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摘要：土方量估算是工程建设中的初期的重要环节，应用传统测量手段估计土方量费时费力，存在外业量大、作业时间长、作业效率低、作业成本高等问题。无人机实景三维技术外业数据获取简单高效，将作业重点迁移至内业数据处理，完美解决了传统测量手段令人头疼的外业问题。本文在某场地平整项目中，分别通过RTK、无人机实景三维模型两种技术手段获取场地标高，并对土方计算成果加以对比分析，结果表明：无人机实景三维技术在工期和成本上较RTK方法明显减少，同时精度满足常规工程需要。

关键词：无人机；倾斜摄影测量；实景三维模型；土方量

0 引言

土方量的估算在众多领域都起着关键作用，例如场地整平、土地复垦、施工建设等，可以说土方量的估算在这些项目中是必不可少的重要环节。无人机倾斜摄影测量发展迅速，以一种非接触的测量方式获得高分辨率的航测影像，以此重建测量目标的实景三维模型，现已在地图测绘、环境检测、抢险救灾、农业植被覆盖等领域得到广泛应用。本文将基于无人机实景三维技术应用于某实际生产项目的土方计算中，以研究其可行性与可靠性。近年来，有较多学者研究了新技术条件下的土方测量技术，以图解决外业繁重或计算精度不高的问题[1-7]，这些研究在一定程度上为无人机实景三维技术估算土方量提供了理论上的参考。

1 无人机实景三维重建技术

1.1 无人机航测

无人机倾斜摄影测量作为一种新兴的非接触式测量技术，具有场地限制小、作业效率高、摄影精度高、节约成本、缩短工期等诸多优点，尤其是小范围作业时，或者在场地受限时（传统大飞机难以作业）小型无人机作业优势明显。传统的摄影测量对飞机上搭载的相机有极为严格的要求，相机镜头的畸变参数必须精确详细，因此在传统的摄影测量中机载相机都是专门配置的，当前数码相机发展十分迅速，已经可以应用到航测中了，而且随着相应软件的成熟已经可以反算相机镜头畸变参数。小型无人机与数码相机的组合因而受到广大测绘机构和测绘工作者的青睐。无人机航拍可广泛应用于国家重大工程建设、灾害应急与处理、国土监察、资源开发、新农村和小城镇建设等方面，尤其在基础测绘、土地资源调查监测、土地利用动态监测、数字城市建设和应急救灾测绘数据获取等方面具有广阔前景[2]。

1.2 实景三维模型

通过无人机航测获取测区影像，经过空三、建模等处理后可获得测区的实景三维模型。实景三维模型由顶点、瓦片（三角面）、法向量和纹理构成，模型中任意一点的三维坐标可由其所在瓦片的三个顶点坐标内插获得。由影像处理得到的真实纹理信息大大增加了实景三维模型的辨识度和可读性。

当前实景三维模型在诸多领域被广泛应用，如数字城市、BIM模型、DEM提取等。就土方估算而言，高程点的提取尤为重要，通过实景三维模型提取的高程点精度不逊色于传统测量手段[4]。

随着机载RTK（机载差分系统）的快速发展，在目前的摄影测量工作中已经可以在一定程度上减少甚至免除实地的像控点，这样得到的摄影测量数据满足1：500地形图的精度要求是没有压力的。减少了外业像控点的布设就进一步的减少了外业的工作比重，因而可以真正做到在保证精度的前提下当天施测当天建模。

以往的土方量估计工作通常是采用人工测量的方式，但这样的测量方式存在工作强度大、工序繁杂、耗工费时、成本高等问题[5]。随着现代科技的不断发展，测绘行业对地理信息数据的准确性、时效性要求也越来越高，人工成本和时间成本也为行业带来巨大的压力和负担，因此，测绘行业迫切需要能够快速、高效、准确地获取地理信息和数据的解决方案。无人机三维实景模型上直接采集地形要素的解决方案，利用倾斜摄影侧面信息可用的特点，快速获取城市的地物信息。这种新的采集模式在很大程度上调节了测绘内外业的协同工作比例，把以往需要的大量外业工作转变为内业工作，降低了外业劳动强度，提高了作业效率。

2 基于实景三维的土方量估算

2.1 技术流程

（1）勘察测区选择合适的像控点，利用RTK技术测量像控点坐标。

（2）在天气适宜时完成无人机航摄，至此外业数据获取任务全部完成。

（3）将获取的影像进行空三加密处理，根据控制点坐标完成像片控制点刺点。

（4）利用软件建立实景三维模型。

（5）在实景三维模型上提取高程点。

（6）计算土方量并出图。

2.2 外业工作

2.2.1 测区勘察及像控点测量

测区位于湖南省长沙市，地形比较平坦，植被覆盖面积小，这样的测区环境有利于在实景三维模型上提取高程点。

像控点应选在醒目且稳定性好的位置（不宜被破坏），在本研究中，像控点主要选取在斑马线、道路中心线尽头等特征明显的位置上。

2.2.2 无人机航摄

采用的无人机为PHANTOM 4 RTK（大疆精灵4），机身预装机载D-RTK，可提供厘米级高精度准确定位，实现更为精准的测绘作业。相机使用1英寸CMOS图像传感器，配合高精度防抖云台，可稳定拍摄2000万像素的照片。

外业航线规划通过无人机自带软件完成（摄影参数采用3D“井”字模式的默认值），飞行过程由机器自主完成并返回，具体空中相机位置与测区关系可见图3。

2.3 内业工作

2.3.1 空三及建模

在Context Capture中新建工程，添加外业获取的测区影像，在确认影像无误后即可开始空三运算，空三检查无误后即导入像控点。完成以上步骤后进入模型重建流程，设置模型坐标系、选择瓦片类型（规则/不规则），选择输出产品格式（本研究中选用的格式为osgb）。最后生成的实景三维模型如图4所示。

2.3.2 高程点提取

在CASS中安装CASS3D插件，打开测区实景三维模型，选点过程中应尽量避免选取非地面点，如果需要选取非地面点，以树顶点为例，应将高程值减去树高。

完成高程点提取后利用软件自动生成网格，并计算土方量。

3 实验对比

为对比无人机实景三维技术在土方测量中的可行性与可靠性，本研究对同一测区进行传统地面RTK测量。两种技术所获取高程数据均采用网格法计算土方量，其网格坐标及大小均相同，此外高程点的选取也尽量相同（点位、密度），方便对比土方量计算成果。

GPS RTK方法实地测取高程点，其高程点位及土方量估算如图5所示。

及土方量估算图       高程点位及土方量估算图

由实景三维模型提取的高程点位及土方量估算如图6所示。

由RTK方法和无人机实景三维技术测得的填、挖方量详见如下表1。

由上表可见，两种方法相差非常之小，远低于经验限差5%。

4 结论

本研究将基于无人机实景三维技术的土方量估算方法和传统RTK测点的土方量估算方法进行了对比，以此分析了基于无人机实景三维模型技术的土方量估算方法的可行性及其精度，综合讨论了无人机实景三维模型技术估算土方量的优势：1）实景三维方法可以大大缩短外业工期，节省了人力物力提高工作效率和经济效益；2）通过于传统RTK方法的对比，验证了基于无人机三维实景模型技术估算土方量在精度上的可行性，完全全满足常规工程项目估算土方量时的精度要求；3）实景三维技术所获取的模型保留了原始地貌，在出现争议时可作为判断依据。

参考文献：

[1]冯凯月，马利霞，陈洋，王鑫，宋洁，于东升.利用地基激光雷达估算不同地表条件下土方量[J].农业工程学报，2021，37（23）：90-99.

[2]孙杰，谢文寒，白瑞杰.无人机倾斜摄影技术研究与应用[J].测绘科学，2019，44（06）：145-150.DOI：10.16251/j.cnki.1009-2307.2019.06.021.

[3]刘慎栋，张成林，徐耀汉，孔凡合，王文忠.三维激光扫描仪在土方量估算中的应用[J].测绘通报，2015（10）：135-136.

[4]曲林，冯洋，支玲美，高文慧.基于无人机倾斜摄影数据的实景三维建模研究[J].测绘与空间地理信息，2015，38（03）：38-39+43.

[5]吴长福，夏正清，廖廷宇.基于MapGIS的土方量估算[J].测绘与空间地理信息，2014，37（03）：185-188.

[6]刘敏.利用地形图估算土方工程量的一种新方法[J].吉首大学学报（自然科学版），2011，32（03）：39-41.

[7]方俊.大型场地平整土方量计算及其设计标高估算[J].重庆建筑大学学报，2004（05）：101-104.