无人机在基础工程土石方量计算中的应用研究

张伟红，竺会梅，林早红 ，李荣浩 ，龙继训

(1.昆明冶金高等专科学校测绘学院，云南 昆明 650033；2.云南盛岭测绘有限公司，云南 昆明 650260)

0 引 言

目前，国家的基础设施建设迅速发展，地方各级政府对工程的质量、建设过程的管理等的要求也日趋严格。土石方工程是各类工程项目的重要组成部分，土石方量测算的精准度和测算时间，直接影响到项目的经费投入。传统的土石方测量方法主要有全站仪测量法[1]、GPS测量法[2-3]、全站仪+RTK方法[4-5]等。这几种方法借助传统测量仪器，到现场进行实地测量，对于小面积的测区及地形条件不是很复杂的情况比较适合。

随着科学技术的不断发展，三维激光扫描技术和无人机技术逐渐应用到工程建设中。利用三维激光扫描技术进行土石方测量[6]，精度高、速度快，但设备价格昂贵，后期数据处理复杂。无人机航摄技术作为一种新兴的测绘技术，为土石方的测量开辟了一条新的途径。其具有轻便小巧、灵活机动、操作方便、价格便宜(针对中小型无人机)、影像分辨率高等优点，针对测区范围较大、有危险且人所不及的区域，使用无人机拍摄技术可以很大程度地节省劳动人员投入，提高生产效率。目前，该技术已经在高铁建设[8]、水库测量[9]、高速公路应急救援[10]等很多领域得到了应用。

本文利用电机DJI PHANTOM 4 RTK(大疆精灵4-RTK)无人机测量系统，高效、快速、低成本地实现云南省烟草烟叶有限公司楚雄复烤厂(南华)1∶500地形图测绘及土石方量计算，同时与传统RTK测量进行比较，体现其相应的优势。

1 无人机航摄系统

随着我国测绘科技的发展，无人机，尤其是开放型民用无人机，更是转眼间占领世界开放型民用无人机的大半壁江山，号称世界科技硅谷的美国各领域也在使用我国生产的无人机。目前世界上无人机以提供能源的不同分为电机、油机、新能源机等。其中，新能源机技术最为先进但造价成本高，不利于低成本项目的普及开发和利用；油机的航摄时间比电机长，但发动机噪音大、震动对航拍数据采集仪器有直接的影响；电机成本低，但航摄时间较短。

DJI PHANTOM 4 RTK无人机测量系统是微型多旋翼测绘无人机中实现五方位防撞系统比较成熟的飞行系统之一，属于电机，其主要操控系统由飞行器系统、相机照相系统、遥控器操作系统、雷达感知系统等组成。其航摄系统飞行平台主要性能参数如表1所示。

表1 DJI PHANTOM 4 RTK无人机航摄

飞行器系统由1 个DJI PHANTOM 4 RTK无人机飞行器及相应的配件组成。

航摄系统由1个云台，1个禅 思 X2 相 机，1个Zenmuse X7 DL-S 16mm F2.8NDASPH镜头，1个IPAD 平板电脑等组成。

定位系统为D-RTK 2 高精度GNSS系统集成了GPS，GLONASS，BEIDOU，GALILEO的4系统11频点高精度接收机；并组合了OcuSync 2.0， 4G， WiFi，LAN口等通信链路，形成通信的多功能及冗余备份；校准操作方便，可以有效提高作业效率。

数据处理系统硬件为品牌 DELL T7770k 8核内存32G单机工作电脑，数据处理软件有 Pix4Dmapper 软件、点云数据处理软件 Geomagic studio2014、土方计算软件南方 CASS 7.0 网络版等。

2 工程应用

2.1 工程概况

云南省烟草烟叶有限公司楚雄复烤厂位于云南省楚雄州南华县，地理位置优越。测区地势较平坦，遮挡物少，地物主要多为已建厂房，形状规则，占地面积 0.808 km2，高差10～20 m。需要测绘红线范围面积较大，而需要拆迁改造计算土石方工程量的范围仅东北边，约占测区1/3，如图1所示。

图1 工程范围Fig.1 Scope of work

2.2 飞行航线规划

利用DJI PHANTOM 4 RTK无人机测量技术，定制测区飞行计划，地面拍照采用等距拍照方式，航向、旁向重叠度均为80% ，测区最高点高程 1 897 m，最低点高程 1 879 m，飞行高度设置 100 m，飞行时间大约 20 min，获取影像823张，有效823张,规划航线如图2所示。

图2 规划航线Fig.2 Planned route

2.3 航空摄影测量

无人机因机身体积较小，重量较轻等特点，一般选择非雷雨天气、风力较小的时间段进行航飞任务。在整个航测过程中，应严格监控无人机的飞行轨迹、飞行高度、飞行速度、电池电量、RTK信号等状态及相关参数，确保安全及数据可靠。

3 内业数据处理

3.1 数据处理流程

内业数据处理流程如图3所示。在外业航测数据传输时要保留原数据文件名；应用正摄航空影像测量软件+Pix4DMapper软件加载空三照片处理；再设置好国家CGCS2000坐标系统及椭球相关参数；通过加载相控点坐标数据，建立基础关联校准的位置关系后执行第四阶段即数据处理命令，形成快速处理报告，待运行完毕后形成校准的相控参数精度检查，对点位误差较大的相控点需要进行二次校准后再进行全部数据处理工作。

图3 数据处理流程Fig.3 Data processing flow

3.2 影像数据处理过程

如图4所示，利用Pix4Dmapper影像处理专业软件对获取的航片进行处理，制作测区正射影像图；同时，利用清华山维软件生成三维空间数据提取点云坐标数据，取舍合理特征点信息数据，直接处理影像图矢量线画图成果，对点云及纹理修正后转换成.cn格式文件，生成.dxf 格式文件，利用CASS软件进行下一步计算工作。

图4 点云图像处理Fig.4 Point cloud image processing

3.3 土石方量计算

影像数据处理完成后，用南方CASS软件，将高程数据扩展到软件中，进行土石方量计算。高程数据文件通过软件中“高程点生成无编码高程数据文件”生成，扩展名为.dat，将其导入CASS软件中，生成三角网数据文件。将第一期和第二期三角网数据文件导入软件，利用软件“工程应用”功能下的“方格网土方计算”计算土石方量，方格网的宽度按照系统默认 20 m，计算得到测区挖方量为 6 333.5 m3，填方量为 56 316.9 m3。图5为软件计算结果。

图5 CASS方格网土石方计算成果Fig.5 Calculation results of earthwork by grid method in CASS software

3.4 质量检查

质量检查是测绘成果质量的重要保障环节和检查措施，通过检查相控数据处理所得的正射影像图平面位置精度和高程精度，排除粗差和系统误差外，保证数据图纸质量、满足精度要求。平面位置精度，可以通过选取正射影像图上的特征点进行抽样检核，高程数据也可以通过特征区域高程点采用GPS-RTK或全站仪现场核实。当GPS-RTK 或全站仪实测点位与航测图的图面点位达到规范要求，则验收合格，否则认定为不合格，需查找原因进行重新测量。图6为质量检查的部分内容，图7为机载校准误差。

图6 质量检查Fig.6 Quality inspection

图7 机载校准误差Fig.7 Airborne calibration error

4 与RTK测绘比较

4.1 成本比较

以完成上述工程项目 0.808 km2的外业数据采集为例，分别用大疆精灵4-RTK无人机与GPS-IRTK2进行观测，投入的时间及人力如表2所示。从表中可以看出，用无人机更经济，所用的时间也相对较短。

表2 成本比较Tab.2 Cost comparison

4.2 精度比较

在测区范围内随机抽检一些点进行比较,对比结果如表3所示。大疆精灵4-RTK无人机与GPS-IRTK2数据在同一位置上坐标数据差，在相控点布置合理、分布均匀的情况下，从平面位置上看无论无植区、浅草区、植茂区和建筑区均没有较大差距；但高程数据却有较大的差距，从表中可以看出，有 1 m、2 m 甚至 3 m 的误差都是完全可能的。

表3 无人机测绘结果与GPS-RTK测绘结果质量比较Tab.3 Quality comparison between UAV mapping results and GPS-RTK mapping results

4.3 土石方量计算结果比较

在测区范围内选择一块面积为 34 098.20 m2的区域，地面无植被和房屋，用GPS-IRTK2进行土石方量的测绘与计算，与大疆精灵4-RTK无人机的测量结果进行比较，结果如表4所示。从表4可知，在同一范围内采用2种设备，在条件满足的情况下达到相同或相近的测量结果。按本项目设计许可误差±3‰计算，该区域的误差许可值为±102.30 m3，2种方法测量的结果均满足要求。

表4 土石方量计算结果比较Tab.4 Comparison of calculation results of earthwork volume

5 结 语

大疆精灵4-RTK无人机测量系统显然比传统测量方法省时省力，并且不用考虑信号遮挡、通视等问题，只要选择合适的天气、地面无植被和房屋的环境条件，就可以达到GPS-RTK和全站仪在地形测量、土石方工程量等方面的应用精度。但它又有自身的缺点：三维立体测量精度和稳定性有待进一步提高、生产效益低、与其他中大型无人机比较空中飞行有效作业时间短等，使其使用受到限制。

在高原新建中小型厂矿区或空旷区域测绘1∶500地形图，进行土石方计算，采用大疆精灵4-RTK无人机作为测绘工具，节约了测绘工作成本，提高了工作效率，具有推广价值；且在测绘质量和精度方面，在无房屋建筑的植被较浅区和无植区完全可以代替RTK或全站仪进行地形测量、土石方工程量测量；而在植被较厚区域和建筑物区域则需要RTK或全站仪进行补测，以弥补无人机在精度上的不足。