贴近式倾斜摄影测量在土方工程决算中的应用研究

贴近式倾斜摄影测量在土方工程决算中的应用研究

本文转载于《建筑与预算》2020年第6期《近倾斜摄影测量在土石方工程决算中的应用研究》一文，作者：杨静梅

作者简介：杨静梅(1972-)，高级工程师，主要从事项目管理工作。

土方工程验证是工程项目的重点。项目管理的核心之一是项目评审，土方量计算决定了项目评审的关键。为了准确计算工程量和相关成本，选择合适的测绘方法非常重要。特别是在特殊区域，测量和计算困难，精度低。

土方测量有许多新技术。其中近距离摄影测量不受地形限制，符合土方平衡精度要求。同时，近距离摄影测量快速准确，产出效率高，节省工程生产资金。

本文以位于S市某大学的实验区为研究区域，将邻近摄影测量技术应用于该区域的土石方检查中。主要介绍近距离无人机三维地形数据的采集和处理过程，利用EPS、Cass等相关软件对近距离无人机采集的数据进行处理，进行三维建模，测试建模精度和土方计算，探索无人机近距离测量技术在土方检测中的优势。

项目管理：合理规划项目的进度、目的、成本等因素并制定细则。为项目进展提供了保障，意义重大。其中，工程审查是核心，土方验证是关键。审计前应制定严格的计划，并根据具体情况进行调整。

土方测量方法的选择对于工程管理具有重要意义。传统方法包括水准测量、全站仪和GPS测量。传统方法受场地影响较大，效率低，成本高。在近距离无人机航测应用中，场地障碍物不会影响测量。具有敏捷性和地形分辨率高、劳动力投入少、生产效率高、数据信息量大等优点。

近年来近距倾斜摄影测量的发展避免了传统模式的缺点。可以获得完整显示地形特征的高精度DSM，同时可以输出带有空间位置信息的正面摄影图像数据。图像采集过程包括明确工作任务、确定项目目标和请求飞行空间、规划航线、导航操作和飞行数据检查、照片编辑和结果提交。其流程图见图1。

图1 工作流程图

介绍了近距离倾斜摄影测量在土方测量中的操作和原理，进行了数据采集和三维建模，并测试了其精度，并探讨了其在土方测量中的可行性。

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土方量计算原理与方法

1.1 现有土方量计算方法

利用三棱柱法构造三角形和网格，得到每个三棱锥的填挖量，并利用累计的填挖量得到三棱柱法公式。

根据三角形各角高程的不同，每个区域可分为以下几种情况：填满且开挖或填满并开挖。每个点都被填充或挖掘，如图2(a)所示。

式中，S为三角形投影到参考面上的面积； H1、H2、H3为填挖高程，取各点的绝对值。

三角形的每个点都有填和挖，分为以下两部分：

底面形状为三棱锥和四边形楔形，如图2(b)所示。

其中，圆锥部分的体积计算公式为：

楔形部分的体积计算公式为：

式中，S为三角形投影到参考面上的面积； H1、H2、H3为各点的绝对充挖高程，H3为顶点充挖高程。

图2 三棱柱图

土方测量点之间的距离从几米到几十米不等。缩短点之间的距离可以提高测量精度。采用三维激光扫描仪，间距可达到毫米级精度，测点密度高，加密测点少。排除仪器的影响，土方测量精度较高，采用Cass软件进行计算。

土方量的计算有断面法、等值线法、方格网法、DTM法等。每种方法都有各自的优点和缺点，适合不同情况下的土方工程。

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土方量计算示例

2.1 研究区概况及总体流程

本实验采用DJI系列多镜头近倾斜摄影测量系统，通过真实3D建模方法模拟土方开挖和回填。利用可视化质量进行分析计算，提高土方平衡计算条件的准确性，控制工程成本。发挥着重要作用。

本次土方量计算试验的研究区是位于S市东南部的一所大学实验区的一部分。测量区域约100米，视野开阔，飞行环境良好。

使用单摄像头无人机采集该区域的数据，使用()和EPS软件编辑模型，最后使用CASS软件计算土石方平衡。

2.2 无人机图像采集

采集步骤包括现场勘察、路线设计、无人机准备和操作。

将飞行高度设置为70m。标题重叠为 80%，侧面重叠为 70%。设置路线的起点和终点、路线长度、间距和方向参数，规划矩形路线。采集图像的地面空间分辨率为3.06cm。总共收集了583张高质量的图像，包括建筑物的顶面信息和丰富的侧面纹理。进行了航空影像数据检查、重新拍摄或更改航线飞行。图3为航拍结果。

图3 航拍结果

2.3 用于现实生活三维建模的三维建模系统

利用空中三角测量进行计算和修正。运行结果合格后，进行块重构、块收缩、模型构建。输出的3D模型产品格式为OSGB，其操作步骤如图4所示。

图4 操作步骤

创建模型时，对多视点图像进行密集匹配，生成高密度点云数据，生成不同层次的不规则三角网，如图5所示，得到带有白模的三维模型。同时，如图6所示。软件可以根据每幅图像提供的精确位置信息计算出每个三角网对应的图像位置，然后将纹理信息与3D TIN模型进行配准，最后完成纹理附着到创建 3D 模型。

图5 测区纹理模型 图6 测区白色模型

2.4EPS软件提取高程点

EPS可以编辑多种数据。提供基于正射影像（DOM）、现实3D模型（osgb、3ds、obj、dsm等）、点云数据的3D采集编辑工具，支持大数据浏览和高效采集编辑库集成，直连以房地产、地理国情等专业的应用解决方案。将建模结果输入EPS中构建DSM。选择水平裁剪方式来裁剪并显示模型。选择 47.6 作为前向高程，为 65.7 作为反向高程进行切割。结果如图 7 和图 8 所示。

图7 模型切割前 图8 模型切割后

在测区范围内，采用选点、选线、选面的方式提取高程点。结果建立后，可以生成各种类型的数据。它可以按照一定的属性要求，完成通用形式的输出。

2.5Cass计算土方量

调查区域平坦面积21316.1m2，高程在48.412m～62.430m之间，总开挖体积12724.7m3，总填方体积25711.3m3。

采用DTM法计算土方量。在CASS中打开EPS导出的dwg文件，使用折线命令连接和闭合高程点，圈定土方范围并计算。

图9DTM土方计算结果图

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精密分析

土方计量计算的准确性与经济利益挂钩，必须遵循相关规范和标准，以保证结果的准确性。

采用五点法，将图像控制点设置在测量区域的四个角和中间。均匀设置10个特征点作为检查点，检查模型的准确性。现场应用测量的坐标被视为实际值。将模型上检查点的坐标与实际值进行比较，得到高程误差。

3-1是高程误差的计算公式。经计算检查点高程误差为0.188m，误差在0.021m～0.443m之间。

根据《1：500、1：1000、1：2000地形图航空摄影测量内部行业规范》GB/T7930-2008，该精度满足1：500地图比例尺测量规范。源数据和建模误差决定土方计算的准确性。 DIM土方量计算的核心是数据采集。 DIM方法是最接近源数据精度的模型。

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结论

项目管理对企业的经济利益、质量、形象、声誉影响巨大。选择正确的方法来验证工程量，特别是土石方量的计算尤为重要。

利用近距离航测技术获取土方量的技术具有以下优点：

（1）该技术不受地形限制，平坦、陡峭地区均适用；

(2)数据采集速度更快；

（3）获取地形高程数据，获取图像数据，更准确地圈定土方计算范围；

（4）得到的DEM可以直接导入软件进行计算分析，提高效率；

(5)减少工作量，节省生产成本。

近景倾斜摄影测量具有传统技术无法比拟的优势。采用特写航空倾斜摄影3D实景模型，模拟土方开挖回填过程。直观有效的土方开挖、运输分析计算，细化土方平衡计算，对工程成本控制和项目管理发挥重要作用。