[摘要]：针对土石方测量中快速、准确和安全计量的需求和采用传统方法作业过程中存在的外业工作量大等问题，研究了无人机航空摄影测量技术的工作原理及其在土石方测量中的应用方法，解决了传统方法作业过程中存在的外业工作量大、效率低、费用高等难题。以实例介绍了无人机航空摄影测量在土石方测量中的应用过程，通过外业数据采集、内业数据处理得出土石方量，分析了测量精度。实验证明，该方法可达到相应国家规范的土石方计算精度要求，且快速安全，避免了大量人工作业，降低了人员安全保障投入，提高了生产效率，节约了生产成本。
[关键词]：无人机；遥感影像测量；土石方量计算
0背景和意义
传统的土石方测量方法受场地影响大、效率低下、人工成本高，亟待寻求一种高效、安全且经济的测量方法。无人机航测作为测绘发展的新技术，以其机动灵活、数据现势性强、影像分辨率高、减轻劳动强度、提高生产效率等优点，已在工程勘测、设计、施工、竣工验收及运行等多个环节中发挥了重要作用。该方法不受场地障碍影响，费用相对低廉，在对场地土石方量追踪管理方面成本较低，同时由于避免了大量人工现场作业，大幅提高了测量人员的安全保障。
1无人机遥感影像测量技术体系
无人机主要由机载部分和地面部分组成，飞控系统可与GPS、北斗、GLONASS等进行组合导航，通过预设的航带参数，进行等距离、定点拍摄。
地面站控制系统通过控制软件实时显示飞行器飞行数据和定位信息，在获得飞行数据和获取坐标的同时，借助计算机的地面站软件得到飞行航迹和参数，实现无人机遥控导航盲飞，无人机能实现定高自动驾驶，可预先输入航迹，实现自动按航线飞行执行任务，也可随时更改航迹任务。
航线采用区域网法布设，平地的第一条航线和最后一条航线布点的基线数跨度不大于8、微丘陵地区基线数不大于12、重丘陵地区基线数不大于16、中间航线布点基线数跨度不大于15，航线之间布点按照隔航线布点。像控点的高程采用GPS水准测量方法拟合，分段拟合时要进行充分检验。像控点选刺时必须选在影像清晰的明显地物上，一般可选在交角良好的细小线状地物交点、明显地物折角顶点、影像小于0．2mm的点状地物中心。
测量数据处理采用SfM法(Structure from Motion)，它是基于计算机视觉算法发展的新型数字摄影测量方法，仅需目标物体的照片就可以快速获取高质量的正射和三维成果，而对相机拍摄位置、图像尺度及拍摄焦距等均没有要求。SfM法的核心处理步骤包括空三测量和光束平差两步，照片集经处理后可生成场景稀疏三维点云数据；然后通过像控点将点云校正到真实坐标系统；再对稀疏点云进行加密以生成密集点云；最后以密集点云数据为基础，就可以进一步生成灾害体所在区域的数字表面模型、数字正射影像以及三维模型等成果数据并加以应用。
2土石方计算
土方量计算方法采用DTM法，不规则三角网(TIN)是数字地面模型DTM表现形式之一，该法利用实测地形碎部点、特征点进行三角构网，对计算区域按三棱柱法计算土方。基于不规则三角形建模是直接利用野外实测的地形特征点(离散点)构造出邻接的三角形，组成不规则三角网结构。计算软件采用HTCAD，是一款基于AutoCAD平台的专业土方计算地形分析软件，提供了多种土石方量计算方法，可进行分区土方挖填量调配优化。
3工程应用实例
3.1工程概况
本工程位于铜川市王益区某黄土沟道，长约800，宽约400m，面积0.32km2，总体地势西北高东南低，高程980~811m。沟道西侧梁峁坡面被因人工开挖形成台阶状，而沟谷东岸斜坡地段由于长期受流水侵蚀，地形起伏较大，冲沟发育，沟坡陡峻，加之堆积大量废石渣，造成相对高差大，地形起伏落差大，通视条件较差。且在工作期间，工作现场仍有土方挖运活动，造成地形不断变化，为按时完成工程勘查设计任务，及时跟进现场变化，保证勘查设计成果与现实一致，实施了多次无人机遥感影像测量技术，快速提交测量成果并及时计算土方变化情况和设计量，有效推进了工程实施。
3.2实施航测
测量设备采用大疆Phantom4RTK无人机实施，该设备为专业级测绘无人机，内置实时差分RTK功能，能够获取高精度POS数据，定位精度：垂直1.5cm+1ppm、水平1cm+1ppm。同时具有POS辅助空中三角测量，能将全球导航卫星系统（GNSS）和惯性导航系统（INS）组合而成的定位定姿系统引入到航空摄影测量中，利用动态差分GNSS技术和惯性导航系统测定摄影瞬间的位置与姿态，经过严格的数据后处理，获得影像在摄影瞬间的外方位元素，使摄影测量野外工作量大大减少，甚至完全免去地面控制点。为保证测量精度，该现场设置了4个像控点。
为满足1:1000地形图测绘对影像分辨率的要求，使用Phantom4RTK无人机自带的DJIGO航线规划测区航线。设置航线飞行高度150m，地面分辨率5.3cm，航向重叠度80%，旁向重叠度80%。工程进行了多次飞行，选取其中一个架次进行说明，拍摄照片972张，通过专业航测软件生成测区DOM及DSM，数据处理流程与前文所述一致。
根据检查点外业实测坐标与图解坐标平面、高程位置的差值，采用点位中误差计算公式（式1）计算点位平面、高程点位中误差。检查点点位中误差计算公式为：
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式1
式中：m—检查点中误差
本次测量在设置4个像控点的情况下，ΔS最大值0.0837，中误差0.0519，ΔH最大值0.1190，中误差0.0955，完全满足《1:5001:10001:2000地形图航空摄影测量内业规范》（GB/T79330-2008）的精度要求。
3.3土方计算
采用不规则三角网(TIN)法作为本工程的土方计算方法，计算软件采用的是HTCAD土方计算地形分析软件，地形数据提取格网间距设置为5m，并根据现场实际情况，适当增加特征点以及地性线，土方计算参考面为初次测量成果，初次土方测量采用的是“GPS+全站仪”模式，其中GPS利用CORS技术进行测站点平高坐标采集以及碎步点平高坐标采集，全站仪用来采集碎步点，点采集间距控制在10m以内。
土方高程点数据量较为密集且分布均匀，而且构网三角形几何形状也比较好，大小也比较均匀，从而为构建高精度的地面模型以及高精度的土方计算结果提供了坚实的保证，也进一步说明了无人机遥感影像测量技术在土方测绘项目中的应用优势。
3.4成效对比
本文对全站仪+GPS、无人机遥感影像测量两种模式的关键参数进行了统计，无人机遥感影像测量的构网三角网个数是全站仪+GPS模式的1.9倍以上，地面模型的表征能力得到大幅提高；无人机遥感影像测量+软件计算所需人员则为传统方法的13.16%，节省人力成本85%以上；无人机遥感影像测量+软件计算模式仅耗时3天，不到传统方法的一半。
4结语
本研究采用无人机航测技术进行土石方量计算的流程以及数据处理法，结果表明，具有如下优势：①相对于传统土石方测量方法，无人机航测技术更加机动、灵活，不受地形限制，在平缓、陡峭地区均适用；②数据采集更加快速，传统方法数据采集通常需要数周，该方法一般仅需１ｄ就能完成，特别是当测量面积较大时其优势更加明显；③在测得地形高程数据同时，该方法获取了影像数据，可更加精确界定土石方的计算范围，使计算结果更加精准；④所得的ＤＥＭ为数字形式，可直接导入软件中进行计算分析，提高了计算效率；⑤减少了人员投入，减轻了外业工作量，节约了生产成本。
作者简介：卢崇明，（1984-），陕西安康，硕士，主要从事地质灾害治理、矿山生态修复等方面的工作。E-mail：250506119@qq.com。