CN113032977A - 基于无人机逆建模技术的土石方量测算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于无人机逆建模技术的土石方量测算方法，包括如下步骤：S1.在土石方量待测区域设置多个靶标控制点；S2.在采集数据前，对待测区域的场地进行清理；S3.基于影响无人机获取影像精度的主要因素，对无人机的相关参数进行设置，其中，影响无人机获取影像精度的主要因素包括航线、相对航高和重叠度；S4.确定航线的数量与方向，并划定无人机的航测区域；S5.无人机斜摄数据的采集及输出；S6.利用无人机斜摄数据，进行逆向建模；以及S7.基于所建立的模型，计算土石方量。
Description
技术领域
本发明涉及土石方量测算技术领域，具体涉及一种基于无人机逆建模技术的土石方量测算方法。
背景技术
传统土石方量测算的方法如方格网、散点法和表格法等往往受限于测量工具与地形，而近年来引进的RTK(Real-time kinematic，实时动态)载波相位差分技术也因设备昂贵、专业性强而不能随时应用于项目工程中。因此，现有技术的土石方量测算方法存在如下缺点：①依赖于测量人员人工操作，野外测绘无法保证测绘人员的安全性；②RTK设备昂贵、专业性强，不能随时应用于项目工程；③测绘及计算土石方工程量耗时长。
无人机斜摄成像技术的日益成熟，大大推动了三维逆建模技术的发展。使用斜摄成像技术进行三维逆建模，具有数据采集效率高、人工干预少、建模速度快的特点，更符合现代项目管理精细化和数据化的趋势。因此，需要开发一种基于无人机逆建模技术的土石方量测算方法，来克服传统土方量测算中量测难、耗时长等难点，并且能够保障测绘人员的人身安全。
专利CN105867404A公开了一种无人机测量土石方的方法，包括如下步骤：S1、飞行任务规划和设备选取；S2、执行飞行任务获取数据；S3、根据影像数据和地理坐标信息建立三维模型；S4、结合工程图纸和生成的三维模型来计算测量区域的土方量；S5、一定时间间隔重复测量计算工程量。该发明通过在无人机设置的飞行控制系统、卫星定位系统、飞行数据存储系统及机载相机可减少外业工作量，缩短测量周期；避免人为的干预测量过程而影响最终的测量结果，以一定时间间隔重复测量获取的多组三维模型相互比较和测量可以计算出土石方的工程量。然而该发明存在一些缺陷，该方法并没有对待测区域设置靶标控制点，仅通过设计和规划无人机的起飞降落位置、高度和航线，这样得到的三维模型的精确度控制方面较低。该方法中提及土石方工程量计算需要手动结合工程图纸进行计算，计算工作量繁复，同时该方法未明确土石方工程量数据采集过程、三维模型形成过程以及至关重要的测算过程，可操作性较低。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于无人机逆建模技术的土石方量测算方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于无人机逆建模技术的土石方量测算方法，包括如下步骤：
S1.在土石方量待测区域设置多个靶标控制点；
S2.在采集数据前，对待测区域的场地进行清理；
S3.基于影响无人机获取影像精度的主要因素，对无人机的相关参数进行设置，其中，影响无人机获取影像精度的主要因素包括航线、相对航高和重叠度；
S4.确定航线的数量与方向，并划定无人机的航测区域；
S5.无人机斜摄数据的采集及输出；
S6.利用无人机斜摄数据，进行逆向建模；以及
S7.基于所建立的模型，计算土石方量。
在一优选实施方式中，步骤S1中，在待测区域设置多个靶标控制点包括：在待测区域中占地面积平均每10000m2布置2个靶标控制点，相邻两个靶标控制点的间距不大于80m，且靶标控制点的数量不少于5个，以构成闭合控制网，利用全站仪测量并记录每个靶标控制点的经纬及高程信息，并且在采集数据前，制作1mX1m的纸质标靶并固定在标靶控制点上。
在一优选实施方式中，步骤S2中，在采集数据前，对待测区域的场地进行清理包括：对场内堆放的材料及机械进行调运或清理，对于难以搬运的材料或大型机械做相应量测及记录，以计算出材料或大型机械的体积，在土石方量计算时进行扣减。
在一优选实施方式中，传感器包括气压计和GNSS模块，其中气压计用于测量大气压值，根据大气压值无人机计算出拍摄数据的绝对海拔高度，GNSS模块用于测量地理坐标、海拔高度、线速度以及航向角，并使测得的数据成为拍摄画幅数据自带的pos信息，步骤S3中，无人机的相关参数包括相对航高、航向及旁向重叠度、传感器大小、相机焦距、摄像头角度、测区投影面积以及画幅数量，其中，无人机采用具有多个传感器和摄像头的无人机，摄像头角度包括45°、60°和90°，航向及旁向重叠度设置为70％。
在一优选实施方式中，步骤S4中，确定航线的数量与方向，并划定无人机的航测区域包括：将无人机的航测区域设置为待测区域外扩100m，并考虑航线的数量与方向，其中，航线应呈带状按次序逐步覆盖全部待测区域，以实现对地形逻辑有序的全覆盖航摄，占地面积大于10000m2的待测区域，航线数量不小于10根，每增加10000m2，航线数量增加不少于5根。
在一优选实施方式中，步骤S5中，无人机斜摄数据的采集及输出包括：无人机从不同位置不同角度获取同一地物多方向上的影像并进行记录，同时记录无人机视点的POS信息，在航摄过程中应有一定数量的图像摄有标靶控制点，以修正生成的三维模型的坐标信息。
在一优选实施方式中，步骤S6中，所建立的模型的类型包括原始地表DEM模型、设计表面DEM模型和土方开挖现状DEM模型，根据原始地表DEM模型和设计表面DEM模型计算设计挖填土石方量，根据原始地表DEM模型和土方开挖现状DEM模型计算实际挖填土石方量。
在一优选实施方式中，原始地表DEM模型及土方开挖现状DEM模型的生成过程为：利用无人机斜摄数据，通过Smart 3D软件将影像进行匹配和联合平差,完成三维实景模型和数字表面模型的建立。
在一优选实施方式中，设计表面DEM模型的生成过程包括：将含设计标高的dwg文件导入ArcGIS中进行处理，其中，dwg文件中的等高线图元设置为Polyline图层，高程点图元设置为Point图层，将等高线和高程点导出为shapefile格式的数据，计算待测区域的平均高程，作为设计高程，并以报表形式输出，再根据其高程信息建立设计表面DEM模型。
在一优选实施方式中，步骤S7中，基于所建立的模型，计算土石方量包括：运用ArcGIS软件分别对原始地表DEM模型与设计表面DEM模型、原始地表DEM模型与土方开挖现状DEM模型进行空间叠加分析，以生成土方挖填区域格栅图，通过统计汇总分别得到设计挖填土石方量和实际挖填土石方量。
与现有技术相比，本发明的基于无人机逆建模技术的土石方量测算方法的有益效果是：本发明利用无人机逆建模技术，在无需使用RTK设备的条件下，便能精确计算出土石方工程量，本发明的数据采集简易便捷，能够在土方量测算中节省大量的人力物力财力；安全性高，不受地形限制，减少了测量人员野外作业的测量频次，保障了人员的安全性；模型中任意一点数据的高程和坐标信息均可读取，且灵活性高，数据可编辑，可根据实际需要重复核算调整；本发明通过模型的建立实现了土石方数据的三维可视化，比对RTK技术的测量方法，本发明的方法测量数据精确度高，成本低。
附图说明
图1为本发明的优选实施方式的基于无人机逆建模技术的土石方量测算方法流程框图。
图2为本发明的优选实施方式的DEM模型生成流程图。
图3为本发明的优选实施方式的土石方量测算流程图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明优选实施方式的基于无人机逆建模技术的土石方量测算方法，包括如下步骤：步骤S1.在土石方量待测区域设置多个靶标控制点；步骤S2.在采集数据前，对待测区域的场地进行清理；步骤S3.基于影响无人机获取影像精度的主要因素，对无人机的相关参数进行设置，其中，影响无人机获取影像精度的主要因素包括航线、相对航高和重叠度；步骤S4.确定航线的数量与方向，并划定无人机的航测区域；步骤S5.无人机斜摄数据的采集及输出；步骤S6.利用无人机斜摄数据，进行逆向建模；以及步骤S7.基于所建立的模型，计算土石方量。
具体的，步骤S1中，在待测区域设置多个靶标控制点包括：利用1mx1m的易于识别的纸质标靶有规律地固定于待测区域四周(固定点位的经纬及高程信息应用全站仪测得并记录)在待测区域中占地面积平均每10000m2布置2个靶标控制点，相邻两个靶标控制点的间距不大于80m，且靶标控制点的数量不少于5个，以构成闭合控制网，靶标控制点精度要求为闭合差
(N为测站数)利用全站仪测量并记录每个靶标控制点的经纬及高程信息，并且在采集数据前，制作1mX1m的纸质标靶并固定在标靶控制点上。
具体的，步骤S2中，在采集数据前，对待测区域的场地进行清理包括：对场内堆放的材料及机械进行调运或清理，对于难以搬运的材料或大型机械做相应量测及记录，以计算出材料或大型机械的体积，在土石方量计算时进行扣减。
具体的，无人机采用具有多个传感器和摄像头的无人机，传感器包括陀螺仪、加速度计、磁罗盘、气压计、GNSS模块、光流模块等，其中气压计主要用于测量大气压值，根据大气压值无人机可计算出拍摄数据的绝对海拔高度，GNSS模块主要用于测量地理坐标(经纬度)、海拔高度、线速度以及航向角(RTK系统)等，测得的数据将成为拍摄画幅数据自带的pos(经纬度)信息，成为影响土石方工程量测算结果精度的重要数据。步骤S3中，无人机的相关参数包括相对航高、航向及旁向重叠度、传感器大小、相机焦距、摄像头角度、测区投影面积以及画幅数量，实施航摄前需充分考虑以上因素，提前设置相关参数以保证影像质量。优选的，无人机得航测参数设置如表1所示。
表1无人机相关参数设置
具体的，步骤S4中，确定航线的数量与方向，并划定无人机的航测区域包括：将无人机的航测区域设置为待测区域外扩100m，并考虑航线的数量与方向，其中，航线应呈带状按次序逐步覆盖全部待测区域，以实现对地形逻辑有序的全覆盖航摄。同时，航线的数量与航摄数据的重叠率呈正相关，航线的数量越多，航摄数据的旁向重叠率越大。占地面积大于10000m2的待测区域，航线数量不小于10根，每增加10000m2，航线数量增加不少于5根。
具体的，步骤S5中，无人机斜摄数据的采集及输出包括：无人机从不同位置不同角度获取同一地物多方向(东西南北和顶部)上的影像并进行记录，同时记录无人机视点的POS(经纬度)信息，在航摄过程中应有一定数量的图像摄有标靶控制点，标靶控制点实际中测得的经纬度与高程信息，通过Smart3D软件导入且定位于图像中标靶控制点所在位置，从而修正图像自带的经纬度以及高程信息误差，提升整体三维模型的信息准确性，提高土石方工程量测算结果的精度。
具体的，步骤S6中，所建立的模型的类型包括原始地表DEM模型、设计表面DEM模型和土方开挖现状DEM模型，根据原始地表DEM模型和设计表面DEM模型计算设计挖填土石方量，根据原始地表DEM模型和土方开挖现状DEM模型计算实际挖填土石方量。DEM模型应用及土石方量结果类型对应关系如表2所示。生成的DEM模型的数据源及对应软件如表3所示。
表2 DEM计算土方量结果类型
表3 DEM模型数据源及生成软件表
具体的，原始地表DEM模型及土方开挖现状DEM模型的生成过程为：利用无人机斜摄数据，通过Smart 3D软件将影像进行匹配和联合平差,完成三维实景模型和数字表面模型的建立。斜摄数据生成的数字表面模型(DSM)，具有高精度高分辨率的特点，可以充分表达地形地物的起伏特征，能输出具有空间位置信息的正摄影像数据，同时也能应用于量测。如图2所示，原始地表DEM模型及土方开挖现状DEM模型生成的具体步骤主要为：把无人机获取的斜摄数据导入Smart 3D软件中，输入无人机参数，导入pos点数据(包括传感器及焦距参数)以进行空三运算，导入靶标控制点数据，设置空三运算参数，提交三维重建任务。如果空三运算合格，则构建TIN三角格网，完成纹理映射。其中模型生成格式设置为TIFF/GeoTIFF，正射影像的颜色纹理选择3D模型进行投影，影像范围默认为最大范围，也可直接导入KML文件调整，便可生成DSM模型，后将DSM模型导入ArcGIS中最后转换成所需的DEM模型。需要说明的是，模型生成过程中，导入POS点数据的步骤可省略，直接使用照片中自带的POS信息即可。而标记控制点，像控点选刺则是空三运算之前的重要步骤，其目的是通过手工选点与已获取的控制点联合解算预测控制点在影像中的位置，从而获取更高的模型质量，每个控制点的选刺标记不应少于4张。
具体的，设计表面DEM模型的生成过程包括：将含设计标高的dwg文件导入ArcGIS中进行处理，其中，dwg文件中的等高线图元设置为Polyline图层，高程点图元设置为Point图层，将等高线和高程点导出为shapefile格式的数据，应用软件内Spatial AnalysisTools→Zonal→Zonal Statistics as table工具计算待测区域的平均高程，作为设计高程，并以报表形式输出，再根据其高程信息建立设计表面DEM模型。
具体的，如图3所示，步骤S7中，基于所建立的模型，计算土石方量包括：运用ArcGIS软件分别对原始地表DEM模型与设计表面DEM模型、原始地表DEM模型与土方开挖现状DEM模型进行空间叠加分析，以生成土方挖填区域格栅图，通过统计汇总分别得到设计挖填土石方量和实际挖填土石方量两种土石方工程量。
需要说明，本发明航摄数据分别采集原始地表数据(未开挖)与开挖完成后地表数据各一次，无人机航摄作业全程采用Altizure软件辅助自动拍摄，对于复杂部位，采用手动操作无人机的方法补充拍摄数据。
证明效果的试验数据：
基于本发明的方法采集的数据，分别比对传统RTK技术与本发明的方法的设计开挖土方量及实际开挖土方量，具体试验结构表4所示：
表4土石方量计算结果比对类型表
将运算结果经统计分析，比对结果见表5所示。
表5计算结果比对表
| RTK技术测算结果 | 本发明的方法计算结果 | 偏差值 | |
| 设计开挖土方量 | V1＝5994.77 | V2＝6374.25 | 6.33％ |
| 实际开挖土方量 | V3＝6083.52 | V4＝6505.72 | 6.94％ |
从计算结果可得，两者在设计开挖土方量上的偏差值为6.33％，在实际开挖土方量上的偏差值为6.94％，偏差值在可控范围内，应用效果良好。
在成本方面，使用RTK技术测算土石方工程量，价格约为1.8元/m2，每10000m2占地面积，测算成本约为1.8万元，测量计算时间约为3天；使用本发明的方法测算土石方工程量，测算成本约为0.1万元(包含人工成本及无人机损耗费)，测算时间约为1天。因此，使用本发明的方法测算土石方量，项目每10000m2占地面积能节省经济成本1.7万元。
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 (10)
1.一种基于无人机逆建模技术的土石方量测算方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1.在土石方量待测区域设置多个靶标控制点；
S2.在采集数据前，对待测区域的场地进行清理；
S3.基于影响无人机获取影像精度的主要因素，对无人机的相关参数进行设置，其中，影响无人机获取影像精度的主要因素包括航线、相对航高和重叠度；
S4.确定航线的数量与方向，并划定无人机的航测区域；
S5.无人机斜摄数据的采集及输出；
S6.利用无人机斜摄数据，进行逆向建模；以及
S7.基于所建立的模型，计算土石方量。
2.根据权利要求1所述的基于无人机逆建模技术的土石方量测算方法，其特征在于：步骤S1中，在待测区域设置多个靶标控制点包括：在待测区域中占地面积平均每10000m2布置2个靶标控制点，相邻两个靶标控制点的间距不大于80m，且所述靶标控制点的数量不少于5个，以构成闭合控制网，利用全站仪测量并记录每个靶标控制点的经纬及高程信息，并且在采集数据前，制作1mX1m的纸质标靶并固定在标靶控制点上。
3.根据权利要求1所述的基于无人机逆建模技术的土石方量测算方法，其特征在于：步骤S2中，在采集数据前，对待测区域的场地进行清理包括：对场内堆放的材料及机械进行调运或清理，对于难以搬运的材料或大型机械做相应量测及记录，以计算出材料或大型机械的体积，在土石方量计算时进行扣减。
4.根据权利要求1所述的基于无人机逆建模技术的土石方量测算方法，其特征在于：所述无人机采用具有多个传感器和摄像头的无人机，传感器包括气压计和GNSS模块，其中气压计用于测量大气压值，根据大气压值无人机计算出拍摄数据的绝对海拔高度，GNSS模块用于测量地理坐标、海拔高度、线速度以及航向角，并使测得的数据成为拍摄画幅数据自带的pos信息，步骤S3中，无人机的相关参数包括相对航高、航向及旁向重叠度、传感器大小、相机焦距、摄像头角度、测区投影面积以及画幅数量，其中摄像头角度包括45°、60°和90°，航向及旁向重叠度设置为70%。
5.根据权利要求1所述的基于无人机逆建模技术的土石方量测算方法，其特征在于：步骤S4中，确定航线的数量与方向，并划定无人机的航测区域包括：将无人机的航测区域设置为待测区域外扩100m，并考虑航线的数量与方向，其中，航线应呈带状按次序逐步覆盖全部待测区域，以实现对地形逻辑有序的全覆盖航摄，占地面积大于10000m2的待测区域，航线数量不小于10根，每增加10000m2，航线数量增加不少于5根。
6.根据权利要求1所述的基于无人机逆建模技术的土石方量测算方法，其特征在于：步骤S5中，无人机斜摄数据的采集及输出包括：无人机从不同位置不同角度获取同一地物多方向上的影像并进行记录，同时记录无人机视点的POS信息，在航摄过程中应有一定数量的图像摄有标靶控制点，以修正生成的三维模型的坐标信息。
7.根据权利要求1所述的基于无人机逆建模技术的土石方量测算方法，其特征在于：步骤S6中，所建立的模型的类型包括原始地表DEM模型、设计表面DEM模型和土方开挖现状DEM模型，根据原始地表DEM模型和设计表面DEM模型计算设计挖填土石方量，根据原始地表DEM模型和土方开挖现状DEM模型计算实际挖填土石方量。
8.根据权利要求7所述的基于无人机逆建模技术的土石方量测算方法，其特征在于：所述原始地表DEM模型及土方开挖现状DEM模型的生成过程为：利用无人机斜摄数据，通过Smart 3D软件将影像进行匹配和联合平差,完成三维实景模型和数字表面模型的建立。
9.根据权利要求8所述的基于无人机逆建模技术的土石方量测算方法，其特征在于：所述设计表面DEM模型的生成过程包括：将含设计标高的dwg文件导入ArcGIS中进行处理，其中，dwg文件中的等高线图元设置为Polyline图层，高程点图元设置为Point图层，将等高线和高程点导出为 shapefile格式的数据，计算待测区域的平均高程，作为设计高程，并以报表形式输出，再根据其高程信息建立设计表面DEM模型。
10.根据权利要求9所述的基于无人机逆建模技术的土石方量测算方法，其特征在于：步骤S7中，基于所建立的模型，计算土石方量包括：运用ArcGIS软件分别对原始地表DEM模型与设计表面DEM模型、原始地表DEM模型与土方开挖现状DEM模型进行空间叠加分析，以生成土方挖填区域格栅图，通过统计汇总分别得到设计挖填土石方量和实际挖填土石方量。
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