基于无人机倾斜摄影测量的土石方量计算

程圆娥，吕志慧，袁春琦，张 凯，时 斐，赫春晓

（1.江苏省测绘研究所，江苏 南京 210013；2.北方信息控制研究院集团有限公司，江苏 南京 211153）

土石方工程作为工程建设项目中的基础工程之一，在工程建设中具有极其重要的作用。土石方工程量算作为公路、隧道、桥梁等工程建设过程中控制工程投资、工程预算、施工安排的一个重要环节，对工程进度和工程预算具有直接的影响。要想客观公正地进行土方工程的费用预算，以达到对成本和工期的有效控制，必须进行快速准确的土石方工程量算。传统的土石方量算主要是采用全站仪或GPS-RTK等测量仪器，获取地面点数据进行量测，不仅工作量大，而且费时费力，特别是对于地形复杂的地区，外业数据的量测过程将会更加困难，因此选择高效的外业数据采集方式十分重要[1]。

近年来，随着无人机技术和计算机处理技术的快速发展，倾斜摄影行业迎来了一个新的浪潮，利用无人机进行测绘数据采集成为热门趋势。与传统测量方法采集单点数据不同，无人机倾斜摄影测量技术可以大面积获取目标表面数据，具有数据获取效率高、采集范围广、数据源准确性高、安全性高以及自动化程度高等优势，已广泛应用于地形图测绘、实景三维建模等领域[2]。

目前，国内外专家学者在将无人机技术应用于土方工程计算问题中，众多研究人员已展开了一些研究，也取得了很大的进展。文献[3]通过无人机技术采集的影像生成数字高程模型，并结合相关软件进行两期工程量计算；文献[4]采用无人机倾斜摄影测量的作业方式，通过航摄影像解算三维点云数据进行土石方量计算；文献[5]通过无人机影像对DEM数据进行提取，并结合GIS技术对土方量进行分析，实现对土方工程的动态监测。随着无人机的续航能力与相机分辨率不断提升，无人机倾斜摄影测量技术越来越多地应用于土方工程项目中，如何快速精确地进行高精度土方量计算仍然值得深入研究。

综合考虑测量精度、工程效率等方面，本文基于无人机倾斜摄影测量技术研究了一种高效可行的小微水体清淤土方量计算方法。首先利用无人机倾斜摄影测量技术对小微水体清淤前后的地形分别进行测量，获取清淤前后小微水体的影像数据及POS数据；然后将数据导入ContextCapture软件中，快速生成清淤前后两次三维地形模型，接着采用DP-Modeler软件对生成的三维地形模型进行处理，以去除小微水体周围的植被等地物对土方量计算的影响及精确获取其边界线；最后采用Acute3D Viewer软件对清淤前后小微水体的土方量进行计算分析。通过计算清淤前后数字表面模型的差值，实现小微水体清淤的土方量计算。

1 实现方法

本文方法主要包括三维模型建立、三维模型修饰以及土石方量计算3个部分，具体的技术流程如图1所示。

图1 本文技术流程

1.1 三维模型建立

1.1.1 无人机倾斜摄影测量

无人机倾斜摄影测量技术是测绘遥感领域近年发展起来的一项高新技术，以大范围、高精度、高清晰的方式全面感知复杂场景，其改变了传统航测遥感 影像只能从垂直方向进行拍摄的限制，倾斜摄影测量技术利用多台传感器从不同的角度对数据采集，高效快速地获取海量的数据信息，真实可靠地反映地面的客观情况，满足人们对三维信息的需要。

倾斜摄影测量技术通过5个角度对地面情况进行拍摄，获得的三维数据可以真实地反映地物的本来面貌，客观地再现地物的外观、结构以及高度等属性，该技术通过数据预处理、空中三角测量、影像密集匹配、构建TIN模型等自动化过程生成三维模型，以真实表达地表物体的尺寸、外观等属性，展示出真实的地面场景。倾斜摄影测量技术在数据获取效率、采集范围、采集精度上都具有很大的优势，数据后处理自动化程度高，对于数据更新十分有利，且确保了外业作业的安全性和工作效率。

倾斜摄影测量技术通过一定的内业处理能够获得高精度高分辨率的数字表面模型，能同时输出具有空间位置信息的正摄影像数据，倾斜摄影测量技术通常包括影像预处理、多视影像联合平差、多视影像密集匹配、数字表面模型生产和三维建模等关键内容。倾斜影像测量的关键技术：

1）多视影像联合平差。多视影像包含垂直摄影和倾斜摄影数据，在处理获取影像的过程中，多数空三测量系统无法准确完成，因而需要通过多幅影像联合平差的方法来处理倾斜摄影测量影像。结合POS系统提供的多视影像外方位元素，结合金字塔影像匹配策略，在每级影像上进行同名点自动匹配和联合平差，得到较好的同名点匹配结果。

2）多视影像密集匹配。影像匹配是摄影测量中的关键问题，多视影像具有覆盖范围广，分辨率高的特点，单独利用一种匹配基元或匹配策略往常无法获得建模需要的同名点。因此，近几年来，伴随着计算机视觉发展起来的多基元、多视影像匹配，逐渐变为人们研究的重点。

3）数字表面模型生成。利用多视影像密集匹配方法可生成高精度、高分辨率的数字表面模型（DSM），实现地形起伏变化的可视化表达。为解决多角度倾斜影像间差异和阴影以及遮挡带来的问题，可先依据自动空三测量计算出各个影像的外方位元素，继而选择合适的影像匹配单元与之前计算出来的外方位元素进行特征匹配和像素级的密集匹配，并引入并行算法，提高计算效率。

在对获取的无人机倾斜摄影测量影像进行处理后，可基于测绘建模软件生成倾斜摄影测量三维模型。

1.1.2 无人机倾斜摄影测量技术流程

1）外业数据采集。根据现场踏勘确定测区范围，对航高和航线进行设计，确定航向和旁向重叠度，对飞行参数进行设置，通过在多旋翼无人机上搭载多镜头相机从多视角进行地表数据同步采集，并利用无人机上搭载的POS/IMU平台获取飞行过程中的实时位置信息。

2）数据预处理。检查影像数据的可靠性与完整性，将五镜头数据分别按照下视、前视、后视、左视、右视进行分类存放，各文件夹内的影像数量应为一致，若存在照片数量不一致的情况，应及时检查文件命名，删除错误像片，同时将曝光过度、重复、模糊和范围外的影像进行删除。

3）三维模型建立。通过将外业采集数据导入ContextCapture软件中，通过计算机图形计算，结合POS信息进行倾斜影像空中三角测量，多视影像密集匹配生成点云，点云构成TIN格网，通过自动纹理映射生成三维模型。

1.2 三维模型修饰

由于原始三维模型中测区周围会存在一些树木等物体对其产生遮挡，影响土方量的计算，故采用 DP-Modeler软件对三维模型进行修饰，主要是删除或踏平遮挡物以及精确获取测区的边界。

在采用DP-Modeler软件对三维模型进行修饰前，需要先准备相关数据。首先在ContextCapture软件中完成三维模型的生成后，导出空三文件、无畸变影像及OSGB、OBJ两种格式模型，然后在DPSlnManager中进行空三文件、影像以及OSGB、OBJ模型的配置，生成解决方案。

在DP-Modeler中打开解决方案文件，可显示出三维模型。通过在OSGB修饰中，选择需要修饰的地物边界，采用删除和踏平操作对地物进行修饰，在遮挡物修饰完成之后，通过勾画出测区边界，将整个测区的影像导出。

1.3 土方量计算

原始地形地貌和清淤后地貌的准确表达是土方计算的关键。在Acute3D Viewer中打开修饰后的测区三维模型，通过土方量计算工具分别计算清淤前后测区三维模型表面到同一个高程面所形成的封闭区域的体积。然后将前后两次的体积作为差值，结果即为所清淤的土方量。具体如图2所示。

图2 土方量计算示意图

基于Acute3D Viewer计算清淤土方量的基本原理，应用软件进行土方量计算的具体工作可归纳为以下几个步骤：

1）数据准备：准备通过倾斜摄影测量建模和修饰后得到的清淤前后三维模型。

2）数据预处理：检查清淤前后三维模型坐标系统的一致性，确定清淤前后三维模型中同一地物点的高程作为起算高程面。

3）土方量计算：通过Acute3D Viewer中的体积计算工具，分别计算清淤前后三维模型表面到所选择高程面所形成的封闭区域的体积，将二者体积作为差值，结果即为清淤的土方量。

2 工程实例

本研究以雨花台区小微水体整治工程清淤量测量为例，基于无人机倾斜摄影测量获取雨花台区小微水体清淤的土方量。雨花台区小微水体具有地形复杂，树木丛生，建设形式多样等特点。本次工程采用无人机倾斜摄影测量技术获取对小微水体清淤前后的地形分别进行测量，获取清淤前后小微水体的影像数据及POS数据，再利用ContextCapture软件快速生成清淤前后两次三维地形模型，然后采用DP-Modeler软件对生成的三维地形模型进行修饰处理，最后采用Acute3D Viewer对清淤前后小微水体的土方量进行计算分析，实现雨花台区小微水体整治工程中所有11个小微水体清淤的土方量计算。

原始清淤前后小微水体三维模型数据显示如图3所示，小微水体周围有房屋、道路、树木等，经过DP-Modeler软件修饰后如图4所示，可以看出经过修饰后对其遮挡的树木草丛已被删除，然后通过勾画出小微水体的边界，将整个小微水体导出，如图5所示。

图3 清淤前后小微水体三维模型

图4 小微水体边界修饰

图5 获取精确边界的小微水体三维模型

在获取精确边界的小微水体三维模型后，通过在Acute3D Viewer中打开修饰后的小微水体三维模型，通过土方量计算工具分别计算清淤前后小微水体三维模型表面到同一个高程面（这里采用清淤前后三维模型中同一个地物点的高程）所形成的封闭区域的体积。然后将前后两次的体积作差值，结果即为所清淤的土方量。根据图6中清淤前后小微水体三维模型到指定高程面所形成的封闭区域体积计算结果，可知清淤的土方量计算结果为：899.28m3–657.61m3=241.67m3。通过对RTK实测数据计算结果和无人机倾斜摄影测量计算结果对比，挖填方量差值比为0.8%，满足土方计算的规范要求[6]。因此，本文方法实现的土方量计算精度较高，准确地反映了真实的地表信息，满足工程土方量计算要求，且大大提高了测算效率。

图6 清淤前后小微水体表面到同一高程面的土方量计算

3 结 语

传统的土方计算方法存在计算量大、计算精度不高、数据量大等缺点，而利用“基于无人机倾斜摄影测量快速获取测区数据-三维模型建立-模型修饰-土方量计算分析”的方法能够实现快速精确的土方量计算，并且能做到“实际与模型的精确对应”和“所见即所得”。从模型建立到土方计算结果的获得，人工成本和时间成本都将大大降低，同时测量的精度也达到了土方量计算的精度要求。工程实践表明，无人机倾斜摄影测量技术在土方量计算中将发挥日益重要的作用。