地面開挖工程幾乎都會涉及土方計算工作。土石方的量算精度由地形表達質量直接決定。通過無人機攝影測量，并搭載云帆GAMA PPK高精度PPK方案。生成的地形表達完整，外業工作量小，內業自動化程度高，計算精度可靠，計算結果受測量方法和計算方法影響小。其成果用于兩期土方量計算，成果可靠性高且具有可視化效果。

1.無人機高精度攝影測量土方量計算方法

1. 1 云帆創新GAMA PPK無人機攝影測量技術

攝影測量能得到高精度高分辨率的數字表面模型DSM，充分地表達了地形地物起伏特征，能同時輸出具有空間位置信息的正攝影像數據，可在影像數據進行量測。無人機搭載PPK后差分模組具有精準 機動、靈活、快速、經濟等特點，以無人機PPK后差分方案作為航空攝影平臺能夠快速高效地獲取高精度 高質量、高分辨率的影像。

攝影測量技術通常包括影像預處理、區域網聯合平差、多視影像匹配、DSM 生成、真正射糾正、三維建模等關鍵內容。傾斜影像測量的關鍵技術:

多視影像聯合平差。多視影像不僅包含垂直攝影數據，還包括傾斜攝影數據，結合GAMA PPK厘米級POS 系統提供的多視影像外方位元素，在影像上進行同名點自動匹配和自由網光束法平差，得到較好的同名點匹配結果。

多視影像密集匹配。影像匹配是攝影測量的基本問題之一。因此，如何在匹配過程中充分考慮冗余信息，快速準確獲取多視影像上的同名點坐標，進而獲取地物的三維信息，是多視影像匹配的關鍵。

數字表面模型生成和真正射影像糾正。多視影像密集匹配能得到高精度高分辨率的數字表面模型( DSM) ，充分表達地形地物起伏特征。由于多角度傾斜影像之間的尺度差異較大，加上較嚴重的遮擋和陰影等問題，基于傾斜影像的DSM 自動獲取存在新的難點。

傾斜攝影測量的數據本質上就是網格面模型，它是由點云通過一些算法構成的。而點云是在同一空間參考系下用來表示目標空間分布和目標表面特性的海量點集合。內業軟件基于幾何校正，聯合平差等處理流程，可計算出基于影像的超高密度點云。

1. 2 無人機PPK后差分攝影測量作業流程

1. 2. 1 數據獲取

數據的獲取使用DJI大疆精靈4 PRO 搭載云帆GAMA PPK后差分同步采集地表影像，與高精度POS。

1. 2. 2 數據處理

對通過影像質量檢查的照片進行多視幾何影像匹配獲得稀疏點云。通過相應的算法對稀疏點云加密得到密集點云，再對密集點云進行網格化和紋理映射得到三維模型。

1. 2. 3 成果輸出

由得到的三維模型獲取4D 產品。                                   

數據處理軟件可選用PhotoScan 軟件進行全自動化的處理，通過給予的控制點生成測量坐標系統下的真實坐標的三維模型。并以該高精度實景三維模型為基礎，獲取DSM、DOM、DLG 等測量成果。具體作業流程見圖1。

1. 3 根據DEM 土方量計算

土方計算的關鍵在于原始地形地貌和開挖后地貌的準確表達。ARCGIS 計算土方量以數字高程模型( DEM) 作為基礎通過空間分析和疊加分析功能對開挖前后地形模型進行分析并用ARCGIS 軟件所帶的統計分析模塊計算填挖區域的體積，得到最終的填挖土方量。

ARCGIS 軟件利用柵格數據計算土方量的。柵格數據結構簡單，非常利于計算機操作和處理，是GIS 常用的空間基礎數據格式。基于柵格數據的空間分析是GIS 空間分析的基礎。ArcGIS 柵格數據空間分析模塊( Spatial Analyst) 提供有效工具集，方便執行土方量的計算問題。通過傾斜攝影測量的方法獲得將前期地表數據和后期地表數據網格化數據，對兩個格網數據進行差計算，其差值就是該格網點的填(挖) 高度。

基于ArcGIS 計算挖填土方量的基本原理，應用軟件進行土方量計算的具體工作可歸納為以下幾個步驟。

1. 3. 1 數據準備

準備通過傾斜攝影測量得到的開挖前DEM 和開挖后DEM 或由設計數據生成的DEM 數據。

1. 3. 2 數據處理

檢查數據坐標系統的一致性，保證兩期數據具有相同的坐標系統和高程系統，坐標系統應為高斯投影平面坐標。

1. 3. 3 土方量計算

通過3D Analyst 工具→柵格表面→填挖方工具來計算土方量。圖2 對話窗口中選擇輸入兩期DEM數據，輸出柵格為最終提取出的開挖或回填范圍內的DEM 數據存儲位置。

　　圖2 ARCGIS 計算填挖方工具對話框

1. 3. 4 土方量統計

根據最終提取出的開挖或回填范圍內的DEM數據，利用ArcGIS 的統計功能統計填挖方量。

圖3 開挖或回填范圍內的數據表

無人機后差分傾斜攝影測量土方量計算實例                                 

 以某露天礦開采為例，要求定期計算開采量。利用大疆無人機搭載PPK后差分作為數據采集平臺獲取兩期DEM 數據，ArcGIS 軟件計算土方量，其結果與實測數據進行對比分析。

2. 1 數據準備

通過航線規劃、像控點測量、航空攝影等步驟獲得航片數據，內業通過Photoscan 軟件自動化處理。通過對齊照片、建立密集點、生成網格等流程導出DEM 數據。

圖4 開挖前后DEM 數據

2. 2 土方量計算及數據統計

通過3D Analyst 工具→柵格表面→填挖方工具來計算土方量。輸出柵格為最終提取出的開挖或回填范圍內的DEM。以不同顏色標記填挖方區域。

圖5 開挖或回填范圍內的DEM

2. 3 土方量計算三維可視化

利用DEM 數據在ArcScene 中進行三維顯示，填挖方位置直接的反映出來，提供直觀的變化效果。如圖6 所示。在ArcScene 中將正射影像數據和DEM 數據進行疊加可獲得三維地表模型( DSM) ，在模型中可以查詢任意一點的坐標、高程、坡度坡向等地形信息。如圖7 所示。

　　圖6 土方計算可視化三維顯示

　　圖7 三維顯示及任意點查詢顯示

2. 4 測量結果對比

通過對RTK 實測數據計算結果和傾斜測量計算結果的對比，挖方量結果差值比為0. 04，與RTK測量結果基本保持一致。填方量差值比較大，分析其原因主要由測量誤差造成。露天礦開采理論上應均為挖方量，填方應為零。計算結果所得填方數據經分析應為測量誤差引起。由于測量誤差的存在導致兩次測量數據對同一地形表達結果有所差異造成。因此此次實例中的填方量差值比不具有參考意義。差值比的計算方法如下:

結語

云帆創新 GAMA PPK無人機后差分方案成果結合ArcGIS 軟件計算土方量，其精度可靠，外業工作量小，內業自動化程度高。在其提供可視化成果之上實現量算、查詢等功能。