在土方平衡中的应用研究

摘要: 研究了无人机航空摄影测量技术在土石方平衡中的应用方法，解决了传统方法作业过程中存在的现场工作量大、效率低、成本高、内部计算复杂、精度低等问题。 。本文通过实例介绍了无人机航空摄影测量在土石方平衡中的应用过程，详细介绍了利用无人机采集和处理三维地形数据的过程以及使用Civil 3D软件进行土石方平衡设计的方法，并分析了测量方法和数据处理的准确性。实验表明，该方法能够满足工程应用中土方平衡的精度要求，且快速准确，大大提高了生产效率，节省了生产成本。

关键词：无人机；航空摄影；土方平衡

0 简介

土方平衡是指在施工前对施工场地进行地形测量，获取场地地形图，然后与设计方案中场地的设计标高进行比较，计算出施工期需要开挖的土方量。高的区域和低的区域需要填充的量。调整土石方量，再调整设计标高，使填方和开挖量基本能在现场实现自平衡。规划基坑开挖施工时，应尽量减少运入运出的土方量。这不仅影响土石方成本，而且对场地布置、进度和成本控制都有很大影响。因此，选择合适的方法高效、快速、准确地开展土方平衡设计工作，对于工程项目高效、合理的开展具有至关重要的作用。

土方平衡对于原址地形的测量至关重要。传统的方法包括水平测量、全站仪测量和GPS测量[1]。这些测量方法通常需要人工现场对地形特征点进行一一测量，对现场的环境要求通常较高。当测量范围较大且测量环境不好时，测量工作会进行得很慢，这不仅延长了施工周期，而且工程成本也会大大增加；传统测量方法的结果多为二维地形图。后期土方平衡的内部处理大多是利用工程师的空间想象在二维图纸上进行，不仅需要大量的人力和时间，而且计算结果误差较大，容易出错。没有直观的三维模型。每次调整场地规划时，必须重新绘制图纸并计算土方量。土方量无法动态分析，工作效率低。因此，迫切需要寻找一种高效、便捷、经济、内外产业一体化的三维土方平衡设计方法。

新兴的无人机航空摄影测量技术为解决上述问题开辟了新途径[2]。无人机航测作为测绘发展中的一项新技术，具有灵活性强、数据流动性强、地形分辨率高、信息化程度高、劳动强度低、生产效率高等优点。国内外许多学者已经开始尝试使用这项技术。地球平衡设计工作。利用该方法进行土方平衡，初步地形图测量不受场地障碍物影响，工作高效、方便、快捷。同时，避免了大量的人工现场操作，大大降低了项目成本。由于无人机成果信息化程度高，地形处理结果可直接提供三维点云，可直接导入三维数据分析软件，大大提高了土方平衡室内设计计算的速度和精度。

本文利用无人机航测技术，首先对施工现场地形进行航空摄影测量，快速准确地获得施工前现场的三维地形，然后导入航拍获得的实际现场地形和初步设计同时将地形输入软件[3]，快速生成实际地形与设计地形的三维模型，进行叠加分析，计算场地内土方填挖差异，进而动态调整设计从而在三维视图中直观、快速地实现现场土方平衡。

1 无人机航测技术在土石方平衡应用中的实施技术路线

土方平衡的目标是使开挖土方与回填土方平衡在整个工程红线以内。因此，该任务的关键在于当前原始地形数据的采集、原始地形与设计地形之间地形差异的确定以及设计地形的动态调整[4]。

利用无人机航测技术开展土石方平衡工作。主要方法是通过无人机获取实际地形的数字高程模型DEM，然后将其与初始设计高程的场地DEM同时导入三维可视化分析软件Civil 3D中[5]，进行计算分析，获得工程填方、开挖量，是否满足土方平衡要求。如果不满足，则通过软件实时调整设计标高，直至满足土方平衡要求。具体思路如下：

1）通过现场勘察，确定测区范围和地形条件，并结合现场环境进行无人机航测数据采集。

2）利用航测数据处理软件对航测数据进行处理，生成数字高程模型DEM。

3）将无人机航测生成的DEM导入Civil 3D软件中，对原始地形进行表面建模。

4）根据设计要求，初步设计场地平面图，并根据初步设计立面在Civil 3D软件中构建设计面模型。

5) 将原地形面与设计面进行对比计算，得出场地内土方填挖总量。

6）一般工程项目要求规定，当填方或开挖量超过10万立方米时，填方与开方之差小于5%；当填方量和开挖量均小于10万立方米，填方与开方之差小于10%时，为土方平衡。根据这一要求，判断场地内土方、填方、开挖量是否平衡。如果不平衡，则调整场地设计标高。调整方案可根据情况决定。场地整体设计标高可以调整，也可以根据设计需要调整局部设计标高。然后根据新的设计标高来重建设计面。

7）将调整后的设计面与原地形面进行比较，重新计算土方填挖量，然后继续判断是否平衡。重复上述操作，直至满足土方平衡要求。

8）当设计场地满足土方平衡时，可利用软件生成土方详图，指导施工。

具体技术路线如图1所示。

图1 实现技术路线

2 应用实例

本例是某200余公顷现代农业湿地生态种植开发区项目的土方平衡设计任务。采用六旋翼微型无人机采集原场地地形三维数据，利用无人机航测处理软件Pix4D进行内部分析。专业航测数据处理，然后利用Civil 3D软件进行土方平衡计算分析和动态高程设计以及土方详图生成。

2. 1 现场数据收集

根据项目情况，将对规划区场地地形进行无人机航测数据采集。航测野外数据采集采用六旋翼微型无人机。基本流程如下：

1）飞行带设计。对测区进行现场勘察，确定测区范围和地形条件[6]。该任务处于前期规划阶段，可使用1：2000地形图。因此，按照国家规范《低空数字航空摄影测量野外规范》中1：2000地形图航测规范的要求，进行了本项目的野外设计。根据要求，项目确定飞行高度为300 m，航向重叠度和边向重叠度分别为75%和45%。

2）图像控制点布局。根据规范要求，本项目在测量区域周围和中间均匀布置了36个水平高的控制点，保证100张照片可以有6个控制点，并保证在至少两张图像上找到控制点同时。

3) 航测参数设置。根据飞行现场情况，确定航测时飞机的飞行参数，完成航测数据采集工作。

2.2 航测数据处理

野外航测数据采集完成后，需要对航测数据进行处理。数据处理是使用软件执行的。主要流程如图2所示。

1) 获取原始航测数据。无人机航测过程中的原始数据主要包括航测照片、POS数据和图像控制点数据。

图2 航测数据处理流程图

2）新建项目并导入原始​​数据。新建一个工程，导入航测照片和POS数据，然后使用软件工具栏的影像控制点编辑器一一输入控制点的坐标，在上面一一打出影像控制点的位置照片。

3）根据本项目要求，填写各航测数据处理选项的参数。

4）一键全自动加工。根据项目选定的处理参数，软件将自动完成航测三维加密工作，自动生成测区点云，查看软件生成的质量分析报告，检查航测数据是否符合要求。加工满足精度要求。

5) 编辑点云数据。软件自动生成的点云中含有较多的噪声点，如房屋、树林等地表物体，需要通过编辑将其去除，以获得测区所需的地表数字高程模型DEM[7]。

2.3 土石平衡计算分析

1）原始地形建模。将无人机航测获得的原始地形数字高程模型DEM导入三维设计分析软件Civil 3D中，利用软件的“曲面”功能创建原始三维地形表面。软件中地表模型的主要数字表示是不规则三角网TIN[8]，因此土石平衡的计算主要利用TIN进行。与传统网格法相比，该方法充分利用无人机航测地形的高分辨率，直接利用原始地形点形成三角网格面，无需插值网格点，不改变原始数据和精度。因此，该方法能够很好地适应复杂的不规则地形，并且具有较高的精度。

2）构建设计面。规划区项目为现代农业湿地生态种植区。因此，根据项目需要，该区域场地设计按照用地要求进行。将初步设计的场地平面图导入软件中，构建设计面模型。 。

3）计算填方和开挖量。利用Civil 3D的“分析”功能，对初步设计地形与原始地形表面组成的设计表面进行差分集操作。土方计算方法选择“三菱柱”算法，选择原始地形面作为基面，选择设计面作为控制面。 ，输入松散系数和压实系数。通过计算两个曲面之间矢量叠加形成的体积曲面，即可计算填切量，并显示填切范围，直观方便。

4）调整场地设计标高。经过上一步对原地形面和初步设计地形面的分析计算，填挖量差为156.6万立方米。根据判断依据，填挖量均大于10万立方米，且填挖量差异大于5%。 ，不满足土方平衡要求，需调整设计标高。本项目场地设计以功能分区为基础，局部区域标高可根据设计需要进行调整。 Civil 3D软件可以动态、直观地调整设计图面上的立面设计。

5) 反复迭代计算充挖量。将标高调整后的设计地形面与原地形面再次进行差集运算，重复土方量计算步骤，直至土方填挖量达到平衡要求。经过对设计场地标高的反复调整和优化，最终将填挖量差调整为02000 mm3，小于填挖量的5%，满足土方平衡要求。土方量统计见表1。

表1 土方量统计表

6) 生成土方图。通过规划区场地地形优化设计，实现土方平衡后，利用软件将场地划分为长、宽各50 m的方格，计算出场地填挖量的具体量。每个方格，快速生成准确的土方详图。土方图可以清晰地反映每个网格中的开挖和填方值，为后期制定土方施工分配方案提供详细依据。

3 准确度分析

为了分析无人机航测三维地形数据采集的精度，本文采用传统的GPS-RTK方法，按照航测规范的要求，获取测区范围内的80个地形特征点，并记录平面坐标、高程以及每个点的每个点。该点对应的实际位置被用作检查点。从航测采集的地形DEM中提取各检查点对应位置的点坐标，并与实测检查点坐标进行比较，进行精度评估。结果是无人机航测数据平面内误差为±0. 68，高程误差为±0. 56。符合国家《低空数字航空摄影测量内部规范》要求”，航测平面和高程精度满足1：2000大比例尺低空数字航拍测绘要求。

为了土方平衡计算的准确性分析，本文采用传统的南方CASS 9.0软件，并利用该软件的网格法计算功能，对设计场地的土方填挖量进行复核计算。与Civil 3D的计算结果偏差在5%以内。内，比较一致。作者认为，计算产生的偏差是由于方格网法对原始地形进行插值过程造成的，导致地形精度的损失。

对比分析结果表明，无人机航测获得的原始地形DEM能够满足工程测量规范的要求。利用Civil 3D软件进行土方平衡分析计算出的填挖量与传统方法的计算结果一致，满足土方平衡计算的要求。要求。

4 结论

本文研究利用无人机航测技术进行土石方平衡的过程及数据处理方法。研究表明，将无人机航测技术应用于工程土石方平衡工作具有以下优势：

1）与传统的场地地形测量方法相比，无人机航测技术更具机动性和灵活性，不受地形限制，既适合平缓地区，也适合陡峭地区。

2）该方法收集数据速度更快。使用传统方法收集数据通常需要几周的时间。这种方法通常可以在一天内完成数据采集工作，特别是当测量面积较大时。这种方法的优点是比较明显的。

3）该方法测量的地形高程数据DEM为数字形式，可直接导入三维设计分析软件Civil 3D中进行处理，实现了内外部操作一体化，减少了操作步骤。

4）与传统在二维图纸上采用方格网法进行土石方平衡工作相比，无人机采集的三维地形数据可以直接采用不规则三角网法进行。该方法精度更高，处理结果更直观，现场设计方案可以三维动态呈现，整个流程软件可以自动校核数据，大大降低了设计人员的工作强度，减少了人为失误。

5）该方法减少了人员投入，减少了现场工作量，降低了内部数据处理强度，提高了发电效率，节省了生产成本。因此，研究表明该方法高效、便捷，可以推广应用。

参考：

[1] 张宏亮，胡波，蔡元波。 GPS-RTK技术在土方测量中的应用[J].城市调查，2008，23(5)：83-85。

[2] 张祖勋，张建清。数字摄影测量[M]．武汉：武汉大学出版社，1997。

[3]任遥，秦军。Civil 3D 2008实用教程[M]。北京：人民交通出版社，2008。

[4] 张小凡.场地平整设计方法探讨[J].重庆建筑，2013，22(2)：53-56。

[5]范旭红.在场地土方量计算中的应用[J]．建筑材料技术与应用，2012，23(10)：42-43。

[6] 张慧君.无人机航测带形地形实验与分析[J].测绘科学, 2013, 38(3): 100 - 101, 105.

[7]李志林，朱青。数字高程模型[M]．武汉：武汉大学出版社，2003。

[8]王少云.不规则三角网法在土方量计算工程中的应用[J].北京测绘, 2009, 23(2): 51 - 53.