基于无人机与土方测量的应用

王士兵 陈树忠 张明华 耿宪东 孙广鹏 潘旭东

山东华聚能源股份有限公司 山东济宁 273500 北京三维麦普导航测绘技术公司 北京 100107

摘要：利用无人机进行数据采集，结合三维建模技术进行建模，提取三维建模技术中的密集点云，将点云导入到土方计量软件中进行土方计算。通过这个方法，解决了在传统作业中花费人力多、工作量大、成本高、效率低、内业处理复杂和计算精度不准的问题。

关键点：三维建模、土方计算

1 无人机倾斜摄影测量系统

1.1无人机倾斜测量技术

无人机作为一种数据采集平台可以快速、高精度地进行拍摄可以有效地获得高质量、高分辨率的图像。倾斜摄影测量数据可以获得高精度、高分辨率的数字地表模型（DSM），能够充分表达地形地貌特征和地表特征。它可以同时输出带有经纬度坐标和高程的图像数据，并可以在图像数据中进行测量^[1]。

通过倾斜摄影技术可以进行三维建模，这个过程通常进过预处理影像、区域网联合平常、多视影像匹配、生成数字地表模型，真正射纠正、三维建模等过程。

1.2无人机倾斜测量系统组成

无人机倾斜测量系统由无人机、无人机地面站及内业处理软件组成。

2 倾斜数据采集方法

本文的无人机采用M200 RTK V2进行外业数据采集，数字表面模型通过photoscan软件进行生成。Photoscan软件可以利用照片、经纬度、高程等数据建立模型，并可以参考其他数据如无人机姿态角、照片姿态参数等数据来提高模型精度^[2]。

外业采集中需要无人机飞行航线采用S行路线，为了保证照的精度和重叠率，在飞行时设置飞行高度50米，重叠率为航向重叠率70%旁向重叠率70%.

3 Photoscan软件三维建模

利用Photoscan对采集数据进行处理，流程主要如下：

1. 多视几何影像匹配。将采集的数据如地物影像、经纬度坐标等数据导入Photoscan，对导入的数据进行处理生成稀疏点云。

2. 密集点云。在取得采集地物的稀疏点云后，通过对应的算法对稀疏点云进行计算生成密集点云。在生成的密集点云中，往往会混杂这许多除目标地物的其他地物，如植被、建筑物等其他数据。在土方计算中这些数据是无效的噪点，通过目视修正结合实地踏勘和采集的数据，将无效的点云数据进行重新分类或者剔除。

3. 获得密集点云后进行自动化的网格化处理及生成纹理步骤，最后生成模型^[3]。

导入数据

稀疏点云

建立密集点云

生成网格

生成纹理模型

检查数据

失败

导出密集点云

4 土方计算

将Photoscan在生产模型过程中产生的密集点云导入到土方计算软件。土方计算软件会根据实测的地面数据和高程显示一个由密集点云组成的模型。软件根据密集点云数据建立不规则的三角网，根据三角网计算形成的每个三角区域，最后将所计算的所有三角形面积求和，计算测出土方量。

5 土方计算案例

5.1测区概况

测区位于中国境内某电厂，测量电厂用于焚烧的煤。

测区范围

5.2航线规划

根据测区的环境和数据采集精度要求，设计出无人机的最佳飞行路线，综合考虑无人机的速度、能耗和飞行面积，保证无人机快速高效地完成数据采集任务。本次采用大疆M210 RTK V2无人机采集数据，采用的航线规划软件是DJI Pilot。根据测区范围规划五个航线，由1个正视影像和4个侧视影像组成，航线高度40米，航向重叠率70%、旁向重叠率70%，照片数量78张^[4]。

5.3像控点规划

本次飞行范围较小，且附近无特征点或者标志物适合做像控点，但是采用的无人机带有RTK技术，所以这次无人机飞行采取无像控点模式采集数据^[5]。

5.4建立三维模型

无人机数据采集完成后，对采集的数据进行检查，查看采集数据的照片是否完整、亮度是否合适、GPS信息是否有效，在确认数据完整有效后，将数据导入photoscan进行数据处理建立模型^[6]。

5.5土方计算

从三维模型软件中导出密集点云数据，将密集点云数据导入土方计算软件，土方计算软件会形成一个由密集点云组成的模型。

由密集点云进行2D构网可生成立体模型。

构成模型后清除无效和无用点，进行土方计算。

计算完成后，土方计算软件将自动弹出提示框将计算的数据显示出来，点击输出报表将自动生成格式化的报表。

6 总结

通过对无人机技术的研究，针对土方测量建立了完整的一套无人机倾斜摄影土方数据采集技术，利用无人机三维建模产生的密集点云进行计算，解决了传统土方测量时精度低、时间长的问题。有效的的节约了土方计算的成本。

参考文献：

[1]刘兆慧. 无人机倾斜摄影测量在土石方量算中的应用[J].测绘与空间地理信息.2019,(42):9:188-194

[2]杨景梅.贴近式倾斜摄影测量在土方工程决算的应用研究[J].建筑与预算.2020.6:21-24

[3]郭岚.基于无人机倾斜摄影测量的土方量测算技术[J].测绘标准化.2020.(36):1:50-53

[4]刘晓燕.基于无人机倾斜摄影测量的土石方量算[J].测绘技术装备.2020.(22):1:51-54

[5]杨成波.倾斜摄影测量在土方计算中的应用[J].资源环境与工程.2019.(33):2:264-269

[6]吴迪.消费级无人机在土方量计算中的应用实践[J].河南科技.2020.(699):1:16-19