无人机摄影测量技术在违法用地土石方量计算方面的应用

王炳新

(辽宁省有色地质一〇一队有限责任公司，辽宁 抚顺 113006)

为了创造我国良好的用地环境，推动绿色发展和生态文明建设与环境保护，遏制违法用地的蔓延趋势，我国《土地管理法》和《城市规划法》对于土地使用有着明确的要求[1]，对于擅自开发、使用、倒卖等非法用地要根据违法用地土方量进行处罚，故准确的违法用地土方量成为了公正处罚的基础。

就土方量计算而言，对于大面积违法用地，若采用传统手段测量土方量会耗费大量人力和时间，测量效率较低导致项目周期长、难度大，现研究采用无人机摄影测量技术对违法用地进行数据采集，计算违法用地土方量，提高土方测量作业效率和精度[2]。

国内外已有学者研究采用无人机技术计算土方量。李卫军等[3]人采用无人机计算矿山开采的土方量采剥量，避免了人员下井的安全风险问题，同时对矿山开采生产成本监控有着重要的作用。刘兆慧等[4]人采用无人机倾斜摄影测量作业的方式，通过航测影像获取测区三维点云，计算测区实际土方量。李东升等[5]人采用无人机获取露天测区影像，根据计算软件生成三维点云数据，制作测区的DEM和DOM等数字产品，基于前期的数字产品计算露天挖填土方量。

1 传统与新方法对比

随着无人机技术的飞速发展和应用普及，它在日常测绘工作中的作用越来越重要，有效推动了测绘技术的快速发展，与常规GNSS实地测绘相比，在作业效率、成本、安全性等方面有着显著优势。下面从土方量数据采集、计算数据方法等方面出发分析测绘方式的变革情况[6]，比较传统测量技术和无人机技术在各个方面的优劣势。

(1)数据采集方面：传统测量方式采用全站仪或人工手持RTK进行实地数据采集，此方法精度高但工作量大、耗时长，故投入成本较高。无人机技术在效率方面有了质的飞跃，无接触式的面采集方式提升了数据采集的效率，此外，大大减小了人员投入和人工劳动强度，但无人机作业受天气影响较大[7]。

(2)数据处理方面：传统手段多采用插点式三角网计算土方量，方法精度可靠，但整个过程需要人工参与。无人机技术基于航测内业处理软件，通过专业数据处理软件获取照片的位置、姿态、相机内方位元素等信息，采用影像像对匹配生成地物三维点云，基于点云数据生成数字高程模型DEM和正射影像图DOM，计算出勾选区域的土方量，此方法精度可靠，且自动化程度高。

传统手段采用全站仪或者GNSS-RTK是“点”数据采集方式，对堆放物实地进行三维数据采集的密度远远没有无人机数据处理后生成的三维点云的密度大[8]，所以在计算土石方量时，航测计算的土石方量要比传统测量手段计算结果精度更高，如表1所示。

表1 传统方式与航测方式效果对比表

由上述分析可知，与传统测量手段相比，无人机测量技术在土方量计算上具有一定的优越性。

2 无人机航测

无人机航测流程主要涵盖几个方面，首先，要制定本次航测项目方案、布设像控点、航测正式作业、成果质量检查、内业影像处理、空三计算、生成DEM和DOM等成果，再进行土方量计算[9]。无人机航测流程图如图1所示。

图1 无人机航测流程图

2.1 测区情况

本次测区违法用地占地面积约6 000 m2，测区为空旷的盐碱地，周围有部分树林等地物遮挡，测区主体坡势平缓。

2.2 无人机设备

本项目采用大疆精灵4RTK无人机，精灵4RTK差分模块优异的定位精度保证了无人机在航测时数据的准确性,其差分模块的参数如表2所示。

表2 差分模块参数表

2.3 像控点数学基础

根据违法用地情况，在测区范围内均匀布置了6个像控点，点号为X1～X6，标志均清晰可见，布设后对其采用RKT测量像控点三维坐标。

坐标系统方面，像控点平面采用2000国家大地坐标系，高程采用1985国家高程基准，投影为高斯克吕格3°带投影，中央子午线为120°。

2.4 外业航测作业

首先，根据违法用地区范围进行航线规划，本次采用“井”字航线飞行，可以保证更多的同名点，进而提高三维点云的密度和精确度。同时对航高、航速、拍摄模式、相片重叠度、测光模式、云台角度等参数进行设置，具体参数设置情况如图2所示，完成航线规划与参数设置后，一键起飞无人机。飞行过程中关注外界环境风力、信号强度、电池电量等因素，如遇紧急情况应立即返航。

图2 参数设置

本次航飞累计飞行2个架次，飞行时间35 min，外业踏勘像控点布置与采集30 min，外业无人机航飞共采集影像数据359张。

2.5 数据处理

数据处理环节主要包括影像检查、影像预处理、空三计算及成果生成与输出。

首先，将外业采集的携带POS数据的照片导入到ContextCapture软件中，检查影像是否包含全部测区范围，若出现遗漏则需要补测或重测相应区域数据。完成影像数据检查后，设置软件自动化处理参数，影像进入预处理环节，预处理环节会完成影像的内定向和外定向，再进行空中三角测量[10]，ContextCapture软件可自动读取影像携带的POS数据，然后，直接进行空中三角测量计算，如图3所示，大大提升了航测数据处理的自动化程度，空中三角测量完成后，输出测区的DEM和DOM，根据拼接好的正射影像图检查测区变形情况，若出现变形较大的情况应及时检查原始数据、处理过程等是否出问题。最后，根据相邻的重叠影像匹配测区的同名点，生成测区密集的三维点云坐标，实现实景三维模型制作[11]。

图3 空中三角计算

2.6 土方量计算

为准确计算违法用地土方量，分别生产像控刺点和不刺点的数据格式为.osgb和.3mx模型产品，具体计算分析过程如下：

(1)对有植被覆盖或树木遮挡的沙堆等不规则堆积物进行土方量计算时：将带有像控的.osgb模型加载到清华山维的EPS三维测图平台，同时，将外业植被遮挡区域用GNSS-RTK采集到的数据导入到模型中，然后，对不规则沙堆在模型中裸露明显地形特征点进行三维坐标及高程数据采集，利用采集的高程信息首先生成起算基准面的三角网数据文件与地表三角网TIN数据文件[12]，通过土方量计算命令对不规则的沙堆进行土石方量计算，如图4所示。

图4 三角网模型TIN

(2)对完全裸露的沙堆等不规则堆积物进行土石方量计算时：将已加像控的.3mx数据模型加载到ContextCapture viewer软件中，利用体积量算工具，对违法用地测区范围进行手动勾绘，计算出占地面积与体积，同时对几个明显地物点进行三维坐标记录。

通过ContextCapture viewer软件，手动勾划其中一块违法占用盐碱地区域，其面积为516.530 m2，体积为880.854 m3，如图5所示。照此步骤采集整个测区的总面积和土方量，采样结果如表3所示。

图5 土方量计算

表3 测区总采样面积和土方量

3 精度验证

任何一个测绘项目成果需要经过多级检查，各项指标、精度检查满足规范要求后，才能保证是准确、合格的测绘成果，以提供给其他部门应用。故需要对本次测绘的成果进行检查，检查内容主要包括：检校点中误差统计分析、成果质量分析、坐标较差分析等几个环节。

3.1 检校点中误差分析

本次共选取了6个检校点作为项目精度检查点，点名分别列为J1～J6，这6个检校点均匀分布整个测区且布设于特征地物上，便于内业判读与测量。

从外业GNSS-RTK测量手簿中导出检校点坐标和误差，分析本次项目检校点的平面和高程中误差，以检查检校点的测量精度情况，检校点的中误差统计结果如表4所示。

由表4可知，检校点的平面精度、高程精度和总中误差均符合国家规范《1:500 1:1 000 1:2 000地形图航空摄影测量内业规范》(GB/T 7930-2008)中相关要求，故本次项目检校点达到了项目精度要求，可以作为本次项目精度的判断标准。

表4 检校点中误差统计表/m

3.2 成果质量分析

测区成果输出后，需要对本次成果进行精度检查，检查标准应符合本次项目精度要求，对测区的平面精度和高程精度应该按照《1:500 1:1 000 1:2 000地形图航空摄影测量内业规范》(GB/T 7930-2008)中关于1：500地形测绘相关规定进行精度检查[13]。

通过软件生成的空中三角计算报告得到像控点的平差精度，精度满足限差要求后，对明显地物点进行检核，检核平面点330多个，最大平面误差为0.030 m，检核高程点270多个，最大高程差为0.027 m，均满足1:500地形图精度要求[14]。

3.3 检校点坐标较差

航测精度验证方式是根据检校点的坐标位置，从航测中选取相同的点位坐标，将两种坐标成果在同坐标系下进行坐标较差比较，比较结果如表5所示。

由表5可知，本次航测坐标点和实地检查坐标点较差差值均在3 cm以下，满足《低空数字航空摄影规范》(CH/Z 3005-2010)中对于航测精度的要求[15]。

表5 检校点与航测点精度对比表

4 结 语

本文基于无人机摄影测量技术计算违法用地土方量，分析了传统手段和无人机新测绘方式在数据采集和处理等方面的优缺点。研究了航测内外业整个流程，从数据采集、数据处理分析再到土方量计算成套的技术体系。验证分析了无人机技术在土石方量计算中的可行性，减小了人工劳动强度，大大提高了生产效率，最后，通过精度验证分析，证明了无人机技术成果的精度符合相关规范要求，满足项目生产精度，可以作为一种可靠的测绘成果为执法部门提供基础数据，该方法经过多此理论推敲和实践验证，值得应用推广。