低空无人机摄影测量在市政道路土石方量测量中的应用

（中国市政工程西北设计研究院有限公司，甘肃兰州 730000）

传统的土石方测量方法主要有全站仪测量法和GPS测量法。全站仪测量土石方操作较为简单，但是对测绘区域通视条件要求较高，对于小范围、通视条件好的区域应用效果较好，但是对于大范围、通视条件差的测区则效果较差，需要大量的时间和人力，实施烦琐且误差较大。GPS测量土石方是当前应用较多的技术手段，相比于全站仪，该方法不受通视条件的约束，并且测量速度和测量精度都比全站仪精度高，但在特殊的区域，由于树木的遮挡、湖水的影响，GPS信号较弱的测区则测量精度较低，并且采用GPS测量方法开展大范围的土石方测量人工成本较高。无人机低空航测作为测绘发展的新技术手段具有机动灵活、影像分辨率高、数据采集快、外业劳动少等特点，适用于道路工程，在工程勘测、设计、施工以及竣工验收等多个环节发挥着独特的优势[1]。EPC（Engineering Procurementand Construction）总承包模式是一种可转移生产风险的集成式交付模式，广泛应用在市政道路项目建设过程中，包括设计、采购、施工多个过程。为缩短工期，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，选择合适的测量方法十分重要。本文以兰州中心城区定连片区经十二路等十七条道路建设工程EPC总承包项目为试验对象，提出采用无人机技术对市政道路EPC项目进行土石方量数据计算，提高EPC项目土石方测算工作效率。

1 无人机系统组成及特点

1.1 无人机摄影测量系统组成

无人机可分为固定翼和旋翼两种类型，本文采用旋转翼无人机进行测量工作，该无人机系统主要包括飞行系统、航拍摄像系统以及地面控制系统三大部分。飞行系统由GPS、导航仪、小型IMU、动力系统等组成；航拍摄像系统通过摄影测量技术进行遥感数据采集，自动获取地表信息；地面控制系统主要通过配套软件实现航线的规划和数据的传输处理[2]。本文所使用的无人机是大疆精灵4RTK版，配备1英寸2 000万像素CMOS，点云处理软件为Pix4D。

1.2 无人机测量技术特点

（1）成本低。传统测绘技术手段需要大量的人力从事外业劳动，无人机极大降低了外业强度，内业可以完成大量的工作，极大的节约成本。（2）高分辨率。相比于卫星遥感影像，无人机的获取的航飞影像分辨率更高，并且有效避免云雾的遮挡，精度可达厘米级，分辨率较高。（3）响应迅速。无人机具有灵活机动的特点，对于测量区域条件要求比较低，更容易方便快捷地开展测量工作。

2 无人机倾斜摄影测量土石方原理及方法

2.1 DTM土石方量计算

采用DTM模型来计算土石方量，主要是将测量获取的目标区域的坐标点信息与设计的高程点进行联系，建立目标区域多个不规则的三角网，通过计算每个小三棱锥的体积得到小范围挖填土石方量，累计则可计算目标区域内的填方量和挖方量，并可根据坐标点绘制挖填分界线。常用的土石方量算方法主要分为全填全挖和半填半挖式两种情形[3]。

2.2 无人机倾斜摄影获取土石方技术流程

倾斜摄影测量通过多视角采集影像，并通过传感器记录POS数据，配合控制点信息，实现正射影像、数字表面模型等成果的输出。采用无人机倾斜摄影测量计算土石方量的过程主要分为两个阶段：一是外业高程测量；二是内业土石方计算。外业过程采用CORS系统或GPS-RTK直接测设控制点，控制点需用醒目的颜色标记，控制点数据与无人机获取的点云数据进行绝对定向，将点云数据转换为地面坐标系。在测区范围内布设15个靶向点，用全站仪测量靶向点高程，与点云坐标对比，验证点云数据准确性。内业将点云坐标直接导入南方CASS9.1软件中，代替传统的测量坐标文件，进行土石方结算，主要技术流程：布设像控点→无人机航摄→绝对定向→Pix4D生成点云数据→点云数据可靠性检验→南方CASS计算土方量。

为验证无人机倾斜摄影测量获取土石方量的准确性，选择小区域采用碎步测量的方法直接获取实测点的三维坐标，计算土石方量，并与无人机获取的土石方量对比[4]。

3 工程应用实例

以兰州市新建道路项目兰州中心城区定连片区经十二路等十七条道路建设工程EPC总承包项目经二路为主要研究对象。经二路道路沿线存在大量梯田、山坡、水沟、房屋等，环境复杂，在使用全站仪等手持测量仪器时会造成极大的时间成本和风险成本。故采用低空小型无人机对经二路、经十八路、经十一路进行原始地貌信息采集、并使用南方CASS、Context Capture Center Master等软件对采集的影像信息进行分析，建立数字化实景模型，计算所需范围内土石方量。工程总体分布图如图1所示。

图1 兰州中心城区定连片区经十二路等十七条道路建设工程EPC总承包项目道路路网图

3.1 外业数据采集

在试验测区均匀布设了14个平高点，确保测图精度，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，布设无人机飞行航线，确定航飞高度为230 m，设置航向重叠度为75%，旁向重叠度为45%[5]。无人机采用大疆精灵4RTK版，配备1英寸2 000万像素CMOS，按照设计航测参数，完成航测数据采集工作，航带布设如图2所示。

图2 测区航带布设

3.2 点云精度评定

为验证采集点云数据的可靠性，在本次测量过程选择小区域范围进行全站仪高程测量，具体测设要求为高程变化超过0.5 m进行实测，高程变化未超过0.5 m，则距离上个测点10 m处增设测点。均匀选择其中10个测点作为标靶检查点，将全站仪采集的标靶点与点云数据进行高程比较，如表1所示。

表1 点云数据高程精度检核 单位：m

从上表中可以看出点云数据获取的高程坐标与全站仪测量的高程坐标差值在7 cm内，对于土石方量的计算影响可忽略不计，表明点云数据具有一定的可靠性。

3.3 土石方量计算

将获取的点云数据和全站仪测量数据分别导入CASS软件中，与设计面的DTM进行叠加，用5 m方格计算每个区域的开挖或回填体积，进行累加计算，得到整个区域的土石方开挖量。采用无人机摄影测量获得经二路开挖土石方量为52 364.6 m3，全站仪测量获得的挖土石方量为52 322.8 m3，差值为41.8 m3，差值率为0.008%（差值率=差值/全站仪获取挖方量）。对比发现经十八路、经十一路开挖土方量的无人机摄影测量结果和全站仪测量结果差值率均小于0.009%

4 结语

采用无人机倾斜摄影测量获取道路工程的挖填土石方量可行，与传统的全站仪获取土石方量差距较小。采用全站仪获取试验区域测量数据共计用时12 人·d，采用无人机倾斜摄影测量外业工作测量共计用时2 人·d，极大地提高工作效率。总结无人机倾斜摄影测量获取土石方优势如下：（1）测量土石方精度满足工程需求；（2）效率高，极大提高外业工作效率，特别是对于地形复杂区域土石方测量，采集数据优势较大；（3）可获得附属影像数据等附属产品。