黄俊岚 陈凯 薛慧芳
中国建筑五局总承包公司,湖南省长沙市410000
摘要：本文将以九江红光物流园项目土方测算为例，记录和剖析土方测算过程，将无人机倾斜摄影技术土方测算对比传统测量的土方方量，验证其实用性，并对无人机土方测算过程中出现的问题给予建议。
关键词：无人机倾斜摄影技术；土方测量
0 引言
目前对于超大面积施工场地的土方测量而言，使用方格网法、不规则三角网法等方式测量土方时工程量较大、时效低，存在一定局限性。《住房和城乡建设部等部门关于加快新型建筑工业化发展的若干意见》推广精益化施工中要求优化施工工艺工法、提高施工质量和效益。在土方测量阶段，无人机倾斜摄影技术能将无人机摄影图片数据转换成实体模型，计算土方工程量。
1 项目概况
九江红光物流园项目位于九江市彭泽县和湖口县交接处，由中国建筑第五工程局有限公司承建。项目占地64.96万㎡，约974亩，总投资7.29亿元。红光物流园项目是红光国际港的配套设施，红光国际港港口建成后，将成为江西省规模最大的综合货运母港，并成为江西省通江达海的国家级一类口岸。
本项目场地北侧和东侧多为荒草地、鱼塘，地势较低；西南角多为垅岗、山坡，地势较高。整个场地高低起伏较大，总挖方约173万m3，总填方约104万m3，外弃土方约69万m3。
2.相关技术现状
2.1无人机倾斜摄影技术
就超大面积场地而言，难以在有限的时间及空间内对其进行精准、高效的地理测算。因此，无人机倾斜摄影技术应运而生。其借助三维建模技术原理，在整个无人机上搭载传感器，并从多角度进行图像信息的采集，包括俯视、前斜视、后斜视、左斜视、右斜视五个角度。
在市面上有同时搭载五个镜头的专用无人机设备，该设备能快速、高效的获取图像信息，但是价格较高昂，适用性不广泛；在本工程航摄过程中，笔者使用无人机型号为大疆mavic 2 pro的普通民用无人机，其性价比较高，大多数项目都承担得起费用，操作性较强。该款无人机主要由飞行器、全角度云台（相机）、控制器、外接显示设备等组成，可用于进行地理环境三维扫描。
2.2现有土方方量测算方式
野外实测比较常用的土方测量方法为方格网法、不规则三角网法。方格网法是将场地划分为若干个正方形格网，并对离散点数据进行二项式加权游动平均，得到一个高程内插的新值，然后计算每个四棱柱的体积，将所有四棱柱体积累加，即得到总土方量。不规则三角网法（DTM法）是利用实测地形碎部点、特征点进行三角构网，对计算区域按三棱柱法计算土方，同样累加得到总土方量。不管是方格网法，还是不规则三角网法，虽然在现阶段能够借助GPS和相关软硬件能极大提高运算效率，但总来说这两种方式都存在一定的固有误差，而且在数据收集阶段，必须要耗费较多的人力进行测量。
3.无人机土方测量过程
3.1无人机数据采集
为保证影像重叠率，在无人机实际飞行操作中，手动控制无人机飞行难以保证图像信息的有效性。鉴于此，本项目采用RockeyCapture飞控软件辅助大疆mavic 2pro无人机飞行。此飞控软件是由控制器操作者框定无人机五向倾斜摄影的飞机区域，再由软件自动生成飞行轨迹，从而使无人机按区域轨迹飞行，既解决了获取数据的难题，也节省了飞行时间。
本次飞控区域选定为项目西南角未开挖完的山区。该区域占地面积约为2.2万平方米，相对场外路面标高约为15~48m。笔者准备了无人机电池五颗，在设置航高为60m、航向重叠率为80%、旁向重叠率为80%、变高精度、相机参数、航向等参数后无人机开始按预设轨迹飞行。无人机飞行用时约55min，拍摄影像1009张，消耗电池电量4颗。
3.2无人机数据分析
笔者使用软件为RockeyCapture配套无人机数据处理软件。
该软件可对航拍相机进行检校，对航摄影像进行后处理，生成多维产品。其分析流程为：特征提取、影像匹配、空间三角测算、转换坐标、生成点云或三角网等。将所有无人机影像导入至无人机数据处理软件，按需修改相关参数。此次分析只求土方方量，只需导出软件自有格式即可。本次无人机飞行影像数据处理生成三维模型共计用时4h40min。
3.3三维模型土方方量测算
框选土方区域，设置边界点标高，软件自动计算框选区域内土方体积，即土方方量。其软件计算流程为：根据地形特征进行区域划分，近似简化，采取合适的测量方法取得地形三维特征数据，三维重构得出计算结果。此次计算土方方量为43.34万立方米，用时约20min。
4.两种测量方式分析及对比
两种土方测算方式结果如下：
1.无人机数据采集、数据分析、测算共计用时约6h，方量计算为43.34万平方米。
2.项目测量员使用GPS对此区域进行了土方测算。其测量用时约12h，计算用时约7h，共计用时19h，方量计算为43.25万平方米。
两者比较，无人机测量相对传统测量耗时较短，且无人机数据获取比起测量员使用GPS获取数据更轻松、高效，人为干预较少；二者计算数据差别不大，若项目以测量员方量检测为准，那么无人机方量将略大于实际方量。笔者分析其原因如下：
1.检测区域内约有15台机械设备，包括挖机，渣土车等，在识别无人机影像三维成图过程中，软件将其默认为区域构筑物，土方方量计算包含了机械设备的体积。
2.软件在识别在光线不足区域、无人机倾斜未拍摄到的区域或影像分辨率不高生成三维模型时，在此部位将插值自动填充网格，与现场实际存在差异，导致方量存在误差。
总之，无人机能在较短时间内计算高精度的土方方量，其值具有极大的参考价值。而在红光物流园项目实际生产建设中，无人机土方测量已被认可并大量使用。
5.无人机测量土方的问题和建议
笔者在使用无人机操作及软件操作过程中，遇到了不少难题，在解决这些难题后总结了保证无人机正常获取数据、软件准确生成计算结果的影响因素，如果能在日后使用过程中避免这些问题，将能在短时间内精确获取土方方量：
1.无人机受天气因素影响较大。在雨雪甚至大风天气时，无人机无法起飞、强制起飞后镜头抖动厉害、雨水影响相机影像正常获取。
2.无人机续航问题。首先是无人机的电池容量问题，笔者使用的大疆mavic 2 pro每颗电池实际可飞行时间仅为25min，所以在一般区域测量时，需准备多块无人机电池。但是在超大面积区域、高精度获取影像信息的情况下，无人机电池易供不应求，而且无人机长时间飞行后易过热宕机。所以若需无人机扫描较大区域，建议将其分块处理。
3.影像识别处理问题。在软件分析无人机航拍影像时，现场停放的机械设备或是原生态环境中的植被等都被视为“土方”计算方量。因此，为保证数据的准确性，无人机获取数据时机械设备宜做清场处理或土方自动计算完成后扣减一定方量。
4.无人机拍摄时间的局限性。拍摄时间需选取在机械设备较少且未运作阶段，这是保证模型准确的基本要求。同时，为了不影响现场施工进度，又能满足拍摄需求，尽量将拍摄时间放在中午机械设备非工作时间。
参考文献：
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