基于无人机倾斜摄影测量的土石方量算

基于无人机倾斜摄影测量的土石方量算
摘要：土方工程量计算是道路设计的重要内容之一，贯穿于项目整个生命周期，准确快速计算土方工程量对于节省项目总投资、合理分配项目资金具有重大意义。

倾斜摄影技术能快速采集数据，建立数字高程模型（DEM），将其与 BIM 技术结
合能实现快速计算土方工程量。

基于此，本文将主要分析无人机倾斜摄影测量在
土石方量算中的应用。

关键词：无人机；倾斜摄影；土石方量算
1.无人机倾斜摄影测量的基本原理
倾斜摄影测量技术是国际测绘遥感领域近年发展起来的一项高新技术，它可以通过在同
一飞行平台上搭载的多台传感器，同时在多个视角采集影像，与此同时，机载传感器也记录
下 POS 数据，并配合像控点等位置信息，嵌入影像等地理信息，从而生产可以量测的实景三
维模型及其附属产品，如正射影像（DOM）、数字表面模型（DSM），从而获取地面上的真
实地物信息。

目前，倾斜摄影测量技术已经逐步替代传统测绘在数字地形图生产、土石方量
算等生产实践中被广泛应用。

2.无人机倾斜摄影测量土方量计算方法
2.1无人机倾斜摄影技术
倾斜摄影测量技术通常包括影像预处理、区域网联合平差、多视影像匹配、DSM 生成、
真正射纠正、三维建模等关键内容。

倾斜影像测量的关键技术：
①多视影像联合平差。

多视影像不仅包含垂直摄影数据，还包括倾斜摄影数据，结合POS 系统提供的多视影像外方位元素，在影像上进行同名点自动匹配和自由网光束法平差，
得到较好的同名点匹配结果。

②多视影像密集匹配。

多视影像密集匹配过程中应充分考虑冗余信息，快速准确获取多
视影像上的同名点坐标，进而获取地物的三维信息。

多视影像密集匹配技术的快速应用依赖
于近年来随着计算机视觉发展起来的多基元、多视影像匹配技术。

③数字表面模型生产。

数字表面模型生产的关键技术是首先应选择合适的影像匹配单元
进行特征匹配，其在获取高密度的数字表面模型后进行滤波处理，并融合不同的匹配单元，
从而形成统一的数字表面模型。

2.2无人机倾斜摄影测量作业流程
无人机倾斜摄影测量的作业步骤如图 1 所示。

④土方量统计。

根据最终提取出的开挖或回填范围内的 DEM数据，利用 ArcGIS 的统计
功能统计填挖方量。

3.实例分析
以某露天矿开采为例，要求定期计算开采量。

利用大疆无人机搭载单镜头作为数据采集
平台获取两期 DEM 数据，ArcGIS 软件计算土方量，其结果与实测数据进行对比分析。

3.1数据准备。

通过航线规划、像控点测量、航空摄影等步骤获得航片数据，内业通过Photoscan 软件自动化处理。

通过对齐照片、建立密集点、生成网格等流程导出DEM 数据。

3.2土方量计算及数据统计。

通过 3D Analyst 工具→栅格表面→填挖方工具来计算土方量。

输出栅格为最终提取出的开挖或回填范围内的 DEM。

以不同颜色标记填挖方区域。

3.3土方量计算三维可视化。

利用 DEM 数据在 ArcScene 中进行三维显示，填挖方位置直
接的反映出来，提供直观的变化效果。

在 ArcScene 中将正射影像数据和DEM 数据进行叠加可获得三维地表模型( DSM) ，在模型中可以查询任意一点的坐标、高程、坡度坡向等地形
信息。

3.4测量结果对比。

通过对RTK实测数据计算结果和倾斜测量计算结果的对比，挖方量
结果差值比为 0.04，与RTK测量结果基本保持一致。

填方量差值比较大，分析其原因主要由
测量误差造成。

露天矿开采理论上应均为挖方量，填方应为零。

计算结果所得填方数据经分
析应为测量误差引起。

由于测量误差的存在导致两次测量数据对同一地形表达结果有所差异
造成。

因此此次实例中的填方量差值比不具有参考意义。

3.5应用结果分析。

①无人机倾斜摄影技术建模相比三维激光扫描仪建模具有外业工作
量小、人力资源消耗少、成本低和效率高的优势。

通过规划航测路线，无人机自动采集数据，降低外业工作强度；采用专业的建模软件，建模过程的自动化程度高；设备成本低，在实际
工程中能够大规模推广应用。

②根据“倾斜摄影技术获取三维地形特征数据—三维逆构法计
算土方工程量”思维的 BIM 方法能够实现土方工程量的快速计算，做到实际模型与逆构模型
的精确对应，提高计算精度。

③倾斜摄影技术建立的模型精度是由相机像素决定的，影像的
分辨率与三维激光扫描技术相比还存在一定的差距，在细节部位和遮蔽较多区域由于拍摄不
够清晰，致使重建的三维模型精度不够，局部位置出现拉花现象，可以通过补拍局部范围照
片来提高模型精度。

结语：
综上所述，基于无人机倾斜摄影测量的土石方量算是一个随着无人机航测技术发展起来
的方向，可以预见未来的发展前景，这种土石方量算方法必将取代传统全站仪外业测量方法。

参考文献：
[1] 刘晓燕，李育平，吴金城. 基于无人机倾斜摄影测量的土石方量算[J].测绘技术装
备,2020.
[2] 曹娟.无人机倾斜摄影测量在土方量计算中的应用[J].矿山测量,2019.
[3] 高文军.计算土石方量的几点体会[J].北京测绘，2015(1)：143-146.。