建筑技术丨基于无人机倾斜摄影技术的工程土方量测算

1 项目概况

本工程项目位于福建省福州市晋安区，项目测区内包含项目部、道路、绿地等要素，用地面积为7 774 m²，航测设备采用精灵4 RTK，航测坐标选用CGCS 2000坐标高程系统，中央子午线为120°，飞行空域不涵盖飞行禁区，已向有关部门空域申请，批复允许后飞行。基于倾斜摄影技术的土方测算作业流程如图1所示。

2 技术方案设计

收集测区资料后，因项目地势平坦，未分区作业，按照测绘规范要求，绘制测区范围，将生成的KML文件导入遥控器。

编制方案前需现场勘测，利用无人机，查看区域位置情况，将适合做控制点的图片记录下来，结合现场实际情况，编制航测技术设计方案，设计内容主要包括项目内容及技术要求、采集设备、航测规划、布点方案、质量控制及保障、成果清单等。

3 像控点布设

根据无人机航测设计方案，进行实地布设并测量像控点，采用L形喷涂式像控点，在测区布设13个点（7个控制点，6个检查点），选点布设在空旷、易于判读的地方，均匀布设于四周。每个点需拍摄照片且命名，以便内业判读点位。

4 RTK测量技术

本工程案例采用网络RTK（Real-time kinematic），根据测区资料，填写基本信息，移动站接收到的信号达到固定解，则可进行坐标点采集，测量时气泡应居中5 s以上，每个像控点进行3次测量，然后通过LandStar7软件中导出项目，每个像控点取3次数据的平均值，汇总整理成像控登记表，将项目已知控制点数据与相应的RTK测量像控点平均值数据对比，根据相关规范，RTK平面控制点测量坐标转换残差绝对值不大于2 cm，测量最终结果满足要求。

5 倾斜摄影技术

5.1 航测规划

本工程案例需达到分辨率3 cm，则航测参数设置为飞行高度100 m，拍摄方式为定距拍摄，航向/旁向重叠率70 %/80 %，像幅比例4∶3，斜射云台角度–60°，设置快门优先及智能返航。

5.2 无人机航测

无人机对频、网络RTK设置、指南矫正等调试完成，确认满足起飞条件后，调用航测规划，无人机自动执行任务。

外业人员可实时监控飞行信息，确保无人机在可控范围内活动。无人机电量低时需及时更换电池，无人机智能返航至定点，电池更换完成后，调用任务继续作业。

5.3 贴近摄影技术

土方测算需要高清地表影像信息，因此无人机航测获取初始地形信息后，生成点云数据，在航迹大师软件中，针对目标地块规划精细防地航线，以物体的“面”为摄影对象，贴近地面数据与无人机航空倾斜影像数据融合进行实景三维建模。

5.4 数据检查

航测飞行完成后，对无人机采集的影像数据进行检查，若有足够重叠的影像、特征点足够多的影像、曝光正常成像清晰的影像、精准位置数据的影像，则数据合格，及时下载、分类保存好数据，汇总交付内业成员使用。若发现问题及时采取补拍措施。

6 实景三维建模技术

6.1 建立三维模型

将航测数据导入重建大师软件，将信息定位后进行自由空中三角测量，先对模型进行相对定向，通过手工选点与控制点联合解算预测影像中的位置，像控选刺后，在已知地面控制点的基础上，进行联合平差，完成绝对定向。

空中三角测量结束后，采用反投影误差表示确定精度是否合格，查看空中三角测量报告中控制点或检查点的残差及中误差值，连接点的反投影中误差（控制点）小于1个像素，最大残差（检查点）小于2~3个像素，表示成果合格，可提交空中三角测量资料，利用空中三角测量成果进行模型重建。根据成果要求设置生产参数及格式（OSGB、LAS），提交生产任务，进行模型自动重建。

6.2 模型优化

土方测算使用原始测量点数据创建地形模型是最精确的方式，但有些原始地表存在其他地物影响测算精度，因此不能作为土方计算基准，需通过模型优化对其进行清除，而后作为清表曲面计算。

实景模型重建后处理软件采用DP–Modeler软件，过程包含漂浮物及遮挡物的去除、模型结构及纹理的修复等。

三维点云模型重建后处理采用Trimble Business Center软件，过程包含点云分割分类、点云去噪、点云采样等。

7 土方测算

选用南方CASS、FastTFT、Civil 3D软件进行测算，分析各软件计算原理及功能，南方CASS与FastTFT通过已有的地形离散点或等高线信息生成数字地面模型，根据设计高程计算挖填放量。Civil 3D软件根据已处理的测量数据创建各阶段计算结构曲面实现三维数据地形模拟，更加精准，因此工程案例使用Civil 3D软件。

经模型优化后生成高程数据，并对其整理汇总，采用Civil 3D创建地形曲面，本工程案例大基坑开挖放坡采用1∶0.8放坡，小基坑采用1∶0.6放坡，底板点背标高为5.250 m、5.450 m、5.750 m，创建基坑开挖土方方格网（图2），地下室外基坑回填方格网（图3）。本工程案例地下车库层高3.7 m，地下车库顶板标高分别为16.500 m、16.450 m、16.000 m、15.950 m、15.900 m、15.300 m，创建地下室顶板上回填方格网（图4）。

图2 基坑开挖土方方格网示意

图3 地下室外基坑回填土方方格网示意

图4 地下室顶板上回填土方方格网示意

根据图纸信息建立道路、建筑正负零标高以及室外设计曲面生成的基坑外场地填挖土方方格网（图5）。

图5 基坑外场地填挖土方方格网示意

应用Civil 3D进行土方测算以保证计算结构精度，在设计过程中，能够实现土方量随标高变化实时更新，综合上述土方量计算，整体土方量统计见表1。

表1 Civil 3D土方量计算结果   m³

将Civil 3D土方测算结果与传统土方计算结果进行对比，结果见表2。

表2 土方分析结果

通过土方量结果对比分析得出以下结论。

（1）根据标准土方量测算，精度在3 %~10 %为合理范围，不同软件测算同一地块土方量测算数据不同，但传统土方计算软件进行简单地形规则地块的土方量计算问题不大，所得结果皆在土方测算合理范围内，可用于工程项目。

（2）分析各软件计算原理，功能地形破碎不规整、原始地形起伏大、土方量计算要求较高的场地需要更为便捷和适用性强的软件，选用civil 3D软件测算，成果精度最高。

8 土方调配

土方最优的调配方案以缩短工期、降低成本为目的，根据实际土质现场地形划分填挖区域，减少弃土及运输成本，并保障合理施工的便捷性。

9 土方监控

利用无人机倾斜摄影技术，对土方工程施工节点以及施工顺序进行实时监控，并且记录多期土方数据用于动态土方量累计。

10 结束语

工程案例实践证明，健全系统的无人机倾斜摄影测量土方工程方法，发挥了倾斜摄影技术在土方工程应用方面的极致优势，通过Civil 3D软件绘制各阶段的结构曲面，可实现三维数据的地形模拟土方测算，从而提出经济、高效的土方工程量的测算与调配方案。在达到高效精确计算土方量的同时，将过程可视化，进一步发掘土方衍生应用价值，促进对无人机倾斜摄影测量土方工程技术方案的施工管理与监控，使其更加科学有效。