殷康，高健，龔振如

（河南洛寧抽水蓄能有限公司，河南 洛陽 471000）

0 引言

土石方量測(cè)量計(jì)算是抽水蓄能電站建設(shè)過程的必須環(huán)節(jié)，精確準(zhǔn)確測(cè)量土石方量，可以合理性的規(guī)劃土方調(diào)配，降低工程費(fèi)用并且提高工程質(zhì)量。傳統(tǒng)的土石方量計(jì)算方法包括方格網(wǎng)、DTM、等高線、斷面等方法。傳統(tǒng)地形測(cè)繪基于全站儀、GPS-RTK等進(jìn)行地形數(shù)據(jù)采集，難以獲取復(fù)雜地形、樹木遮擋區(qū)域的數(shù)據(jù)，極大影響了傳統(tǒng)的土方計(jì)算的質(zhì)量，甚至出現(xiàn)計(jì)算錯(cuò)誤的方量值。傾斜攝影將無人機(jī)技術(shù)與地形測(cè)繪技術(shù)結(jié)合，在無人機(jī)上搭載多鏡頭視覺相機(jī)，采集地面對(duì)象的多角度影像數(shù)據(jù)，通過對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行空三測(cè)量以及三維網(wǎng)格模型生成等一系列處理得到三維傾斜攝影模型，基于網(wǎng)格與點(diǎn)云數(shù)據(jù)來計(jì)算土石方量，彌補(bǔ)傳統(tǒng)接觸式測(cè)量在復(fù)雜地形應(yīng)用的不足。

1 技術(shù)路線

傾斜攝影通過無人機(jī)搭載各類傳感器，由多個(gè)鏡頭同時(shí)獲得不同角度的影像，獲取待測(cè)對(duì)象的傾斜攝影模型[1-2]。根據(jù)傾斜攝影以及抽水蓄能電站施工過程中土方計(jì)算特點(diǎn)，如圖1所示為主要分為數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、空三加密、三維建模以及土方計(jì)算四個(gè)環(huán)節(jié)。

圖1 基于傾斜攝影的土方計(jì)算路線圖

1.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

根據(jù)抽蓄電站區(qū)域，確定無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量范圍，在現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)飛行控制點(diǎn)。基于廠區(qū)范圍、建模精度、飛行高度、關(guān)鍵建筑要素等信息進(jìn)行無人機(jī)航線規(guī)劃[3]，明確無人機(jī)飛行架次以及飛行范圍，采用無人機(jī)搭載傾斜攝影系統(tǒng)開展抽水蓄能電站區(qū)域圖像數(shù)據(jù)采集。

1.2 空三加密

對(duì)地面布設(shè)的像控點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)量的坐標(biāo)刺入到對(duì)應(yīng)的影像上，輸入測(cè)量像控點(diǎn)的工程坐標(biāo)，將最后輸出的模型成果轉(zhuǎn)換至工程坐標(biāo)系?？杖?jì)算是后期模型構(gòu)建的關(guān)鍵，計(jì)算成果將直接影像后期模型的質(zhì)量。

1.3 三維建模

對(duì)滿足重疊度要求的影像進(jìn)行同名點(diǎn)匹配、特征提取，使得測(cè)區(qū)范圍內(nèi)的影像得到快速拼接。通過光束法平差對(duì)拼接好的影像進(jìn)行空三計(jì)算獲得地面坐標(biāo)點(diǎn)，利用坐標(biāo)點(diǎn)構(gòu)建TIN[4]，然后對(duì)TIN網(wǎng)貼白膜后進(jìn)行自動(dòng)紋理映射，構(gòu)建三維模型與點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

1.4 土方計(jì)算

對(duì)不規(guī)則三角網(wǎng)格模型開展線性內(nèi)插和雙線性內(nèi)插[5]，生成原始地形的數(shù)字高程模型，以設(shè)計(jì)圖紙各特征點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程值為參考值，計(jì)算兩個(gè)模型之間的填挖土方量。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 面向復(fù)雜山區(qū)地形的航線規(guī)劃

抽蓄電站建設(shè)所在位置通常處在地形陡峭、高度落差極大的山區(qū)地形[6,7]，對(duì)無人機(jī)飛行航線提出極大挑戰(zhàn)，需同時(shí)確保飛機(jī)飛行安全以及拍攝數(shù)據(jù)完整性。航線的設(shè)置主要包括飛行航高、路線規(guī)劃，合適的航高和航線可以確保測(cè)繪精度與效率。在不影響地面控制點(diǎn)布置與測(cè)量、保證空三加密計(jì)算的前提下，無人機(jī)測(cè)繪范圍覆蓋應(yīng)該超出邊界線。依據(jù)后期數(shù)據(jù)計(jì)算對(duì)于傾斜攝影的圖像數(shù)據(jù)相鄰方向與航向的關(guān)系，對(duì)旁向重疊及航向重疊進(jìn)行定義，公式如下：

其中Px、Py，為航向、旁向的重疊度；qx、qy，為航向、旁向影像重疊的長度；L為像幅長度。

通過全區(qū)域非預(yù)定義布設(shè)與平坦區(qū)域預(yù)定義布設(shè)相結(jié)合的方式完成面向復(fù)雜山區(qū)地形的航線規(guī)劃。

（1）預(yù)定義航線布設(shè)：在地形相對(duì)平坦區(qū)域采用開展如圖2所示的預(yù)定義航線布設(shè)，快速獲取抽蓄電站上下水庫等較為平坦區(qū)域的傾斜影像。航飛宜在天氣晴朗、光照充足、視線清晰、空氣通透性好、無霧天氣時(shí)進(jìn)行。根據(jù)本項(xiàng)目需求，為保證建模效果，外業(yè)航飛時(shí)設(shè)計(jì)航向重疊度保證88%，旁向重疊度設(shè)置在76%。

（2）非預(yù)定義航線布設(shè)：主要應(yīng)用于高低起伏變化大及精度要求較高的區(qū)域，無人機(jī)相對(duì)飛行高度較低。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，無人機(jī)操控人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形，自由決定飛行路線。

2.2 大規(guī)模冗余點(diǎn)云數(shù)據(jù)優(yōu)化

傾斜攝影技術(shù)可以快速獲取大量的抽水蓄能電站的地形點(diǎn)云數(shù)據(jù)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)通常會(huì)存在冗余信息，影響后期土方計(jì)算分析效率。保證原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度的同時(shí)，降低點(diǎn)云數(shù)據(jù)的密度，保持點(diǎn)云數(shù)據(jù)地形特征信息，對(duì)于后期土方開挖計(jì)算有著重要意義。

針對(duì)抽水蓄能電站所處地形高度落差較大、地形復(fù)雜等特點(diǎn)，計(jì)算點(diǎn)云數(shù)據(jù)曲率特征，基于曲率信息進(jìn)行冗余點(diǎn)云數(shù)據(jù)優(yōu)化處理?；邳c(diǎn)云數(shù)據(jù)的局域曲率進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，在曲率較小區(qū)域保留較少的數(shù)據(jù)點(diǎn)，曲率較大區(qū)域提高采樣比例，確保地形特征不發(fā)生較大變動(dòng)。根據(jù)測(cè)點(diǎn)在曲面法向上引起的誤差大小作為是否刪除該點(diǎn)的依據(jù)。對(duì)于任意數(shù)據(jù)點(diǎn)，對(duì)K鄰域進(jìn)行平面擬合，將該平面作為數(shù)據(jù)點(diǎn)的近似切平面。點(diǎn)與擬合平面的距離可以近似衡量該點(diǎn)的曲率信息，作為判斷該點(diǎn)是否應(yīng)該刪除的依據(jù)[8]。

2.3 山區(qū)植被點(diǎn)云數(shù)據(jù)剔除與地形恢復(fù)

使用傾斜攝影技術(shù)獲取地形數(shù)據(jù)時(shí)，山區(qū)植被會(huì)覆蓋地面形成噪聲數(shù)據(jù)，需要對(duì)原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理以獲取真實(shí)、“干凈”的地表數(shù)據(jù)用于土方計(jì)算的原始地面點(diǎn)。將Z-score數(shù)學(xué)模型用于地形點(diǎn)云噪聲數(shù)據(jù)去除，實(shí)現(xiàn)植被點(diǎn)云數(shù)據(jù)剔除與地形恢復(fù)。Z-score去噪算法可將與地形點(diǎn)云數(shù)據(jù)混雜在一起的植被噪聲數(shù)據(jù)成功識(shí)別出來，實(shí)現(xiàn)山區(qū)植被點(diǎn)云數(shù)據(jù)剔除與地形恢復(fù)。

3 應(yīng)用效果

以洛寧抽水蓄能電站1號(hào)公路的土方量計(jì)算為例，采用傾斜攝影技術(shù)對(duì)原始地形地貌進(jìn)行測(cè)量，生成高分辨率三維模型（三維地形模型）；對(duì)所生產(chǎn)的三維模型進(jìn)行點(diǎn)云化，并從中提取如圖3所示的底層真實(shí)地面模型；對(duì)設(shè)計(jì)圖紙（即參考面）的特征點(diǎn)、面進(jìn)行三維化（設(shè)計(jì)模型）；將測(cè)得的剔除植被噪點(diǎn)后的三維真實(shí)地面模型與設(shè)計(jì)模型進(jìn)行疊加，采用柵格網(wǎng)法，計(jì)算出填挖方量，圖4所示為土方計(jì)算過程數(shù)據(jù)。

圖3 地形數(shù)據(jù)處理示意圖

圖4 土方計(jì)算圖

4 結(jié)語

本文采用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)開展對(duì)抽蓄電站所在區(qū)域開展三維測(cè)量，對(duì)傾斜攝影在抽蓄電站土方計(jì)算的技術(shù)路線進(jìn)行探索，對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，并在河南洛寧抽蓄電站進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)抽水蓄能電站建設(shè)過程中土方開挖量精準(zhǔn)計(jì)算分析，解決傳統(tǒng)方法在復(fù)雜地形土方量計(jì)算中精度與效率較低等問題。