近(jin)年(nian)来(lai)，伴随国家(jia)经济(ji)高(gao)速发展(zhan)，各种基(ji)础设施建设项(xiang)目越(yue)来越多(duo)。土石方量(liang)计算是工程(cheng)项目(mu)核心(xin)环节之(zhi)一。包头(tou)测绘无人(ren)机为(wei)了能(neng)合理(li)安排项目进(jin)度，准确(que)计算工程量大小(xiao)与(yu)费(fei)用(yong)，通常(chang)需准(zhun)确地计算土(tu)石(shi)方量。因(yin)此(ci)选(xuan)择合(he)适(shi)的(de)测绘(hui)方法十分(fen)重要。

　　传统的土石方测量方法有水准仪(yi)测量法(fa)、全站(zhan)仪测量法和GPS测量法。水准仪测量法是(shi)通过使(shi)用水(shui)准仪测量事(shi)先(xian)在测区布设(she)方格网的每个角点高程来计算土石方量的。该方法适用性(xing)单(dan)一，若(ruo)测区(qu)不适合布(bu)设方格(ge)网，该方法就不适用了，且费时费力(li)。全站仪测量法具有操作简(jian)单，仪器(qi)要求(qiu)低等优点，适合测量面积(ji)较(jiao)小和通视良(liang)好(hao)的区域，反(fan)之，则(ze)会非常繁(fan)琐(suo)，且(qie)效(xiao)率低(di)下。GPS测量法是目前土石方测量中应用较多的一种(zhong)方法，它不(bu)受距(ju)离和(he)通视限制，且测量速度和精度较全站仪测量有所(suo)提(ti)高，但当(dang)测区有一些建筑(zhu)、树(shu)木、电磁场(chang)等影响GPS信号时(shi)，该方法就不太(tai)适用了(le)。因此传(chuan)统(tong)方法受(shou)场地影响(xiang)大、效(xiao)率低(di)下、人工成本(ben)高，亟(ji)待寻求一种经(jing)济的测量方法。

　　新兴无(wu)人机航测技术为解(jie)决上述难题开辟(pi)了一(yi)条崭(zhan)新(xin)途(tu)径。无人机航(hang)测作为测绘发展的新技术，以其机动灵活(huo)、数据现势(shi)性强、影像(xiang)分辨(bian)率高、减(jian)轻劳(lao)动强度、提高生(sheng)产(chan)效率等(deng)优(you)点，已在(zai)工程勘测、设计(ji)、施(shi)工(gong)、竣工验收(shou)及(ji)运行等多个(ge)环(huan)节中发(fa)挥了重(zhong)要作用。国内外众(zhong)多学(xue)者(zhe)也(ye)已(yi)开(kai)始尝试(shi)用该技术(shu)进行(xing)土石方量测量。该(gai)方法不受场地障(zhang)碍影(ying)响，费用相对(dui)低廉(lian)，在对场地土石方量追(zhui)踪管理方面成本较低，同时由于避(bi)免了大量人工现场作(zuo)业(ye)，大幅(fu)提高了测量人员(yuan)的 保(bao)障(zhang)。

　　本文采用无人机(ji)航测技术，对测区改造(zao)前后(hou)的地形(xing)分别进行航空摄(she)影测量，获取场地变(bian)化前(qian)后三维地形及影像数(shu)据，再将数据导(dao)入Autodesk的Civil 3D软件中，快(kuai)速(su)生成前后两(liang)次三维地形模(mo)型，以(yi)对改(gai)造前后土石方量的计算进行分析。

　　1实(shi)施技术路线

　　土石方量计算的目标是求取地表面体(ti)的体积差(cha)，关键(jian)在于对现状(zhuang)地形和改造后地形进行表述。因此，利(li)用无人机航测技术进行土石方量计算主(zhu)要是通过无人机获(huo)取(qu)地形改造前后同(tong)一区域数字高程模型DEM与数字正射(she)影像DOM，然后将地形改造前后的DEM与DOM导入(ru)Autodesk的三维可(ke)视化分析软件Civil 3D中(zhong)，分别进行统计分析(xi)，再(zai)通(tong)过(guo)DOM选取需(xu)要计算(suan)土石方量同一区域的DEM，对其(qi)进行统计分析，得出改造过程中(zhong)土石方的填挖方量。总之，基于无人机航空(kong)摄影测量的土石方量计算作业流(liu)程主要包括(kuo)：测区踏(ta)勘(kan)、航线(xian)规(gui)划、地形改造前后航测数据采集(ji)、航测数据(ju)处理、DEM制作、DOM制作、地形改造前后数据分析、土石方量计算分析8项。

　　2应(ying)用实例(li)

　　本实例为某(mou)一房建项目的土石方量计算任(ren)务。本任务(wu)航飞工作采用六(liu)旋(xuan)翼微(wei)型无人机对改造前后的地形分别(bie)进行航测数据采集，内(nei)业航测数据处理使用Pix4D进行，再使用Autodesk的Civil 3D软件做前后两次(ci)地形分析，无人机摄影测量计算改造前后地形变化，得出场地平整过程中的土石方量。

　　2.1外业数据采集

　　实施航测外业数据采集时，基本流程如下。

　　(1)航带设计。对测区进行现场踏勘，确定测区范围与地形情况[6]，根据《低空数字航空摄影测量外(wai)业规范》(CH/Z 3004—2010)中1∶500地形图(tu)航测规范要求，对本项目外业进行航带(dai)设计。根据要求，该项目确定(ding)航飞高度为200m，航向(xiang)重叠(die)度和旁向重叠度分别为75%和45%。

　　(2)像控点(dian)布设。根据规范要求，本项目在测区四周(zhou)以及中间(jian)均(jun)匀(yun)布设了12个平高控制点，确保100张相片能有6个控(kong)制(zhi)点，并(bing)确保控制点至少能在两张影像上同时找到(dao)。

　　(3)航测参数设定。根据航飞现场情(qing)况(kuang)，确定各项飞行参数，完成航测数据采集工作。

　　2.2航测数据处理

　　对采集完成的两期航测数据采(cai)用Pix4Dmapper软件(jian)进行数据处理。

　　2.3土石方量计算与分析

　　在计算机处(chu)理过程中，地表(biao)面模型(xing)DEM的主要数字表现(xian)形式是不规则三(san)角(jiao)网TIN，故土石方量计算主要(yao)是利用TIN进行的。因此，需要将(jiang)改造前地表DEM生成(cheng)的TIN和改造后生成(cheng)的TIN叠加，形成交(jiao)线，即(ji)是场地开挖(wa)过程中开挖区与回填区的分界(jie)线。通过计算每(mei)条(tiao)分界线所包围(wei)成的封(feng)闭(bi)区域(yu)的体积大小，就可以计算每一个开挖区与回(hui)填区的体积，然(ran)后对每个开挖区与回填区进行累(lei)加，即为所求区域里(li)土石方的挖方与填方量。因此，改造前后两期地形的土石方量计算主要流程如下。

　　(1)将改造前的点云数据DEM导出为文本格式(shi)，并导入Autodesk的Civil3D软件中，生成TIN曲面(mian)模型。对改造前的地形进行分析，统计各(ge)处高程以及各高程区间范(fan)围。

　　(2)将改造后的点云(yun)数据DEM导出为文(wen)本格式，并导入Autodesk的Civil3D软(ruan)件中，生成TIN曲(qu)面模型。对改造后的地形进行分析。

　　(3)在正射影像上圈(quan)出需要计算土石方量的区域，并用确定的边(bian)界对该区域地形的TIN曲面模型进行提取。无人机航测可同时得到测量区域影像，可直(zhi)接(jie)在影像上(shang)确定土石方量的计算范围。

　　(4)在Civil3D中打开需要计算土石方量区域的两期地形TIN模型，利用软件中的地形分析工具，以改造前的地形为参(can)考(kao)基准，计算改造后地形的填(tian)方量和挖方量(图5)。

　　(5)统计分析两期地形变化(hua)，得出(chu)填挖方量结(jie)果，输出土石方量报(bao)告：投影面积14 814.51m2，挖土石方量18740.80m3，填土石方量47.28m3。

　　3精度分析

　　为了分析无人机航测技术测算土石方量的精度，本文将该方法与传统GPS测量法进行比较。采用传统GPS-RTK方法获取测区范围内两期地貌(mao)特(te)征(zheng)点各60个，记(ji)录各点平(ping)面坐标、高程及每个点对应的实地位(wei)置(zhi)作为检查点。从(cong)两期地形模型中提取各检(jian)查(cha)点对应位置的模型点坐标与检查点坐(zuo)标(biao)作比对，进行精度评(ping)估。

　　先利用两期(qi)测量的各60个检查点分别对两次航测的平面、高程进行精度分析，结果(guo)为地形改造前平面中误(wu)差±0.39m，高程中误差±0.32m，改造后平面中误差±0.36m，高程中误差±0.29m，满(man)足(zu)1∶500大比(bi)例尺(chi)低空数字(zi)航空摄影成图要求。

　　再利用CASS9.0软件中土方计算功能完(wan)成异常点剔除、计算边界界定以及基准确定等工作后，基于方格网法计算改造前后的土石方量。然后将传统GPS测量法计算得(de)到土石方量结果与无人机航测计算结果进行比较，结果为两种方案的挖方量相(xiang)差80.95m3，占总(zong)挖方量的0.4%，填方量相差1.59m3，占(zhan)总填方量的3.3%。

　　比较分析结果显示(shi)，采用无人机航测得到的土石方量精(jing)度(du)可以满足土石方量计算的一般(ban)工程测量规范要求，可用于(yu)工程项目土石方量计算。

　　研(yan)究(jiu)了采用无人机航测技术进行土石方量计算的流程以及数据处理法，结果表明(ming)，将无人机航测技术运用于工程土石方量计算有如下优势：

　　①相对于传统土石方测量方法，无人机航测技术更加机动(dong)、灵活，不受地形限制，在平缓、陡(dou)峭(qiao)地区均适用;

　　②数据采集更(geng)加快速，传统方法数据采集通常需要数周，该方法一般仅需1d就能完成，特别是当测量面积较大时其优势更加(jia)明显(xian);

　　③在测得地形高程数据同时，该方法获取了影像数据，可更加界定土石方的计算范围;

　　④所得的DEM为数字形式，可直接导入商(shang)业软件中进行计算分析，提高了计算效率(lv);

　　⑤无人机摄影测量减少了人员投入，减轻(qing)了外业工作量，节约了生产成本。

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