基于无人机倾斜摄影测量技术的土方量测算研究
——以广西某高校建筑工地为例

陈元洪，潘少炜，葛豪宇，黄 玲

1.武汉市勘察设计有限公司，湖北 武汉 430022

2.桂林理工大学测绘地理信息学院，广西 桂林 541004

土方量的计算是道路、隧道、城市规划等工程建设中的一个重要环节，经济、高效的土方量测算方法能有效加快工程进度，降低建设成本[1]。传统的土方量测量方法有全站仪、RTK、手持激光扫描仪等，这些方法存在效率低、人工成本高、在复杂地形中危险性大等局限性。随着无人机技术的迅速发展，基于无人机搭载相机组成的遥感平台得到广泛应用，采用倾斜摄影测量技术三维建模能够获得地面高精度三维模型及点云等数据，具有自动化程度高、成本低和作业范围广等特点，为工程土方量的计算提供了稳定、准确的数据源[2]。

国内有学者对方格网法、DTM 法、断面法、DEM 法等土方量计算方法进行了对比分析研究[3-6]。DTM 法精度较高，适用于地形起伏大的区域；方格网法在平坦区域精度高；断面法适用于一些特定的工程，多用于带状区域。还有一些学者研究了基于GIS 软件的DEM 法计算土方量[7]，发现其精度非常高，能够满足大部分工程的精度要求。不同的土方量计算方法适用于不同的地形地貌或特定的工程项目。目前，方格网法和DTM 法的土方量计算结果已被行业广泛接受。

此次研究以广西某高校建筑工地为研究对象，研究小组采用无人机倾斜摄影测量采集倾斜数字影像，构建研究区的三维模型，提取高程点数据，计算出土方量结果，并与GNSS﹣RTK 测量法得到的土方量结果进行精度对比分析，验证基于无人机倾斜摄影测量的土方量计算方法的准确性。

1 无人机倾斜摄影测量技术

倾斜摄影测量是摄影测量与低空遥感的结合体。无人机倾斜摄影测量技术是以无人机为平台搭载相机多角度影像采集的技术，能够同时获取1 个垂直视角和4 个倾斜视角的影像，得到的高分辨率影像中含有丰富的纹理信息，使得构建的三维模型更加逼真。三维模型不仅包含了地形和构筑物的位置信息，还有高程、体积、面积和角度等信息。这些数据经过处理后可以得到数字线划地图、数字正射影像、数字表面模型、三维实景模型等丰富数据成果。无人机倾斜摄影测量工作仅需要少量人工参与，数据采集过程几乎全自动化，所需人力物力成本低、效率高。

无人机倾斜摄影测量技术数据处理流程通常包括影像预处理、多视影像联合平差与密集匹配、三维建模等[8]。

（1）多视影像联合平差。通过自检校区域网联合平差的误差方程解算出较高精度的平差结果。

（2）多视影像密集匹配。倾斜影像使地面上的物体几何变形大、分辨率变化大[9]，因此，多视影像密集匹配技术的准确性对空中三角测量质量的影响极大。

（3）三维建模。利用多视影像密集匹配得到高精度、高密度的点云构建出TIN 模型，生成基于倾斜影像纹理的高精度三维模型[10]。

2 研究区和数据获取

2.1 测区概况

研究区为广西某高校住宅区内一处建筑工地，测区约8 000 m2，三面靠近围墙，一面紧挨树林，地处低纬，相对高差约8 m，除西侧被树木部分覆盖，其余均露天无遮挡，适合开展此次土方量测算试验。

2.2 数据来源

2.2.1 无人机影像

此次研究基于无人机倾斜摄影采集影像332 张，采用的大疆精灵4 Pro 是四旋翼单镜头无人机，完全达到倾斜摄影采用五向飞行的条件。具体飞行方式：首先镜头朝下覆盖全区域飞行1 遍；然后将相机镜头调整为倾斜角45°，分别从东往西、从西往东、从南往北、从北往南覆盖全区域各飞行1 遍。无人机倾斜摄影参数如表1 所示。

2.2.2 GNSS_RTK 采集点

根据像控点测设要求和测区情况，此次研究均匀布设了9 个像控点，采用2000 国家大地坐标系，高斯—克吕格投影3°分带，中央经线为111°；采用1985 国家高程基准，利用GNSS﹣RTK 采集高程点。三维模型提取的高程点采用面提取，每间隔2 m 从三维模型中提取1 个高程点。

表1 无人机倾斜摄影参数表

2.3 数据处理方法

在获取满足质量要求的航摄影像后，研究小组开始对获取影像进行处理。采用Context Capture Center 软件对倾斜影像进行空中三角测量计算和实景三维建模，再从得到的OSGB三维模型数据中提取高程点数据，最后计算土方量。综合考虑测区实际情况，研究小组在进行方格网法和DTM 法土方量计算时均采用了2 m、5 m、10 m 的间隔，这样不仅可以得到较高的精度，也便于成果质量检验和2 种外业采集方法的相互验证。此次研究的主要技术路线如图1 所示。

图1 技术流程图

3 实验结果和精度分析

3.1 GNSS-RTK 法测算土方量结果

GNSS﹣RTK 法测量的土方量结果如表2所示。

3.2 无人机倾斜摄影测量法结果

无人机倾斜摄影测量的土方量结果汇总如表3 所示。

3.3 分析与评价

此次研究采用无人机倾斜摄影测量法和RNSS﹣RTK 法2 种方式测得土方量原始数据，再计算和比较土方量测量结果。此次研究设计的标高为152 m，仅存在挖方，不存在填方量。成果统计如图2、表4 所示。

表2 GNSS-RTK 法测量土方量结果汇总表

表3 无人机倾斜摄影测量法测量土方量结果汇总表

图2 土方量柱状对比图

由表2 可知，基于GNSS﹣RTK 法测量土方量的结果，方格网法和DTM 法在10 m 格网间隔上的差值最大，为1 672.6 m3；在2 m 格网间隔时最小，为39.5 m3。随着格网的间隔不断缩小，二者的差值在不断接近，在2 m 格网间隔时几乎趋于一致。由此可见，GNSS﹣RTK法得到的土方量结果是比较准确的。

由表3 可知，无人机倾斜摄影测量法土方量结果在格网间隔缩小时，方格网法和DTM 法计算结果逐渐缩小。在10 m 格网间隔时，方格网法和DTM 法的计算结果相差1 889.6 m3；在2 m 格网间隔时，仅相差82.9 m3。这与GNSS﹣RTK 法的测量结果基本一致，并且方格网法和DTM 法计算结果都趋于58 200 m3。

综上所述，对于较为平坦的建筑工地来说，格网间隔大小的设置对于方格网法计算结果的影响较大；格网间隔在一定区间内设置得越小，结果越好。但格网间隔大小对于DTM 法的影响较小，在选择较大格网时也能保证较好的精度。考虑到实际工程土方量挖填的时候，区域划分的格网数量越少，挖填方的效率也越高，因此对于地势起伏不大的建筑工地来说，DTM 法是较好的选择。

从表4 可看出，基于GNSS﹣RTK 法和无人机倾斜摄影测量方法的挖方量差值稳定在2 000～2 400 m3，其相对误差最小为3.9%，最大为4.1%，波动较小，且数据变化趋势一致，精度较高，稳定性强。相对来说，GNSS﹣RTK法的结果挖方量有少量的高估，这表明无人机倾斜摄影测量法提取的高程数据存在高估现象。如果将测区视为一个标准的长方体，由体积相差2 200 m3，降以底面积8 241.1 m2，可得平均高度差约为0.267 cm。也就是说，如果视GNSS﹣RTK 法测量的结果为真值，那么无人机倾斜摄影测量的平均高程约有0.267 cm 的高估。这种挖方量的少量高估，可能是某个区域高程的突变导致的。无人机倾斜摄影测量法估测的高程数据存在高估现象，但总的土方量测量结果精度较高、效率高、可行性强，可以满足大面积的工程土方量测算的要求。

表4 2 种方式土方量计算结果比较表

4 结 语

研究小组基于无人机倾斜摄影测量技术进行土方量的测算研究，结合广西某高校建筑工地案例来综合分析验证。此次研究中采用无人机倾斜摄影测量方法与GNSS﹣RTK 法测量计算的土方量结果进行对比分析，同时还分别验证了10 m、5 m、2 m 的格网间隔下对DTM法和方格网法结果的影响，得出了以下结论:

（1）随着格网间隔距离的减少，DTM 法的总挖方结果变化不大，但方格网法总挖方结果明显增大，逐渐趋于和DTM 法一致。在此次研究中，格网间隔对DTM 法的影响不大，格网间隔越小，方格网法结果越好，表明DTM法具有较强的适应性和稳定性。

（2）无人机倾斜摄影测量法和GNSS﹣RTK法的差值在2 000～2 400 m3之间，相对误差稳定在3.9%～4.1%之间，稳定性强。基于无人机倾斜摄影的土方测量方法是可行的，适合于大面积地区的土方量测量。

（3）各种工程地势往往较为复杂，无人机倾斜摄影测量法受拍摄角度的影响会存在地物相互遮挡的现象，从而导致部分地物模型构建失败，影响土方量测算结果。下一步，应综合对比不同地形条件下土方量测算方法的优缺点，再结合地面激光雷达扫描或手持拍照等方法，改善模型构建效果，提高高程精度，实现更为精确、高效的工程土方量测算。