肖志龙 章耀峰
中交二航局第六分公司检测中心，湖北荆州 434000
摘要：以某地区污水处理工程为例，全面分析污水处理工程建设中，无人机提取土方量技术的数据采集、提取与输出。深入分析和研究了数据质量与影响因子的关系，明确不同设计标高类型的基底类型选择方法。利用该项技术，可以确保工程管理人员准确判断现场堆土量，确保土方工程施工顺序的合理化。
关键词：市政工程；无人机土方；快速测量
1、引言
污水处理项目工程组成多为半地下池体建筑、地下管线工程，当地下工程规模比较大时，需要频繁进行土方开挖与回填处理，属于污水处理项目的鲜明特点。在明确施工作业面土方开挖与回填基础上，基于有限空间范围，合理安排土方吊运与临时中转堆放，防止出现临时堆土场中转大于设计容量问题，全面发挥出临时设施的作用，确保工程建设的顺利性。在无人机技术发展过程中，由于数据采集及时性，成本低廉，能够为各行业提供无人机三维测量服务，全面进入到市政污水处理工程中。然而由于无人机技术数据读取复杂，市政污水土方测量数据提取质量不达标，因此应用限制较多。此次研究联合实践经验，以某地区污水处理工程为例，分析无人机土方快速测量技术。
2、无人机土方快速测量技术的应用优势
相比于常规测量技术来说，无人机土方快速测量技术的应用优势如下：第一监测效率高。第一，无人机土方快速测量技术监测效率高，因此被广泛应用于土方测绘中。由于土方测绘涉及范围广，且测绘数据非常多。当监测效率低下时，就会影响测绘水平，还会影响突发性事件的处理效率。无人机土方快速测量技术监测效率高，因此被广泛应用于测绘工作中。从上述分析能够看出，测绘工作对于监测效率的要求比较高。相比于其他测绘技术来说，无人机土方快速测量技术结合数码传感器、全球定位技术、飞行器技术，可以提升测绘效率。第二，灵活性高：相比于常规测量技术来说，无人机的体型轻巧，运行速度快。在运行期间无需驾驶员，能够减轻机体重量，提升运行与操控灵活性。通过应用无人机土方快速测量技术，可以监测区域环境信息，保证良好监测状态，提升测绘结果的准确度。
2、研究方法
2.1研究内容
按照污水处理项目施工组织，通过旋翼式无人机，在不同飞行高度航拍，通过获取低空航拍影像，获得现场三维点云、等高线、数字高程模型、正射影像图、临时堆土方量测算。
2.2研究方法
采用大疆无人机为平台，采集航向与侧向重叠度大于60%，飞行高度小于1.2m，以此拍摄低空影像，通过Agisoft软件，按照影像拍摄点记录空间位置，通过倾斜摄影测量技术，获得临时设施中的现场三维点云、等高线、数字高程模型、正射影像图，测算临时堆土方量。设置两组对照试验，对影像重叠度、航高等影响因素及成果数据质量进行分析。其中一组飞行高度相同，影像重叠度不同；另一组飞行高度不同，影像重叠度相同。
3、结果与分析
3.1选择时场平标高类型，测算分析土方量
经过计算可知，堆土坡脚边界曲面长度为429.34m，投影面积为11416.15㎡。堆土区坡脚边界形状不规则，无人机获得堆土区标高后，对堆土体积进行计算，明确基底标高。对堆土清运总土方量进行估算时，需要通过场平标高作为土方测算基底高程，以此明确土方清运量。采用软件计算时，按照地面形状、土地处理方式，将其转化为几何体，选择适宜的计算方法。现阶段，多种地理信息系统软件均能够多种场平标高类型算法，例如Agisoft软件，可以提供拟合标高、平均标高及单一标高。单一标高：标高为单一值时，堆土区使用完毕后，统一场平到统一标高的测算方式。平均标高：场平后地面标高值不同，可以形成近似坡面的土方体积测算方式。拟合标高：场平后，地面标高为多个不同值、且无规律可循。比如堆土区为临时借地，需按照原地形恢复。完成工程堆土区使用后，场平最终标高统一为180m，基底选择适宜单一标高的测算方法。此次工程在Agisoft软件中，采用volume计算方式，选择Above customlevel模式，输入场平标高，此时可以获得需清运土方量共计20332m3。如表1所示：
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3.2飞行高度、影像重叠度与数据结果的影响关系
使用无人机技术在固定范围测量时，当飞行高度相同时，影像重叠度不同，所采集的影像总数量不同，此时在提取成果时，会出现不同的累计误差量。当飞行高度、航线飞行方向、能见度、风速等指标不同时，会导致影像均方误、影像分辨率出现不同变化。为了全面分析和研究飞行高度、影像重叠度、数据结果质量的相互关系，设置不同对照实验，其中一组飞行高度相同，影像重叠度不同；另一组飞行高度不同，影像重叠度相同。
第一，基于不同高度，影像数据和成果数据质量：当航高相同时，正射影像的分辨率差异不显著。基于均方根值可知，影像像元位置的稳定性与准确度高，然而在生成数据Z值方向上，误差值差异较大。当影像重叠度持续下降，会加大误差值。按照此次实验结果，如果影像航向与侧向重叠度低于70%，极易导致高程误差范围大于1m，此时就会导致土方施工组织量偏差加大。当侧向重叠度与航向重叠度高于70%时，则误差小于1m。在野外作业时，由于风力与能见度影响不确定，在应用民用无人机测量时，应当减少使用70%以下的重叠度，以免由于补测所致外业量增加。
第二，通过表2数据可知，当高度不同、影像重叠度、成果数据质量相同时，随着高度的持续增加，影像分辨率的差异显著。飞行高度的持续增加，图像分辨率下降至5.89m，呈现出逐渐下降趋势；正射影像图的均方根值呈现出上升趋势，且超出1个像元。当风力与能见度良好时，提取土方体积中的Z值误差精度较高。然而在规划航线时，飞行器飞行方向、图像X方向及季风方向一致，飞行姿态会受到风速、误差分定位误差的影响，随着飞行高度的增加，方向误差值范围持续增加。在Y方向上，因和季风方向垂直，精度高。所以在一般精度条件下测定土方量时，选择低的飞行高度，以此降低风力与能见度对无人机飞行姿态、成像清晰度的影响。
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4、结束语
综上所述，此次研究选择无人机数据处理软件，分析污水工程中，提取中土方量提取流程与方法。在不同条件下，分析土方量计算基底高程选择条件、数据质量、无人机飞行高度、影像重叠度设置关系，获得以下结论：第一，市政污水工程土方量，在计算基底高程时，可以按照堆土区设计标高、后续使用方式，选择拟合标高、平均标高与单一标高方式进行准确计算；第二，基于相同的飞行高度，在影像重叠度持续下降时，影像成果提取数据质量会出现下降趋势。在应用普通无人机测算市政污水工程土方量时，不能选择航向重叠度、侧向重叠度小于70%的参数；第三，当影像重叠度条件相同时，在持续增加飞行高度后，会减小影像采集数量，便于节约计算机计算时间。然而数据精度与分辨率会呈现出下降趋势。当航向重叠度、侧向重叠度为85%时，飞行高度应当控制在147m以下。
参考文献
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