孙彦花

探讨利用无人机航测技术测量土石方量的方法

孙彦花

（山东省煤田地质局物探测量队，山东 济南 250104）

介绍如何运用无人机航摄测量技术快速获取测区高程地形数据，并基于地形数据成果做土方量计算分析。土石方量计算是利用无人机获取的测区数字高程模型数据DEM与设计的数据进行对比分析，计算出土石方的填挖方量。这种方法利用了无人机航测测量技术比较灵活、不受地形限制等优势，对工程的实施有着重要的实际应用意义。该方法能同时获取影像数据，从而更加精确地界定土石方的计算范围，提高了计算结果的精确度。

无人机；航摄测量；土方量计算；DEM

1 引言

在城区规划、房屋、大桥、水库等新建时，必然会计算土石方量。因此，土石方量测量是许多工程中不可缺少的工作。传统的工程土石方量测量方式包括全站仪测量、GPS测量等。全站仪测量方法操作简单，适合通视条件比较好、范围小的区域。GPS测量是目前测量土石方量的主要方法。采用GPS测量有自身的优势，不需要搬站、不用考虑通视性等问题。但是，当测区地形特别复杂，例如有很多陡坎、荆棘、GPS信号不好时，采用此方法则不利于测量。因此，急需一种高效安全且比较经济的测量方法。随着科技的发展，无人机航测技术应用到了很多工程领域。其中，无人机航测技术利用新的搭载平台能够实时、高效地获得地面的空间信息[1-2]，从而计算土石方量，对工程实施有着实际的推进性作用。

2 技术路线

项目实施基于对项目区域获取高分辨率的航空影像数据，对测区内的地形进行先外业后内业的航测成图方式。先收集控制点、地形数据、测区范围等数据，然后利用航摄数据，在摄影测量系统中利用光束法平差对外业像控点进行加密，从而生成DOM和DEM数据，并对DEM数据进行编辑，最后利用软件进行土方挖填计算分析，作业流程如图1所示。

图1 作业流程图

2.1 数字摄影测量数据采集

2.1.1 无人机介绍

这次数据采集的无人机平台采用FY-1型固定翼，无人机在数据采集时具有灵活机动、高危地区探测风险小等优点。FY-1无人机性能指标如表1所示。

表1 FY-1无人机性能指标

翼展2.60 m最高爬升6 000 m 机长2.1 m续航时间4.0 hr 最大升降速度6 m/s巡航速度最大10 m/s 巡航速度110～130 km/h转速1 500～9 000 环境温度﹣20～40 ℃抗风能力5级 降落方式伞降控制方式自动降落

2.1.2 摄影相机

航摄相机采用佳能5DS相机数码航摄仪。相机焦距：35 mm；像幅大小：8688×5792 pixels；像元分辨率：4.14 μm；相机检校参数如表2所示。

表2 相机检校参数

项目参数 相机类型CanonEOS5DS_35.0_8688x5792 像幅8 688×5 792像素 像素大小4.14 um 最大有效像素2 110万 快门速度1/8 000 s

2.2 像控点选择及采集

像控点布设方案与测区要求的精度有关，同时还与测区复杂程度和采用的数据处理软件有关。像控点布设应尽可能均匀分布于测区内。像控点应根据实际情况转刺在影像清晰、目标明显的目标点上，实地选择的目标要小，而且影像清晰。

2.3 航摄数据采集

根据此次需要量算土石方量要求，参照航摄及测绘相关规范，完成数据采集工作，具体实施流程如图2所示。

图2 实施流程图

根据现场情况，以及计算土石方量要求的精度，此次数字摄影数据采集按照1∶500地形图航测规范要求实施。本次数据采集时设计航向重叠度60%，旁向重叠度40%。

2.4 航摄数据处理

INPHO为高精度、高效率、高速度的快速航测数据处理软件。该软件可以极大地加快对大尺度空间进行数字化的速度，有很多步骤可以采用分布式并行处理，大大提升了数据处理的速度。

在DSM数据生成后，利用DTMaster对DSM数据进行编辑，去除植被、房屋等数据，去除噪点，以获取高精度的DEM数据，如图3所示。

图3 生成的DEM数据

2.5 土方量计算分析

DEM数据有多种表现形式。但是，土石方量计算是利用DEM生成的TIN进行拟合计算的。由于无人机搭载的非量测相机会造成影像畸变[3]，建模前需要利用正确的相机检校文件对原始影像进行畸变差改正[4]。首先利用ArcGIS勾绘出填挖方量范围，并将需要计算填方量范围内数据导出，然后利用工具箱内Surface Volume工具计算填方量。

3 精度分析

此次项目精度分析采用对比法。利用编辑好的DEM数据计算测区的土石方量，与实测的土石方量进行对比。在对比过程中，先对比在测区内测的32个特征点水平及高程坐标，再对比两种方法获得土石方量。将其差值占实测填方量比值进行比较分析，结果显示，采用无人机航测得到的土石方量精度可以满足土石方量计算的一般工程测量规范要求，可用于工程项目土石方量计算。

4 结语

本次研究通过无人机航测技术进行土石方量的计算，速度快、精度高，完全满足项目生产的需要，整体来看采用该方法有诸多优势：①用无人机进行土石方量计算时不受通视条件的影响，在陡崖等环境复杂区域都可以使用，使用起来更加方便；②处理速度更快，以前需要几周时间才能准确量算土石方量，现在从数据采集到数据处理几天时间即可完成；③获取多种类似数据，可以得到DOM和DSM数据，通过编辑可以得到DEM数据，不仅可以让测区数据在二维环境下展示分析，而且可以在三维环境下进行展示分析。这样能够更加精确界定土石方的计算范围，使计算结果更加 精准。

［1］李德仁，李明.无人机遥感系统的研究进展与应用前景［J］.武汉大学学报（信息科学版），2014，39（5）：505-513.

［2］尹杰，杨魁.基于无人机低空遥感系统的快速处理技术研究［J］.测绘通报，2011（12）：15-17.

［3］何敬，李永树，鲁恒，等.无人机影像的质量评定及几何处理研究［J］.测绘通报，2010（4）：22-24.

［4］曹正响.基于PixelGrid软件的无人机数据处理方法和技术探讨［J］.测绘通报，2012（Suppl 1）：436-437.

2095－6835（2020）06－0146－02

TE822

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.06.059

孙彦花（1986—），女，硕士研究生，工程师，现从事测绘方面工作。

〔编辑：辛霞〕