楊成波

(湖北省地質(zhì)局 地球物理勘探大隊(duì),湖北 武漢 430056)

城市建設(shè)和發(fā)展離不開工程建設(shè)。工程建設(shè)施工前必須對(duì)土石方量進(jìn)行測(cè)量計(jì)算,它直接關(guān)系到工程投資及方案比選。實(shí)際工程項(xiàng)目中,因土方量計(jì)算精確性問題而產(chǎn)生的糾紛時(shí)有發(fā)生。只有土方量測(cè)量準(zhǔn)確,才能進(jìn)行合理的土方調(diào)配,降低工程費(fèi)用,加快工程進(jìn)度,提高工程質(zhì)量。因此,選擇合適的測(cè)繪方法精確地測(cè)定土方量十分重要。

土方計(jì)算是將需要計(jì)算的場(chǎng)地在平面上劃分為若干個(gè)規(guī)則圖形,然后在圖形角點(diǎn)利用原始高程與設(shè)計(jì)高程的高差,計(jì)算出每個(gè)圖形的平均高程,最后用圖形的面積乘以平均高程得到每個(gè)圖形的體積,將所有的圖形體積求和就是所需測(cè)量的土方量[1]。在工程的土石方量測(cè)算中,目前比較常用的計(jì)算方法有以下幾種:方格網(wǎng)法、斷面法、DTM法、等高線法、區(qū)域土石方量平衡法和平均高程法。無論哪種方法,原始數(shù)據(jù)的獲取是土方計(jì)算的基礎(chǔ),傳統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)的方法是利用全站儀、GPS RTK進(jìn)行野外數(shù)據(jù)采集,對(duì)于地形條件復(fù)雜且有遮擋的地方,傳統(tǒng)測(cè)量方法無法準(zhǔn)確獲取數(shù)據(jù),運(yùn)用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)可以快速獲取現(xiàn)場(chǎng)圖像,提取數(shù)據(jù)。

傾斜攝影測(cè)量是將傳統(tǒng)航空攝影技術(shù)與數(shù)字地面采集技術(shù)結(jié)合起來的一種稱為機(jī)載多角度傾斜攝影技術(shù)。通過飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)或多鏡頭傳感器,從多個(gè)角度采集地面影像數(shù)據(jù),經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理、空三測(cè)量、影像匹配生成三維模型[2],可以讓用戶從多個(gè)角度觀察目標(biāo),更加真實(shí)地反映地物實(shí)際情況,并可直接利用成果進(jìn)行長(zhǎng)度、高度、面積、角度、坡度等屬性的量測(cè)。在三維數(shù)字城市應(yīng)用中,利用其大規(guī)模成圖的特點(diǎn),加上從傾斜影像批量提取和粘貼紋理的方式,能有效地降低城市三維建模成本。

傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)獲取較快,每天可獲取上萬張影像,這樣可以保證快速獲取測(cè)區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)生成DEM、DOM,為土方計(jì)算提供依據(jù),而且獲取的影像分辨率高,在三維模型重建過程中有著重要作用。相比于傳統(tǒng)的航空攝影測(cè)量,其應(yīng)用更加靈活,對(duì)起飛降落要求較低。傾斜攝影技術(shù)的成本較低,無人機(jī)和高清數(shù)碼相機(jī)就能滿足要求。

1 傾斜攝影測(cè)量技術(shù)用于計(jì)算土方的方法

利用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)快速獲取相片,生成三維模型,批量提取高程,利用土方計(jì)算軟件進(jìn)行方格網(wǎng)法計(jì)算土方量，流程如圖1所示。

圖1 生成流程圖Fig.1 Generating flow chart

1.1 影像數(shù)據(jù)獲取

在測(cè)區(qū)布設(shè)一定數(shù)量的控制點(diǎn),使用無人機(jī)進(jìn)行低空攝影,從多個(gè)角度獲取地面影像。在拍攝影像的同時(shí),記錄下影像位置姿態(tài)參數(shù)、航高、航向重疊、旁向重疊、POS數(shù)據(jù)等參數(shù)。

生成三維模型的精度和分辨率與采集的影像精度和分辨率直接相關(guān)[3]。為達(dá)到預(yù)定的影像精度,航高的確定應(yīng)滿足如下計(jì)算公式:

影像精度[m/像素]×焦距[mm]×圖像的最大尺寸[像素]=傳感器寬度[mm]×拍攝距離[m][4]

根據(jù)預(yù)先設(shè)定的飛行路線和航高及曝光間隔進(jìn)行無人機(jī)低空攝影,獲取影像數(shù)據(jù)。

1.2 圖像處理

影像獲取后對(duì)傾斜影像進(jìn)行預(yù)整理，將不同相機(jī)獲取的相片進(jìn)行分類,輸入相機(jī)文件數(shù)據(jù)和POS數(shù)據(jù),導(dǎo)入野外測(cè)量的控制點(diǎn)坐標(biāo),并在相應(yīng)的影像上刺點(diǎn),對(duì)影像名稱和該影像對(duì)應(yīng)POS數(shù)據(jù)的名稱做修改,使其保持一致,之后將其分別導(dǎo)入到建模軟件中。用于傾斜攝影模型制作的影像,不能進(jìn)行任何修改,包括改變大小、鏡像、裁剪、旋轉(zhuǎn)、縮放、降噪、銳化、扭曲或調(diào)整亮度、對(duì)比度、色相、位深度、飽和度或色調(diào)[5]。

1.3 空三測(cè)量

結(jié)合記錄的外方位元素,采取由粗到精的金字塔匹配策略,在每級(jí)影像上進(jìn)行同名點(diǎn)自動(dòng)匹配和自由網(wǎng)光束法平差,得到同名點(diǎn)匹配結(jié)果。同時(shí)建立連接點(diǎn)、連接線、控制點(diǎn)坐標(biāo)、POS輔助數(shù)據(jù)的多視影像自檢校區(qū)域網(wǎng)平差的誤差方程,通過聯(lián)合解算,保證平差結(jié)果的精度[6]?？杖郎y(cè)量任務(wù)后影像信息完整,具有地理參考信息,且3D視圖中具有影像及模型的簡(jiǎn)略視圖。

1.4 生成三維模型

多視影像密集匹配,在匹配過程中充分考慮冗余信息,快速準(zhǔn)確地獲取多視影像上的同名點(diǎn)坐標(biāo),進(jìn)而獲取地面的三維信息,生成三維模型[7]。

1.5 模型處理

將生成的模型文件導(dǎo)入模型處理軟件,將植被、房屋進(jìn)行踏平,將空洞進(jìn)行填充,生成地面高程模型。

1.6 高程提取

在模型處理軟件中選擇將高程按一定間距導(dǎo)出dat格式,在cass保存。

1.7 土方計(jì)算

應(yīng)用土方計(jì)算軟件將導(dǎo)出的高程作為原始高程，采用20 m×20 m方格網(wǎng)進(jìn)行土方計(jì)算。

2 應(yīng)用實(shí)例

武漢經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)(漢南區(qū))吉利飛行汽車地塊場(chǎng)平工程位于漢南區(qū)紗帽街(圖2),場(chǎng)平總面積266 001.33 m2,地面標(biāo)高一般在20～23.8 m之間。利用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量獲取影像,用Smart3D軟件處理獲得三維模型,利用DP_modeler模型處理軟件批量提取高程,生成高程數(shù)據(jù)文件,導(dǎo)入cass軟件計(jì)算得到土石方量。

圖2 工程地理位置圖Fig.2 Geographic location map of engineering

2.1 野外數(shù)據(jù)獲取

在地面測(cè)區(qū)用GPS RTK布設(shè)21個(gè)像控點(diǎn),采用DJI GS PRO地面站軟件進(jìn)行航線規(guī)劃及航拍控制,利用iFly D6六旋翼無人機(jī)五相機(jī)(iCam Q5)拍攝系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)區(qū)影像采集。共布置航線30條,采樣間隔2 s,飛行面積1 km2,飛行高度120 m，飛行3架次,獲取相片5 970張。

像控點(diǎn)采用GNSS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位(RTK)的方法進(jìn)行測(cè)量。

航拍影像條件:①航拍的航線范圍超出測(cè)區(qū)邊界線100 m以上。②像片重疊度,航向重疊度為80%,旁向重疊為60%,像片傾角在5°以內(nèi),旋偏角<15°。③所拍攝影像資料的影像精度為2 cm;影像資料清晰,色彩均勻,飽和度良好,無去影和劃痕,層次豐富,色差適中,獲取影像質(zhì)量完整、良好。

2.2 影像數(shù)據(jù)處理

影像數(shù)據(jù)采用Smart3D Capture進(jìn)行處理,生產(chǎn)流程如圖3所示。

圖3 模型生成流程圖Fig.3 Flow chart of model generation

在進(jìn)行空中三角測(cè)量之前,先對(duì)原始影像進(jìn)行預(yù)處理,將試拍的照片去除,對(duì)色差差異較大的照片做勻光處理,然后將其分別導(dǎo)入到Smart3D Capture軟件中,輸入相機(jī)文件數(shù)據(jù)、照片POS文件數(shù)據(jù)[8]。使用POS輔助空三平差,之后導(dǎo)入野外測(cè)量的控制點(diǎn)坐標(biāo),并在相應(yīng)的影像上刺點(diǎn),使用控制點(diǎn)與POS的聯(lián)合平差,得出空中三角測(cè)量平面中誤差為0.2 mm,高程中誤差為0.05 mm。

進(jìn)行影像密集匹配,找出同名像點(diǎn),根據(jù)同名像點(diǎn)反算物方空間點(diǎn),生成密集點(diǎn)云[9]。根據(jù)密集點(diǎn)云構(gòu)建TIN模型,再把相應(yīng)區(qū)域的紋理映射到模型上,得到三維模型,模型結(jié)果如圖4所示。

圖4 三維模型圖Fig.4 Three-dimensional model map

2.3 植被踏平及高程提取

利用DP_modeler模型處理軟件對(duì)漂浮物和植被、房屋遮擋部分進(jìn)行處理。在網(wǎng)格編輯視圖中,選擇“平面選擇”,開始選擇踏平范圍;將要踏平區(qū)域全部勾在范圍內(nèi),選擇“踏平”,將植被、房屋等突出地面的地表突出物踏平至地面;選擇“立體選擇”,運(yùn)用多面體將要?jiǎng)h除的漂浮物全部包圍在內(nèi),調(diào)整好多面體的高度和底面高度,底面高度一定要與地面一致,選擇“刪除”,將地面漂浮物刪除;經(jīng)過踏平和立體刪除后,地面高程就可以自動(dòng)生成了。

在DP_modeler矢量測(cè)圖圖層管理器中選擇一般高程點(diǎn),用矢量圖層管理器中線工具,將等高線的范圍畫出來,選擇矢量范圍線,選自動(dòng)高程,按20 m選擇一個(gè)高程點(diǎn),軟件將自動(dòng)打出高程點(diǎn)。導(dǎo)出dat格式,在南方cass中保存。

2.4 土方量計(jì)算結(jié)果分析

首先在實(shí)地野外采集一定數(shù)量的高程點(diǎn),根據(jù)采集數(shù)據(jù),用南方Cass軟件土方計(jì)算功能按23.0 m的標(biāo)高計(jì)算出對(duì)應(yīng)地形的土方量;之后用在三維模型上導(dǎo)出高程點(diǎn)計(jì)算土方量。

模型精度檢驗(yàn):在場(chǎng)地四周已建水泥道路上實(shí)測(cè)了69個(gè)點(diǎn)[10],同時(shí)在模型上選取同名點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果見表1。

對(duì)比使用野外實(shí)地測(cè)點(diǎn)高程和用模型提取高程結(jié)果,兩者的中誤差為2.9 cm,最大誤差為5 cm,在限差5 cm以內(nèi),模型精度滿足測(cè)量精度要求。對(duì)比使用野外實(shí)地測(cè)點(diǎn)計(jì)算土方量和用模型提取高程計(jì)算土方量的結(jié)果如表2所示。

表1 野外實(shí)測(cè)高程點(diǎn)與模型生成高程點(diǎn)精度對(duì)比表Table 1 Comparison table of elevation point accuracy between field measured elevation points and models

表2 土方計(jì)算成果對(duì)比表Table 2 Comparison table of earthwork calculation results

由表中數(shù)據(jù)得知,兩者相差13 250 m3,誤差在6%左右,計(jì)算結(jié)果比較接近。模型測(cè)量結(jié)果填方量少于實(shí)際測(cè)量結(jié)果,其原因可能是現(xiàn)場(chǎng)土質(zhì)較松,模型測(cè)量是測(cè)量地表高程,實(shí)測(cè)時(shí)由于測(cè)量設(shè)備自重導(dǎo)致實(shí)測(cè)高程低于地表高程,最終影響土方計(jì)算結(jié)果。需要說明的是,土方計(jì)算本來是一種估值,其結(jié)果是用于投資概算或估算,在實(shí)際應(yīng)用中需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行驗(yàn)證,一般認(rèn)為與計(jì)算結(jié)果在10%以內(nèi)都是可行的。本次土方計(jì)算的結(jié)果說明,運(yùn)用傾斜攝影測(cè)量方法建立三維模型,經(jīng)過處理后提取高程進(jìn)行土方計(jì)算的結(jié)果是可靠的。

無人機(jī)傾斜攝影進(jìn)行土方測(cè)量具有如下優(yōu)越性:

(1) 減少野外測(cè)量工作量。無人機(jī)進(jìn)行土方測(cè)量,主要是野外少量相控點(diǎn)的布設(shè)和采集,加上無人機(jī)采集相片數(shù)據(jù),相比于傳統(tǒng)的野外測(cè)點(diǎn),野外工作量較少,將主要工作轉(zhuǎn)換到內(nèi)業(yè)處理,較為輕松。

(2) 突出的時(shí)效性和性價(jià)比。對(duì)于地形復(fù)雜和面積較大的區(qū)域,用傳統(tǒng)測(cè)量的方法周期長(zhǎng)、難度大,而用傾斜攝影大范圍成像的特點(diǎn),可以快速獲取大區(qū)域的數(shù)據(jù),更快地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,更快地得出結(jié)果，且價(jià)格具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)。

(3) 成果豐富和后續(xù)處理能力更強(qiáng)。系統(tǒng)攜帶的數(shù)碼相機(jī)等設(shè)備可快速獲取超高分辨率數(shù)字影像和高精度定位數(shù)據(jù),生成DEM、DOM、DLG。三維模型為土方計(jì)算中確定地表覆蓋物、桿線遷改、房屋拆遷、土方調(diào)配等提供了可視化數(shù)據(jù),便于進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和后續(xù)處理。

3 結(jié)論

傾斜攝影測(cè)量經(jīng)過幾年的發(fā)展,在測(cè)繪領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。傾斜攝影測(cè)量是非接觸式的,在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)具有高速度、高效率、高精度、大范圍等特點(diǎn),采集得到的圖像分辨率高,可以經(jīng)過處理生成初始三維模型。本文結(jié)合傾斜攝影測(cè)量的原理、特點(diǎn)以及其他有關(guān)快速獲取地形數(shù)據(jù)的技術(shù)與方法,就傾斜攝影測(cè)量在土石方量計(jì)算中的應(yīng)用進(jìn)行研究,得出如下幾點(diǎn)結(jié)論:

(1) 通過傾斜攝影測(cè)量,重建了目標(biāo)區(qū)域的三維模型,用該模型進(jìn)行土石方量計(jì)算,結(jié)果與野外實(shí)地測(cè)量計(jì)算的結(jié)果相差不大,表明傾斜攝影測(cè)量技術(shù)可以應(yīng)用于土方工程的測(cè)量。

(2) 對(duì)于植被覆蓋和建筑群區(qū)的傾斜攝影測(cè)量土石方量計(jì)算,提供了用模型處理軟件進(jìn)行處理的解決方法。

(3) 土方計(jì)算的精度主要取決于高程,生成三維模型的精度和分辨率與采集的影像精度和分辨率直接相關(guān)。應(yīng)綜合考慮地面分辨率、重疊度以及工作量和安全等因素,在滿足各項(xiàng)技術(shù)精度指標(biāo)的前提下,布置較為適宜的航高。

應(yīng)當(dāng)指出,本文研究?jī)A斜攝影測(cè)量技術(shù)在土方計(jì)算中的運(yùn)用,是在地形比較平緩的情況下進(jìn)行的,在復(fù)雜地形情況下的應(yīng)用效果還需進(jìn)一步驗(yàn)證。