摘 要：随着科技的发展，勘测设计、规划建设的需求，工程测量也发生很大的变化，也越来越得到重视，作为工程建的勘测设计、施工建设的设基础数据，工程测量技术是指勘测设计、规划建设和管理运用中的测量理论、方法、和技术的总称，而土石方测量计算是工程测量里面一个很小的又必不可少的一部分，如何在现有GPS、无人机等先进设备和软件下更便捷更精确测量计算土石方，从而减少误差减少工程量损失。本文主要叙述如何利用GPS、无人机等先进设备下如何更精准的采集数据，和处理数据从而使工作更便捷更精确。
关键词：GPS、无人机、精准采集数据、处理数据
1、引言
随着国家规划发展越来越多的工程上马，为确保工程建设的经济性，工程建设的利益最大化。土石方测量计算的正确与否直接关系到项目投资预算建设等经济利益，因此土石方计算正确与否对工程至关重要。土石方测量中快速、准确和安全计量的需求和采用传统方法作业过程中存在的外业工作量大等问题，研究无人机航空摄影测量技术的工作原理及其在土石方测量中的应用方法，解决了传统方法作业过程中存在的外业工作量大、效率低、费用高等难题。以实例介绍了无人机航空摄影测量在土石方测量中的应用过程，通过外业数据采集、内业数据处理得出土石方量，分析了测量精度。实验证明，该方法可达到相应国家规范的土石方计算精度要求，且快速安全，避免了大量人工作业，降低了人员安全保障投入，提高了生产效率，节约了生产成本。
2、传统测绘规范、数据采集及数据处理
传统的数据采集设备有全站仪、GPS、水准仪等设备，平面可以采用80坐标系或2000坐标系，高程系统可以采用黄海或85高程系，外野采集依据根据国家规范：
2.1传统的土石方野外数据采集及注意事项
（1）按甲方现场指定范围进行测量。
（2）现场踏勘现场交通情况，场地地形，场地大小，周边建筑物或场所是否对测量有影响，确定选取什么样的方法测量更好，现场是否有淤泥，测量时是否需要雨鞋等。
（3）测区内所有居民地，独立地物，管线及栏栅，道路，水系，植被等各项地物，地形要素，以及地理名称注记等，均在地形图上表示。
（4）各类建筑物，构筑物及主要附属设施，按实地轮廓准确测绘，房屋以墙基角为准，并按建筑材料和质量分类（即注“ 砼”“混”“砖”等），并根据结构分层表示及注记层数
（5） 地貌以等高线表示为主，明显的特征地貌（如陡崖、冲沟等）以符号表示。从零米起算每隔四根首曲线应绘一根计曲线，即0、5、10……，并在计曲线上注记高程。山顶、鞍部凹地及斜坡方向不易判读的等高线上，应加绘示坡线。遇到山顶、鞍部，山脊、山脚、谷地、谷口、沟底、沟口以及其它地面倾斜变化处，均测高程注记点，高程注记取至小数点后两位。
（6） 测区内所有的公路，大车路，乡村路，小路均有测绘。公路及双线道路在图上均按真宽依比例尺表示，公路，街道按其路面材料划分为水泥，沥青，碎石，砾石，和土路等，以文字注记在图上，铺装材料改变处用点线分隔。公路里程碑为实测其点位，并注明了里程数。
（7）河流，沟渠，池塘等各种水工设施均有表示，沟渠宽度小于1米以单线表示，堤坎均测注了顶部及底部及坡角的高程。
（8） 图上所有居民地，道路，河流等自然地理名称，以及单位名，均进行了调查核实并正确注记在图上。
（9）地形图内业编辑采用CASS 软件，严格按照软件要求进行地物、地貌编辑，各种注记的字体大小，字型，方向按《图式》规定执行。
（10）根据计算原理，必须按地貌地形特征取点，特别是地势变化坡坡底线、陡坎边线、水沟底水沟边线等。
（11）每次测取土方计算区域边线相应，且任何相邻三个测点构成的三角形不宜为 150°以上的钝角三角形。
2.2传统的土石数据处理计算
（1）传统的土石数据处理计算方法主要有DEM法、方格网法、断面法和等高线法这四种方法，本文讲述一下DTM法土方计算。
（2）利用南方CASS地形地籍绘图软件，采用DTM法土方计算里的计算二期间土方来计算填方量。根据两次不同时间地形图分别生成三角网数据，然后根据DTM法土方计算中的计算两期间土方的方法算出挖方量和填方量。具体步聚为：①在原始地形图和施工后地形图上，实测求得施工范围；②两图分别建立DTM；③建立DTM后，形成三角网图，由三角网图分别写入文件，分别为施工前.sjw，施工后.sjw；④形成三角网数据文件后由DTM法土方计算中的计算两期间土方计算得土石方填方量。
3、航空摄影测量测绘规范、数据采集及数据处理
现代化数据采集设备有无人机、无人船、GPS、水准仪等设备，平面可以采用WG84大地坐标系或2000坐标系，高程系统可以采用85高程系，数据采集依据根据国家规范：
3.1航空摄影测量野外数据采集及注意事项
（1）按甲方现场指定范围进行测量。
（2）现场踏勘现场交通情况，场地地形，场地大小，周边建筑物或场所是否对测量有影响，需要带那些设备现场是否有鱼塘、河流水域等有水域的查看能否使用无人船数据采集。使用无人机飞行作业区域审查要确保飞行区域内不包含飞机场及军事设施等敏感区域且远离禁飞区。使用Google Earth确认飞行区域的地物高度，保证飞行高度至少要高于区域内最高障碍物150米。
（3）根据地形地貌要求做相应像控控制点，求好测区参数，根据无人机调整参数飞行模式，外场作业区域很多均为给定的KMZ格式的Google Earth文件，在使用地面站软件进行航线规划时需要读取该KMZ文件，在地面站软件中我们导入测区文件后会需要导入地图文件，但是地图文件的类型不同，显示位置也会发生变化，航测参数设定。根据航飞现场情况，确定各项飞行参数，完成航测数据采集工作。
3.2航空摄影测量土石方数据处理计算
（1）航测数据处理对采集完成的两期航测数据采用Pix4Dmapper软件进行数据处理(图1)。
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（2）在计算机处理过程中，地表面模型DEM 的主要数字表现形式是不规则三角网TIN，故土石方量计算主要是利用TIN进行的。因此，需要将改造前地表DEM 生成的TIN 和改造后生成的TIN 叠加，形成交线，即是场地开挖过程中开挖区与回填区的分界线。通过计算每条分界线所包围成的封闭区域的体积大小，就可以计算每一个开挖区与回填区的体积，然后对每个开挖区与回填区进行累加，即为所求区域里土石方的挖方与填方量。
4、无人机案例及精度分析
4.1现代化应用案例
在内蒙古露天矿测绘勘察中通过无人机进行快速航拍，获取矿山的高分辨率影像，得到正摄影像图和三维模型等，实现矿区的动态监测。
（1）测区分析
露天矿测区位于内蒙古自治区某地，矿区环境复杂，传统人工测绘难度大且效率低下。
（2）精度分析
此次无人机航摄获取的影像用于制作1:500数字正摄影像（DOM）供矿方进行测绘勘测，同时需要生成数字三维模型可以更加形象直观勘测，无人机航飞中获取的影像地面分辨率（GSD）为4cm。
（3）飞行方案设计
测区面积约1.7平方公里，地形为丘陵地貌，平均海拔约1400米。根据矿方需求，本次飞行方案设计地面分辨率4cm。航向重叠率为80%，旁向重叠率为70%。测区飞行作业1架次，飞行相对航高平均为280m。
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原始航摄影像
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（4）空三解算成图
采用Pix4Dmapper无人机影像处理软件对无人机影像进行空三解算处理后，经过点云加密、正摄纠正，影像镶嵌等处理，完成点云、三维模型、DSM、DOM数据生成。
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DSM成果
数字三维模型
（5）矿山定量分析：
根据成果数据，对矿山进行定量分析。
1）量距
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5、原理分析
（1）改造前后两期地形的土石方量计算主要流程如下：将改造前的点云数据DEM 导出为文本格式，并导入Autodesk的Civil3D软件中，生成TIN曲面模型。对改造前的地形进行分析，统计各处最大高程、最小高程以及各高程区间范围(图1)。
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图1、改造前地形TIN曲面模型分析结果
(2)将改造后的点云数据DEM 导出为文本格式，并导入Autodesk的Civil3D软件中，生成TIN曲面模型。对改造后的地形进行分析，统计各处最大高程、最小高程以及各高程区间范围(图2)
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图2、改造后地形的TIN曲面模型分析结果
(3)在正射影像上圈出需要计算土石方量的区域，并用确定的边界对该区域地形的TIN曲面模型进行提取(图3)。无人机航测可同时得到测量区域影像，可直接在影像上确定土石方量的计算范围。
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图3 确定土石方量计算范围
(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考基准，计算改造后地形的填方量和挖方量(图4)。
(5)统计分析两期地形变化，得出填挖方量结果，输出土石方量报告：投影面积14814.51m2，挖土石方量18740.80m3，填土石方量47.28m3
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图4、改造前后地形的填挖方量结果
5.1精度分析
（1）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特征点各80个，记录各点平面坐标、高程及每个点对应的实地位置作为检查点。从两期地形模型中提取各检查点对应位置的模型点坐标与检查点坐标作比对，进行精度评估。
（2）先利用两期测量的各80个检查点分别对两次航测的平面、高程进行精度分析，结果为地形改造前平面中误差±0.27m，高程中误差±0.30m，改造后平面中误差±0.33m，高程中误差±0.30m，满足1∶500大比例尺低空数字航空摄影成图要求。
（3）再利用CASS8.0软件中土方计算功能完成异常点剔除、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差80.95m3?，占总挖方量的0.4%，填方量相差1.59m3，占总填方量的3.3%。
（4）比较分析结果显示，采用无人机航测得到的土石方量精度可以满足土石方量计算的一般工程测量规范要求，可用于工程项目土石方量计算。
6 结语
采用无人机航测技术进行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、灵活，不受地形限制，区均适用于北方大面积及平坦地方；2、数据采集更加快速，传统方法数据采集通常需要数周，该方法一般仅需1天就能完成，特别是当测量面积较大时其优势更加明显；3、减少了人员投入，减轻了外业工作量，节约了生产成本。
参考文献
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[2]《全球定位系统GPS测量规范》（GB/T 18314-2009）
[3]《国家三、四等水准测量规范》（GB/T 12898-2009）
[4]《全球定位系统实时动态测量RTK技术规范》 CH/T 2009-2010
[5]《国家基本比例尺地图图式第1部分：1：500、1：1000、1：2000地形图图式》
[6]《全球定位系统GPS测量规范》（GB/T 18314-2009）
[7]《国家三、四等水准测量规范》（GB/T 12898-2009）
[8]《全球定位系统实时动态测量RTK技术规范》 CH/T 2009-2010
[9]《1：500 1：1000 1：2000 外业数字测图技术规程》（GB/T14912-2005）
[10]《国家基本比例尺地图图式第1部分：1：500、1：1000、1：2000地形图图式》
[11]《数字航空摄影测量 测图规范第1部分1：500,1：1000,1：2000数字高程模型数字正射影像图数字线划图》CHT/ 3007.1-2011
[12]《 1：500、1：1000、1：2000地形图航空摄影测量内业规范》GB／T 7930-2008等