張珊珊 蘇義坤 蘇偉勝 何廷全
(東北林業(yè)大學(xué),哈爾濱,150040) (廣西新發(fā)展交通集團(tuán)有限公司) (廣西新恒通高速公路有限公司)
土石方計(jì)量是高速公路工程項(xiàng)目建設(shè)中的重要內(nèi)容,在項(xiàng)目施工全過(guò)程中占據(jù)著重要地位,其計(jì)量的精準(zhǔn)程度、效率、及時(shí)性對(duì)項(xiàng)目工程造價(jià)和項(xiàng)目進(jìn)度管控等產(chǎn)生直接影響[1-2]。土石方工程,包括場(chǎng)地平整、挖(填)土石方等工作,計(jì)量作業(yè)量巨大,且以不同的形態(tài)發(fā)生于高速公路全線路中。傳統(tǒng)的土石方計(jì)量方法,一般利用全站儀、GPS、LiDAR等設(shè)備獲取地面控制點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,這些傳統(tǒng)的測(cè)量方法,存在易受地形影響、作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)效率低、在地形復(fù)雜區(qū)域工作人員操作危險(xiǎn)性高、獲取數(shù)據(jù)精度易受人為因素影響難以控制等問(wèn)題[3]。因此,傳統(tǒng)土石方計(jì)量方法亟待改進(jìn)。
隨著科技的發(fā)展,土石方計(jì)量方法也不斷地更新進(jìn)步[4-8]。但現(xiàn)有研究仍停留在土石方計(jì)量方法理論、數(shù)據(jù)源采集技術(shù)的探索研究[9-10],關(guān)于將土石方系統(tǒng)化、智能化計(jì)量的分析研究較少。本研究將無(wú)人機(jī)外業(yè)采集與內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理進(jìn)行一體化整合應(yīng)用,提出了一種應(yīng)用無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的高速公路土石方智能化計(jì)量模式,形成將無(wú)人機(jī)傾斜攝影采集地面土石方數(shù)據(jù)、結(jié)合無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件(Pix4Dmapper)建立土石方實(shí)景三維模型、利用三維模型生成數(shù)字高程模型并進(jìn)行體積量測(cè)計(jì)算土石方量的智能化計(jì)量統(tǒng)一體系。該智能化計(jì)量方法能夠?qū)崿F(xiàn)土石方量自動(dòng)精準(zhǔn)計(jì)算與結(jié)果可視化,達(dá)到高速公路土石方計(jì)量過(guò)程智能化,提高工作效率。
研究對(duì)象位于賀巴高速來(lái)賓至都安路段,本路段位于廣西中西部,路線由東向西,主線路全長(zhǎng)134.037 km,具有局部地形復(fù)雜、坡度起伏較大、橋隧工程量較多等特點(diǎn)。選取BK55+320~BK55+410清淤換填標(biāo)段,作為無(wú)人機(jī)飛行測(cè)區(qū),測(cè)區(qū)面積大小和形態(tài)滿足測(cè)試要求。本研究選用大疆經(jīng)緯M210 RTK V2多旋翼無(wú)人機(jī)作為飛行平臺(tái),搭載5鏡頭高分辨傾斜相機(jī)進(jìn)行同步影像數(shù)據(jù)采集,并利用中海達(dá)V6 GPS-RTK測(cè)量?jī)x進(jìn)行地面控制點(diǎn)數(shù)據(jù)采集。
高速公路土石方智能化計(jì)量,以智能、精準(zhǔn)為目標(biāo),以簡(jiǎn)化土石方計(jì)量工作外業(yè)任務(wù)、提高高速公路土石方計(jì)量效率、滿足施工人員對(duì)高速公路土石方計(jì)量工作的安全性為前提,運(yùn)用現(xiàn)代化信息技術(shù)手段進(jìn)行智能化計(jì)量模式設(shè)計(jì)(見(jiàn)圖1)。
圖1 智能化計(jì)量模式總體設(shè)計(jì)框架
由圖1可見(jiàn):高速公路土石方工程智能化計(jì)量模式,主要從資源層、應(yīng)用層、表現(xiàn)層三個(gè)方面分析設(shè)計(jì)。在資源層,將土石方施工任務(wù)、選取無(wú)人機(jī)型號(hào)、無(wú)人機(jī)操作環(huán)境信息、相關(guān)技術(shù)人員資料,統(tǒng)一置于智能信息平臺(tái)上,整合土石方計(jì)量相關(guān)任務(wù)數(shù)據(jù)信息,有效進(jìn)行無(wú)人機(jī)飛行方案選取確定。在應(yīng)用層,利用現(xiàn)代化信息技術(shù)對(duì)無(wú)人機(jī)航攝獲取的影像信息集成分析,并結(jié)合無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件計(jì)量土石方量。通過(guò)信息網(wǎng)絡(luò)將獲得的成果數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到表現(xiàn)層中的云端數(shù)據(jù)中心,實(shí)現(xiàn)土石方計(jì)量的過(guò)程智能化和結(jié)果數(shù)據(jù)可視化。
高速公路土石方工程發(fā)生在全路段,具有多形態(tài)的特點(diǎn)。利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù),以無(wú)人機(jī)為飛行載體,搭載傾斜攝影5鏡頭相機(jī)同時(shí)拍攝,不同方向的傾斜攝像頭角度均為45°,可同時(shí)獲取地面土石方影像信息及方位信息[11]。在高速公路項(xiàng)目外業(yè)數(shù)據(jù)采集過(guò)程中,無(wú)人機(jī)在航測(cè)時(shí),會(huì)通過(guò)GPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)對(duì)每個(gè)圖像數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄相應(yīng)的三維空間位置信息,并利用GPS動(dòng)態(tài)測(cè)量(GPS-RTK)設(shè)備選取測(cè)量地面像控點(diǎn)。三維模型在生產(chǎn)過(guò)程中,使用無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理多功能三維建模軟件,高效自動(dòng)智能地對(duì)傾斜影像進(jìn)行預(yù)處理、區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差、多視影像匹配、生成數(shù)字表面模型(DSM)、構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)、紋理映射等分析處理,最終生成土石方三維實(shí)景模型。
應(yīng)用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)對(duì)高速公路土石方工程實(shí)景三維模型的建立,主要分為兩個(gè)階段:外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)影像處理。其中,外業(yè)數(shù)據(jù)采集主要包括:
①確定任務(wù)區(qū)域。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘以及工程技術(shù)資料確定無(wú)人機(jī)飛行拍攝區(qū)域范圍,避免漏拍、錯(cuò)拍。
②設(shè)置無(wú)人機(jī)飛行控制指標(biāo)。在地面站上根據(jù)飛行區(qū)域地勢(shì)特征設(shè)計(jì)出飛行方案,包括飛行航線規(guī)劃、無(wú)人機(jī)飛行高度、拍攝旁向與航向重疊度、巡航速度、返航點(diǎn)位等技術(shù)指標(biāo),并調(diào)整相機(jī)角度對(duì)焦。
③數(shù)據(jù)源采集。根據(jù)制定的航攝方案進(jìn)行無(wú)人機(jī)飛行作業(yè),通過(guò)無(wú)人機(jī)傾斜攝影自動(dòng)拍攝,獲取無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)和空間定位定向數(shù)據(jù)(POS)。無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù),是利用無(wú)人機(jī)搭載的多鏡頭傾斜相機(jī)拍攝的照片;空間定位定向數(shù)據(jù)即記錄無(wú)人機(jī)拍照點(diǎn)位的坐標(biāo)位置與姿態(tài)。利用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位測(cè)量設(shè)備均勻布置地面像控點(diǎn),其坐標(biāo)信息同時(shí)作為數(shù)據(jù)源。
本研究主要利用無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)業(yè)處理。關(guān)鍵技術(shù)主要包括:
①航片預(yù)處理。檢查獲取的影像中是否有不合格的相片,將拍攝無(wú)效的圖像進(jìn)行剔除,按照數(shù)據(jù)處理軟件中數(shù)據(jù)導(dǎo)入要求,對(duì)拍攝獲得的數(shù)碼航片進(jìn)行輻射分辨率調(diào)整以及航片勻色、降噪等處理,同時(shí)查看空間定位定向數(shù)據(jù)文件,若空間定位定向數(shù)據(jù)與影像數(shù)據(jù)中的相片號(hào)不一致,應(yīng)及時(shí)作出調(diào)整,有利于提高數(shù)字正射影像圖(DOM)產(chǎn)品的質(zhì)量。
②多視影像區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差。多視影像包括垂直影像和傾斜影像,由于攝像鏡頭外方位及周圍環(huán)境因素的影響,可能出現(xiàn)遮擋和像片形變的情況,利用區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差,處理傾斜攝影數(shù)據(jù),能有效解決影像之間的遮擋以及幾何變形問(wèn)題。結(jié)合上述得到的空間定位定向數(shù)據(jù)中多視影像外方位元素,按照金字塔匹配策略,對(duì)每一級(jí)影像中的同名點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)匹配和區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差,可以得到較好的同名點(diǎn)匹配結(jié)果,這是后續(xù)的一系列攝影測(cè)量處理與應(yīng)用的基礎(chǔ)。
③多視影像密集匹配。傾斜圖像的籠罩區(qū)域大、分辨率高,影像經(jīng)過(guò)密集匹配處理,可以生成場(chǎng)景表面大量、稠密的三維點(diǎn)云,能夠完整全面地表達(dá)地物特征。但在密集匹配過(guò)程中,可能會(huì)產(chǎn)生大量冗余信息,如何快速準(zhǔn)確地匹配到傾斜圖像的同名點(diǎn)坐標(biāo)和獲取地物三維信息數(shù)據(jù),是密集匹配環(huán)節(jié)中的關(guān)鍵。
④數(shù)字表面模型生成。通過(guò)多視影像密集匹配得到高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù),再由其構(gòu)成不規(guī)則三角網(wǎng),進(jìn)而形成數(shù)字表面模型。該模型分辨率高,可以充分表達(dá)地形樣貌、地面起伏及地物特征。
⑤數(shù)字成果生成。在三維點(diǎn)云加密的基礎(chǔ)上,通過(guò)三維網(wǎng)格紋理重構(gòu),生成三維實(shí)景模型、對(duì)地形進(jìn)行擬合生成數(shù)字地表模型、通過(guò)正投影糾正與影像拼接生成數(shù)字正射影像圖等數(shù)字成果。
具體無(wú)人機(jī)傾斜攝影三維建模流程見(jiàn)圖2。
圖2 無(wú)人機(jī)傾斜攝影三維建模工作流程
土石方計(jì)算,是指設(shè)計(jì)標(biāo)高與原始地形表面標(biāo)高之間的體積差值計(jì)算。傳統(tǒng)的土石方計(jì)算方法,主要有方格網(wǎng)法、斷面法、等高線法等。這些方法存在易受地形影響、外業(yè)數(shù)據(jù)測(cè)量操作難度較高、工作量大等缺點(diǎn)[12-13]。與傳統(tǒng)計(jì)算方法相比,智能化計(jì)量是利用無(wú)人機(jī)和建模軟件構(gòu)建生成數(shù)字表面模型,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸至云平臺(tái),對(duì)模型中非地面點(diǎn)高程進(jìn)行改正,構(gòu)建數(shù)字高程模型(DEM),經(jīng)過(guò)平臺(tái)對(duì)模型的云計(jì)算分析處理,自動(dòng)計(jì)算出土石方工程量。該方法能夠更好地適應(yīng)各種復(fù)雜地形環(huán)境和土石方測(cè)算形態(tài),不受人為因素和環(huán)境因素影響,保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性,并減輕工作人員工作量。
數(shù)字高程模型是用離散性的數(shù)字形式,將一組有序數(shù)值陣列形式表示地面高程的一種實(shí)體模型,以用來(lái)表達(dá)地形高低起伏特征狀態(tài)??捎脭?shù)學(xué)表達(dá)式描述:Zi=f(Xi,Yi),i=1、2、…、n。式中:Xi、Yi分別為離散變量,表示某點(diǎn)的平面坐標(biāo);Zi為該點(diǎn)處的高程。
本研究利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù),結(jié)合無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件影像處理,獲取三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成數(shù)字高程模型,并構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)。不規(guī)則三角網(wǎng)能夠高精度地描述地形細(xì)部特征,對(duì)于斜坡、陡坎、斷面等破碎地形描述更加精確,更加適用于地形復(fù)雜的高速公路建設(shè)項(xiàng)目。應(yīng)用不規(guī)則三角網(wǎng)法計(jì)算土石方工程量,已知原始地表高程(記為Ht)、設(shè)計(jì)高程(記為Hd)。將原地表高程面與設(shè)計(jì)水平高程面進(jìn)行疊加,即得到測(cè)算區(qū)域,利用三角形微分的方法將測(cè)算區(qū)域劃分若干個(gè)不同高度的三棱柱,所需計(jì)算的區(qū)域總體體積則是所有三棱柱體積之和。根據(jù)原始地表面和設(shè)計(jì)表面之間的關(guān)系,計(jì)算可以分為3種情況:
當(dāng)設(shè)計(jì)表面完全在地形表面之上時(shí),此時(shí)只進(jìn)行填方(Vt)處理,計(jì)算公式為:Vf=S(H1-H2),H1-H2<0。
當(dāng)設(shè)計(jì)表面完全在地形表面之下時(shí),此時(shí)只進(jìn)行挖方(Vd)處理,計(jì)算公式為:Vd=S(H1-H2),H1-H2>0。
當(dāng)設(shè)計(jì)面與地表面相交時(shí)(見(jiàn)圖3(b)),地表面部分位于設(shè)計(jì)面之上,部分位于設(shè)計(jì)面下方,兩平面相交于直線EF,同時(shí)要做填方(Vt)和挖方(Vd)處理,計(jì)算公式為:Vd=S△C2EF×H3/3;Vt=S×H2-S×H1+Vd。
圖3 應(yīng)用不規(guī)則三角網(wǎng)土石方體積計(jì)算
上述式中:H1為原地表平均高程;H2為設(shè)計(jì)高程;H3為點(diǎn)C1到平面A2B2C2的距離;S為△A0B0C0的面積。
根據(jù)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件構(gòu)建的實(shí)景三維模型,獲得土石方地面點(diǎn)地理數(shù)字高程信息,應(yīng)用三角形微分土石方計(jì)算原理,設(shè)計(jì)了一個(gè)土石方智能化計(jì)量系統(tǒng)(見(jiàn)圖4)。該系統(tǒng)能夠完成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的輸入輸出,實(shí)現(xiàn)從現(xiàn)有的實(shí)景三維模型中提取數(shù)字高程信息,通過(guò)輸入施工設(shè)計(jì)標(biāo)高,利用不規(guī)則三角網(wǎng)法自動(dòng)計(jì)算體積差值,自動(dòng)完成挖(填)土石方量的計(jì)量,同時(shí)將計(jì)算成果保存并導(dǎo)出,實(shí)現(xiàn)高速公路土石方計(jì)量智能化、成果可視化。
圖4 土石方智能化計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
土石方智能化計(jì)量系統(tǒng)(初始界面見(jiàn)圖5),主要使用C#語(yǔ)言,使用微軟NET框架(NET Framework)進(jìn)行架構(gòu),將無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件構(gòu)建的實(shí)景三維模型數(shù)據(jù),通過(guò)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)(SQL Server)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)進(jìn)行存儲(chǔ),利用不規(guī)則三角網(wǎng)法進(jìn)行分析計(jì)算,并同步到云端進(jìn)行備份。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)多個(gè)實(shí)用性功能模塊,以滿足用戶需求,并優(yōu)化界面提供一個(gè)簡(jiǎn)潔的設(shè)計(jì)窗口。
圖5 土石方智能化計(jì)量系統(tǒng)初始界面
為驗(yàn)證土石方智能化計(jì)算的準(zhǔn)確性及可用性,本研究利用GPS動(dòng)態(tài)測(cè)量設(shè)備采用均勻采點(diǎn)的方式,采集地物點(diǎn)的高程值作為實(shí)際觀測(cè)值,并對(duì)地勢(shì)起伏較大區(qū)域加密采集。將應(yīng)用無(wú)人機(jī)航攝建立數(shù)字高程模型上的同名地物點(diǎn)的高程值,作為無(wú)人機(jī)航攝測(cè)量真值。
中誤差是衡量觀測(cè)精度的一項(xiàng)重要指標(biāo)[14]。其計(jì)算公式為:m=[∑(Δ)2/n]-1/2。式中:n為觀測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù);Δ為觀測(cè)值與真值之間的差值;m為計(jì)算所得中誤差。依據(jù)上述公式,將GPS動(dòng)態(tài)測(cè)量設(shè)備測(cè)量和無(wú)人機(jī)測(cè)量所得數(shù)據(jù)進(jìn)行比較計(jì)算,利用中誤差的性質(zhì)和標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)此次測(cè)量高程精度。
本研究通過(guò)工作人員現(xiàn)場(chǎng)踏勘,并結(jié)合收集到的技術(shù)資料,根據(jù)無(wú)人機(jī)傾斜攝影工作流程確定了無(wú)人機(jī)飛行航測(cè)方案,考慮測(cè)區(qū)地理環(huán)境,無(wú)人機(jī)起降點(diǎn)選擇在地面較平坦位置,起降點(diǎn)上方無(wú)樹(shù)木、高壓線等遮擋物;天氣晴朗,風(fēng)力一級(jí),航攝時(shí)長(zhǎng)15 min。主要參數(shù):無(wú)人機(jī)型號(hào)——大疆經(jīng)緯M210 RTK V2;相對(duì)行高30 m;航向重疊度不小于80%;旁向重疊度不小于80%;拍攝角度——傾斜相機(jī)傾斜45°,攝像頭朝前進(jìn)方向;飛行速度2 m/s;拍照間隔2 s。
為了控制整個(gè)研究區(qū)的精度,根據(jù)實(shí)際地形地貌,每隔約100 m布設(shè)1個(gè)地面控制點(diǎn)(見(jiàn)圖6),控制點(diǎn)之間的連接線盡量包含測(cè)試區(qū)域且上方無(wú)遮擋物,利用三角紅紙板作為航測(cè)地面控制點(diǎn),用GPS-RTK移動(dòng)站測(cè)量紅紙中心點(diǎn)坐標(biāo)并記錄。并利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)和GPS動(dòng)態(tài)測(cè)量設(shè)備獲取的土石方地表空間定位定向數(shù)據(jù),通過(guò)有限以太網(wǎng)或無(wú)線WiFi鏈傳輸?shù)綗o(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件中,對(duì)獲取的土石方影像進(jìn)行自動(dòng)化處理,形成地理空間數(shù)據(jù),生成數(shù)字正射影像圖、數(shù)字表面模型、三維點(diǎn)云與模型等數(shù)字成果。包括三維坐標(biāo)和顏色信息,可用于提取構(gòu)筑物尺寸及空間位置信息。用于目視判別地表情況,對(duì)工程土石方計(jì)算、測(cè)區(qū)堆體體積統(tǒng)計(jì)等與高程有關(guān)的地貌形態(tài)進(jìn)行分析。
圖6 地面控制點(diǎn)分布圖
通過(guò)無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)拍攝清淤換填的原地面(清表后)、清淤后、回填后3個(gè)階段的地形圖像數(shù)據(jù),結(jié)合無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件(Pix4Dmapper)建立3個(gè)階段的實(shí)景三維模型(見(jiàn)圖7),確定測(cè)量邊界線;通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將模型傳輸至土石方智能化計(jì)量平臺(tái),輸入設(shè)計(jì)標(biāo)高數(shù)值,對(duì)其體積自動(dòng)化計(jì)算;經(jīng)計(jì)算可知,該測(cè)區(qū)清淤方量為9 219.85 m3、回填方量為8 315.555 m3。
圖7 數(shù)據(jù)處理軟件界面
為驗(yàn)證土石方智能化計(jì)量的準(zhǔn)確性,本研究通過(guò)GPS動(dòng)態(tài)測(cè)量均勻采點(diǎn)的方式,采集地面數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)據(jù),并對(duì)地勢(shì)起伏較大區(qū)域加密采集;運(yùn)用傳統(tǒng)方格網(wǎng)法計(jì)量土石方,復(fù)核計(jì)算測(cè)區(qū)場(chǎng)地的清淤方量和回填方量(見(jiàn)表1)。由表1可見(jiàn):無(wú)人機(jī)系統(tǒng)智能化計(jì)量結(jié)果優(yōu)于GPS動(dòng)態(tài)測(cè)量設(shè)備實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)量結(jié)果,清淤方量差值比為1.119%、回填方量差值比為0.995%,能夠滿足土石方計(jì)量的規(guī)范要求。
表1 2種方法清淤回填土石方的計(jì)量結(jié)果
將施工單位使用GPS動(dòng)態(tài)測(cè)量設(shè)備測(cè)量清淤后地面48個(gè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)高程值,與應(yīng)用無(wú)人機(jī)系統(tǒng)生成的三維模型同名點(diǎn)高程值進(jìn)行對(duì)比(見(jiàn)圖8、表2)。由表2可見(jiàn),2種方法測(cè)量高程值,差值波動(dòng)較小。其中39號(hào)點(diǎn)高程差值絕對(duì)值最大為46 mm,經(jīng)計(jì)算得高程差值中誤差約為2.162 cm,基本滿足高速公路項(xiàng)目高程數(shù)據(jù)獲取精度要求。
表2 2種方法清淤后測(cè)量的高程值
與傳統(tǒng)方法相比,利用無(wú)人機(jī)技術(shù)智能化計(jì)量,外業(yè)工作量少,可提高作業(yè)效率,有效保障在復(fù)雜地形危險(xiǎn)區(qū)域測(cè)量人員的安全性。
本研究應(yīng)用2種計(jì)量方法,清淤方量差值比為1.119%,回填方量差值比為0.995%,高程差值中誤差為2.162 cm,說(shuō)明應(yīng)用無(wú)人機(jī)技術(shù)建立三維模型的精度可靠。
應(yīng)用無(wú)人機(jī)攝影技術(shù)建立實(shí)景三維模型,智能化計(jì)算土石方精度完全符合規(guī)范要求,值得行業(yè)推廣使用。