CN112197702A - 一种基于无人机激光测距的倾斜路基工程收方方法 - Google Patents

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于涛
杨文广
王涛
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Abstract

本发明公开了一种基于无人机激光测距的倾斜路基工程收方方法，由无人机和上位机完成，无人机通过GPRS与上位机进行数据传输，无人机通过RTK技术实现定位飞行，测量点呈等距的网格状分布，在施工前后，分别在同一设定高度上相同的测量位置通过激光测距仪测量路面距无人机的高度，将测量的数据传输到上位机，上位机将施工前后的高度做差即为路面施工垂直高度，根据垂直高度差和测量点的间距计算得到路面的倾斜角度，再结合施工路面的面积，计算得到收方体积。本发明的有益效果：测量方便，节省了大量的劳动力，测量方法精确，简单实用。

Description

一种基于无人机激光测距的倾斜路基工程收方方法
技术领域
本发明属于工程收方技术领域，具体涉及一种倾斜路基的工程收方方法。
背景技术
工程收方是根据甲方(建设方)、乙方(施工方)在对工程量的核算依据，也是凭证，俗称收工程量，单位：平方米(㎡)、立方米(m3)。目前，路基工程收方领域收方的方法都是在地面使用仪器进行测绘，主要有三种仪器，一中是水准仪，它是为水准测量提供水平视线和对水准标尺进行读数，主要功能是测量两点间的高差,测高程，利用视距测量原理，还可测量两点间的水平距离。经纬仪，是对水平角和竖直角进行测量，主要功能是测量两个方向之间的水平夹角和竖直角，借助水准尺，利用视距测量原理，还可测量两点的水平距离和高差；全站仪，全站仪在侧站上一经观测，必要的观测数据如斜距、竖直角、水平角均能自动显示，而且可在同一时间内得到平距、高差、点的坐标和高程。如果通过传输接口把全站仪野外采集的数据终端与计算机、绘图机连接起来，配以数据处理软件和绘图软件，即可实现测图自动化。然而利用以上仪器非常复杂，需要工作人员去走动各个测量点，期间，必然有许多人为误差，如果测量范围广且测量点比较密集时，需要工作人员做大量工作，费时又费力，尤其是倾斜路基的收方测量。
发明内容
针对现有技术中倾斜路基工程收方利用仪器非常复杂，需要工作人员做大量工作，费时又费力的问题，提供了一种基于无人机激光测距的倾斜路基工程收方方法。
一种基于无人机激光测距的倾斜路基工程收方方法，由无人机和上位机完成，无人机通过GPRS与上位机进行数据传输，无人机通过RTK技术实现定位飞行，测量点呈等距的网格状分布，在施工前后，分别在同一设定高度上相同的测量位置通过激光测距仪测量路面距无人机的高度，将测量的数据传输到上位机，上位机将施工前后的高度做差即为路面施工垂直高度，根据垂直高度差和测量点的间距计算得到路面的倾斜角度，再结合施工路面的面积，计算得到收方体积。
优选的，路面的倾斜角度的计算方法为，建立坐标系，路面宽度方向为X 轴，路面长度方向为Y轴，测量点沿X轴方向分布为一行，共p行，沿Y轴方向分布为一列，共q列；测量点数量N＝p*q，测量点路面距离无人机的高度值记为Hpq，测量点的Y轴坐标值记为ypq，设路面倾斜角度为θ，则同一列上相邻的两个点的垂直高度值差值L＝Hi+1，j-Hij，同一列上相邻的两个点的Y轴坐标差值△y＝yi+1，j-yij，可计算得到路面倾斜角度
Figure BDA0002715133680000021
该路面施工层的实际厚度
Figure BDA0002715133680000022
则该路面施工层的收方体积为V＝S*LCOSθ，其中S为施工路面的面积。
优选的，为了更精确的计算θ，将每一列上的两两相邻的点都进行测量高度，并计算其
Figure BDA0002715133680000023
然后再将所有的计算的
Figure BDA0002715133680000024
求和再取平均值，根据平均值计算路面倾斜角度的平均值
Figure BDA0002715133680000025
公式为
Figure BDA0002715133680000026
式中：
q，为测量点的列数；
C，为排列组合的中无序组合的运算符；
p，为测量点的行数；
Hmj，为测量点m行j列的路面距离无人机的高度值；
Hnj，为测量点n行j列的路面距离无人机的高度值；
ynj，为测量点n行j列的Y轴坐标值；
ymj，为测量点m行j列的Y轴坐标值。
优选的，具体测量步骤如下：
当路面挖方后，无人机在预设的海拔高度用激光垂直测量其地面距无人机的高度，同海拔高度上、作业区内测量N个点，将测得的N个点的坐标值和高度值
Figure 100002_1
上传到上位机；
当下路提压实后，无人机在设定的海拔高度用激光垂直测量其堤面距无人机的高度，同海拔高度上作业区内测量N个点，将测得的N个点的Y轴坐标值和高度值
Figure BDA0002715133680000032
上传到上位机；
当上路堤压实后，无人机在设定的海拔水平高度用激光垂直测量其堤面距无人机的高度。同海拔高度，同一作业区内测量N个点，将测得的N个点的Y 轴坐标值和高度值
Figure BDA0002715133680000033
上传到上位机；
当下路床压实后，无人机在设定同一海拔高度用激光垂直测量其床面距无人机的高度，同海拔高度，同一作业区内测量N个点，将测得的N个点的Y轴坐标值和高度值
Figure BDA0002715133680000034
上传到上位机；
当上路床压实后，无人机在设定的同一海拔高度用激光垂直测量其床面距无人机的高度，同海拔高度，同一作业区内测量N个点，将测得的N个点的Y 轴坐标值和高度值
Figure BDA0002715133680000035
上传到上位机；
当基层压实后，无人机在设定的同一海拔高度用激光垂直测量其层面距无人机的高度，同海拔高度，同一作业区内测量N个点，将测得的N个点的Y轴坐标值和高度值
Figure BDA0002715133680000036
上传到上位机；
当面层压实后，无人机在设定的同一海拔高度用激光垂直测量其面层距无人机的高度，同海拔高度，同一作业区内测量N个点，将测得的N个点的Y轴坐标值和高度值
Figure BDA0002715133680000041
上传到上位机。
本发明的有益效果：测量方便，节省了大量的劳动力，测量方法精确，简单实用。
附图说明
图1是本发明基于无人机激光测距的路基工程收方方法示意图；
图2是本发明基于无人机激光测距的路基工程收方方法流程图；
图3是各级公路各类土石方与天然密实方换算系数表；
图4是倾斜路面的测量示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案做进一步说明。
如图1、2所示，一种基于无人机激光测距的倾斜路基工程收方方法，由无人机和上位机完成，无人机通过GPRS与上位机进行数据传输，无人机通过RTK 技术实现定位飞行，在施工前后，分别在同一设定高度上通过激光测距仪测量路面距无人机的高度，将测量的数据传输到上位机，上位机将施工前后的高度做差即为路面施工垂直高度，根据垂直高度差和测量点的间距计算得到路面的倾斜角度，再结合施工路面的面积，计算得到收方体积。测量点呈等距的网格状分布，像围棋盘一样，均匀分布于施工路面上方。路面的面积，预先通过人工测量得到。
如图4所示，建立坐标系，路面宽度方向为X轴，路面长度方向为Y轴，测量点沿X轴方向分布为一行，共p行，沿Y轴方向分布为一列，共q列；测量点数量N＝p*q，测量点路面距离无人机的高度值记为Hpq，测量点的Y轴坐标值记为ypq，设路面倾斜角度为θ。
则通过同一列上相邻的两个点的垂直高度值差值L＝Hi+1，j-Hij，同一列上相邻的两个点的Y轴坐标差值△y＝yi+1，j-yij，可计算得到路面倾斜角度
Figure BDA0002715133680000051
为了计算的更精确，将每一列上的两两相邻的点都进行测量高度，并计算其
Figure BDA0002715133680000052
然后再将所有的计算的
Figure BDA0002715133680000053
求和再取平均值，根据平均值计算路面倾斜角度的平均值
Figure BDA0002715133680000054
公式为
Figure BDA0002715133680000055
式中：
q，为测量点的列数；
C，为排列组合的中无序组合的运算符；
p，为测量点的行数；
Hmj，为测量点m行j列的路面距离无人机的高度值；
Hnj，为测量点n行j列的路面距离无人机的高度值；
ynj，为测量点n行j列的Y轴坐标值；
ymj，为测量点m行j列的Y轴坐标值。
那么该路面施工层的实际厚度D＝L*COSθ。
具体测量步骤如下：
当路面挖方后，无人机在预设的海拔高度用激光垂直测量其地面距无人机的高度，同海拔高度上、作业区内测量N个点，将测得的N个点的Y轴坐标值和高度值
Figure BDA0002715133680000056
上传到上位机；
当下路提压实后，无人机在设定的海拔高度用激光垂直测量其堤面距无人机的高度，同海拔高度上作业区内测量N个点，将测得的N个点的Y轴坐标值和高度值
Figure BDA0002715133680000061
上传到上位机；
当上路堤压实后，无人机在设定的海拔水平高度用激光垂直测量其堤面距无人机的高度。同海拔高度，同一作业区内测量N个点，将测得的N个点的Y 轴坐标值和高度值
Figure BDA0002715133680000062
上传到上位机；
当下路床压实后，无人机在设定同一海拔高度用激光垂直测量其床面距无人机的高度，同海拔高度，同一作业区内测量N个点，将测得的N个点的Y轴坐标值和高度值
Figure BDA0002715133680000063
上传到上位机；
当上路床压实后，无人机在设定的同一海拔高度用激光垂直测量其床面距无人机的高度，同海拔高度，同一作业区内测量N个点，将测得的N个点的Y 轴坐标值和高度值
Figure BDA0002715133680000064
上传到上位机；
当基层压实后，无人机在设定的同一海拔高度用激光垂直测量其层面距无人机的高度，同海拔高度，同一作业区内测量N个点，将测得的N个点的Y轴坐标值和高度值
Figure BDA0002715133680000065
上传到上位机；
当面层压实后，无人机在设定的同一海拔高度用激光垂直测量其面层距无人机的高度。同海拔高度，同一作业区内测量N个点，将测得的N个点的Y轴坐标值和高度值
Figure BDA0002715133680000066
上传到上位机；
上位机根据高度值，分别计算出上路堤、下路床、上路床、基层、面层的垂直厚度L，通过人工测量作业区域的面积S并录入到上位机中，路面的倾斜角度，计算得到收方体积V＝S*LCOSθ。
上位机计算方法如下：
对于倾斜地面，每一层距离无人机的高度记为H，每一层垂直厚度记为L， S为作业区面积，V为收方体积。
Figure BDA0002715133680000067
收方体积
Figure BDA0002715133680000068
Figure BDA0002715133680000071
收方体积
Figure BDA0002715133680000072
Figure BDA0002715133680000073
收方体积
Figure BDA0002715133680000074
Figure BDA0002715133680000075
收方体积
Figure BDA0002715133680000076
Figure BDA0002715133680000077
收方体积
Figure BDA0002715133680000078
Figure BDA0002715133680000079
收方体积
Figure BDA00027151336800000710
无人机定位飞行是通过RTK技术实现的。RTK是一种载波相位差分技术，是实时处理两个测量站载波相位观测量的差分方法，将基准站采集的载波相位发给用户接收机，进行求差解算坐标。
N的大小决定收方准确性，如果太小，计算所得收方体积误差很大，如果太大，对无人机飞行准确性的要求提高，制作成本上升。一般两平方米取一个测量点。同时RTK技术的误差本身是厘米级的，所以测得点与点之间密集程度设计最小也必须厘米级。
之后将数据通过GPRS发送给上位机，上位机利用数据计算就可得到各层厚度。
此时计算出来的收方体积V为铺路压实的体积，并非天然密实方体积,各级公路各类土石方与天然密实方换算系数如图3所示,土石方调配时注意换算。可根据需要进行换算。
本方法节省大量劳动力，完全可以室内一人通过地面控制系统进行收方工程的测量，负责人也可随时调整测量方式。可以大范围且密集的进行测量，大量数据有效的支撑了最后收方计算量的准确性。相比较以前方法，数据的准确性也得到了实质性提高，无人机激光相位测量的距离误差不超过1cm。系统集测量、计算、储存记录于一身，省略中间大量流程，有效的避免了工程收方单造假的可能性。
可理解的是，尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种基于无人机激光测距的倾斜路基工程收方方法，其特征在于，由无人机和上位机完成，无人机通过GPRS与上位机进行数据传输，无人机通过RTK技术实现定位飞行，测量点呈等距的网格状分布，在施工前后，分别在同一设定高度上相同的测量位置通过激光测距仪测量路面距无人机的高度，将测量的数据传输到上位机，上位机将施工前后的高度做差即为路面施工垂直高度，根据垂直高度差和测量点的间距计算得到路面的倾斜角度，再结合施工路面的面积，计算得到收方体积。
2.如权利要求1所述的基于无人机激光测距的倾斜路基工程收方方法，其特征在于，路面的倾斜角度的计算方法为，建立坐标系，路面宽度方向为X轴，路面长度方向为Y轴，测量点沿X轴方向分布为一行，共p行，沿Y轴方向分布为一列，共q列；测量点数量N＝p*q，测量点路面距离无人机的高度值记为Hpq，测量点的Y轴坐标值记为ypq，设路面倾斜角度为θ，则同一列上相邻的两个点的垂直高度值差值L＝Hi+1，j-Hij，同一列上相邻的两个点的Y轴坐标差值△y＝yi+1，j-yij，可计算得到路面倾斜角度
Figure FDA0002715133670000011
该路面施工层的实际厚度
Figure FDA0002715133670000012
则该路面施工层的收方体积为V＝S*LCOSθ，其中S为施工路面的面积。
3.如权利要求2所述的基于无人机激光测距的倾斜路基工程收方方法，其特征在于，为了更精确的计算θ，将每一列上的两两相邻的点都进行测量高度，并计算其
Figure FDA0002715133670000013
然后再将所有的计算的
Figure FDA0002715133670000014
求和再取平均值，根据平均值计算路面倾斜角度的平均值
Figure FDA0002715133670000015
公式为
Figure FDA0002715133670000016
式中：
q，为测量点的列数；
C，为排列组合的中无序组合的运算符；
p，为测量点的行数；
Hmj，为测量点m行j列的路面距离无人机的高度值；
Hnj，为测量点n行j列的路面距离无人机的高度值；
ynj，为测量点n行j列的Y轴坐标值；
ymj，为测量点m行j列的Y轴坐标值。
4.如权利要求3所述的基于无人机激光测距的倾斜路基工程收方方法，其特征在于，具体测量步骤如下：
当路面挖方后，无人机在预设的海拔高度用激光垂直测量其地面距无人机的高度，同海拔高度上、作业区内测量N个点，将测得的N个点的坐标值和高度值
Figure 1
上传到上位机；
当下路提压实后，无人机在设定的海拔高度用激光垂直测量其堤面距无人机的高度，同海拔高度上作业区内测量N个点，将测得的N个点的Y轴坐标值和高度值
Figure FDA0002715133670000022
上传到上位机；
当上路堤压实后，无人机在设定的海拔水平高度用激光垂直测量其堤面距无人机的高度。同海拔高度，同一作业区内测量N个点，将测得的N个点的Y轴坐标值和高度值
Figure FDA0002715133670000023
上传到上位机；
当下路床压实后，无人机在设定同一海拔高度用激光垂直测量其床面距无人机的高度，同海拔高度，同一作业区内测量N个点，将测得的N个点的Y轴坐标值和高度值
Figure FDA0002715133670000024
上传到上位机；
当上路床压实后，无人机在设定的同一海拔高度用激光垂直测量其床面距无人机的高度，同海拔高度，同一作业区内测量N个点，将测得的N个点的Y轴坐标值和高度值
Figure FDA0002715133670000031
上传到上位机；
当基层压实后，无人机在设定的同一海拔高度用激光垂直测量其层面距无人机的高度，同海拔高度，同一作业区内测量N个点，将测得的N个点的Y轴坐标值和高度值
Figure FDA0002715133670000032
上传到上位机；
当面层压实后，无人机在设定的同一海拔高度用激光垂直测量其面层距无人机的高度。同海拔高度，同一作业区内测量N个点，将测得的N个点的Y轴坐标值和高度值
Figure FDA0002715133670000033
上传到上位机。
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