论文范文《市政工程无人机土方快速测量技术研究》改易查

作者:

关键词: 市政工程;无人机;土方;测量

发布时间:2022-02-28 16:45

摘要:为了更好地提升市政工程建设的精准性,就需要借助无人机融入到土方快速测量过程中,进而使得工程数据收集和整理的有效性能够得到提升。市政工程在建设的过程中具有面积大、勘察难度高等特点,因此借助无人机将能够更好地降低其中的人力物力成本,进而使得土方测量数据的精准度能够得到提升。本文将对市政工程中无人机土方快速测量技术的应用进行分析。


1 引言

无人机作为一种现代化高精度,高技术含量的测量和采集数据的工具为公路的勘察设计工作具有突破性的意义,它能够通过发射激光和接收反射的激光来获取地面信息,再通过处理后,配合其它软件构建出地面三维坐标。在市政道路的扩建和整改过程中,对市政道路周围两侧的扫描检测上,通常使用机载三维无人机扫描测量技术,在勘察规划的道路信息时,通过机器装载无人机系统后沿途扫描地面,获取道路的各项空间信息,再通过无人机相连的计算机接收和处理获取的数据,进一步实现路线规划方案的优化,为公路设计提供信息保证和可靠性。

2 市政工程无人机土方快速测量技术的实施技术路线

土方平衡的目的是获取原地形资料,并在整个工程红线范围内进行回填土平衡,其目的是获取原地形资料,获取原地形与设计地形之间的差异,并对设计地形进行动态调整。UAV航测仪在土方平衡方面的工作,主要是通过无人驾驶飞机获取真实地形的数字高程模型 DEM,再把它和设计标高的场址 DEM同时导入 Autodesk的三维可视化分析软件 Civil3D中,进行计算分析,并将其与设计标高的场址 DEM同时导入 Autodesk的三维可视化分析软件 Civil中,进行计算分析。

具体思路如下:

1)经实地勘察,确定了区域范围和地形条件,并根据现场环境,完成了无人驾驶飞机的航测数据采集。

2)利用航测资料处理软件对航测资料进行处理,生成 DEM数字高程模型。

3)利用AutoAV测量产生的 DEM,导入到Civil3D软件中,对地形进行曲面建模。

4)按照设计要求,对现场方案进行了初步设计,按照初步设计的标高,利用Civil3D软件构建设计表面模型。

5)结果表明,通过对比设计曲面,可以得到场地内土方填挖总量。

6)普通工程项目要求规定,填土与挖方数超过100,000立方米时,填土的差值小于5%,而在100,000立方米以下的土填土的最大开挖量和挖方量都在10%以上。按此要求判断场内填土是否均衡,如有不平衡,应调整场地设计标高,调整方案可根据情况确定,可对整个设计标高进行调整,也可以结合设计需要调整局部设计标高,再依据新的设计标高,重新构造设计曲面。

7)把调整过的表面与原设计表面相比较,再算出土方填筑方量,再再判断是否平衡,再重复多次,直至达到土方平衡要求。

8)当设计场地满足土方平衡后,可利用软件生成土方明细图,用于指导施工。

3 项目概况

污水处理所在区域地貌属丘陵山地地貌。工程为新建工程,污水处理工艺采用“粗格栅及进水提升泵房+细格栅及旋流沉砂池+调节池+厌氧水解池+改良A 2/O生化池+二沉池+高密度沉淀池+反硝化滤池+提升泵房+垂直流湿地+水平流湿地+转盘滤池+接触消毒池+表流湿地”,设计污水处理能力为4万m 3/d,用地面积147 010.83 m 2,总建筑面积为4 320.01 m 2,绿地率为42.7%。

3.1研究内容

针对污水处理项目土方工程实际施工组织,采用民用旋翼无人机,采用不同高度航拍,利用所获得的低空航拍图像,提取现场三维点云、DEM数字高程模型、等高线、临时堆土方测量、正射影像图生成等。

3.2研究方法

采用大疆系列旋翼无人机作为平台,采用了航向、横向重叠度都不低于60%,飞行高度不超过120 m的低空航拍图像,利用 Agisoft软件根据所记录的空间位置,利用倾斜摄影测量技术,快速获得临时设施转料场的三维点云和数字高程模型、等高线、正射影像图,最后计算出堆积土。与此同时,采用 A、 B两组对照试验,分析了影响结果资料质量的因素如航高、影像重叠度等。A组为同一飞行高度、不同图像重叠度的试验, B组分别进行了不同飞行高度和相同图像的重叠度试验。

3.3 结果与分析

堆土清运时场平标高类型选择与土方量测算分析经计算堆土坡脚边界曲面长为430.45 m,投影面积12527.26 m 2。堆土坡底边界呈不规则形, UAV取面高程后,计算堆土体积时,需确定基底高度。在对堆土清运总方量进行实际估算时,通常采用场平最终高度作为土方计量的基础高度来确定最终的土方清运量。当进行软件计算时,需要根据场地的最终形状和土地的后期处理方式概化到几何体,以此来选择计算方法。针对无人机产业中常见的 Agisoft软件,本文介绍了三种 GIS软件,即单一标高、平均标高、拟合标高等三种方法,分别给出了三种基于 GIS软件的基底启动方法。单高程是指在场平最终高程只有一种情况下,即堆土区用完后统一场平至相同标高的土方体积计算。平均数是指场地平整度后最后标高不一致,能形成一种近似均匀坡面的土方体积计量方法。拟合标高就是在场平之后,最终地面标高有许多不同值,而且无规律性的情况下,堆土区为临时借地,并且用完后按原地形恢复即可。由于在此工程中使用完堆土区后,场平最后标高应统一平整到180.00 m,基础类型选择适合于单标高计算土方体积方法。在这个时候,要把最终场平标高作为地基土的测量。该项目通过Agisoft软件的 volume计算选项,选择了 Above customlevel模式输入场平标高,得出需要清理的土方体积是20443 m3。土方数量测量结果见表1。

1起算基底标高与土方量表

 

3.4 无人机飞行高度、影像重叠度对数据结果影响

当无人驾驶飞机对某一固定距离进行测量时,相同飞行高度、不同图像重叠程度不同,所获得的图像总数将不相同,从而导致对最终结果进行提取,累积误差有差异;同时,不同飞行高度、不同航向、不同航向、风速和能见度等对图像质量和航迹的影响也会造成图像分辨率、成像精度和RMS的差异。为了探讨飞行高度和图像重合程度与资料质量之间的关系,建立了两组实验:A组分别进行同一飞行高度、不同影像重叠度、不同飞行高度及同一影像重叠度的试验。

1)影像资料和结果资料的不同高度的质量。同一航高下,所得到的正射图像分辨率没有明显差别。就 RMS值而言,像元位点准确度高,稳定性好,而产生的数据 Z方向误差值则有一定差别。

2相同航高、不同影像重叠度实验结果表

 

由表2中数据可知:对于 Z值误差,随图像重叠程度的减小,误差逐渐增加。本试验结果表明,在图像的航向、横向重叠程度低于70%的情况下,存在高程误差大于1 m的风险,在市政工程中很容易造成土方施工组织偏差。当横向交叠程度都超过70%时,则不会出现超过1 m误差。所以,在现场操作中,应考虑风向和能见度的不确定因素,在无人机测量中,最好避免采用70%以下的重叠,以避免由于再补测而增加外业工作量。

2)不同高度下、相同影像重叠度与成果数据质量

由从表3中数据可以看出:对于同样的图像,在相同的图像重叠程度下,随着高度的增大,图像的分辨率会产生明显的差异。随飞高增加,图像分辨率从2.33 cm降到5.91 cm,有逐步减少的趋势;正射图 RMS值也逐渐升高,超过1象元。当风向、能见度较好时,对取土方量最重要的 Z值误差均能维持较高的精度。然而,当设计航向时,由于航向、影像 X向与本地区季风方向一致的情况下,风场受风速及 GPS无差差定位误差的双重影响,使航姿误差在航向随高度增大逐渐增大;而在 Y方向,由于与季风方向垂直,在 Y方向上一直保持较高的精度。所以,在确定通用精度条件下的飞机飞行高度时,最好选择较小的飞行高度,以减小风场和可见度对飞机飞行姿态及成像清晰度的影响。

3不同航高、相同影像重叠度实验结果表

 

4结语

本文以现代化的污水处理勘察的技术需求出发,讨论污水处理的勘察技术的数据采集最优方案,使用高精度、高效率的无人机测量系统与公路CAD协同设计,将无人机采集到的数据通过CAD工具,绘制出各种高精度的数字图,不断优化设计方案,并以京港澳污水处理京石段扩改工程的施工案例来验证,事实证明该方案有以下几个优势:

1)高空+低空无人机数据测量,可以快速完成道路地面数据的高精度采集与处理。

2)高精度和高密度的无人机扫描数据直接代替了人工的实地测量和避免环境的破环,并且能完全保证测量数据的精度,满足公路扩建工程的数据支撑。

3)为设计人员快速生成各种断面地面线数据,减少了大量人工后期数据处理。

4)通过数据串口和功能集成,实现设计与测量的同步进行,将测量数据与公路CAD软件进行协同设计。

由此可见,无人机土方快速测量极大的提高了污水处理设计的工作效率,也大大降低的工程项目的成本,通过无人机土方测量系统后,一次的测量即可获取扩建工程所需的数据,并实现施工图设计和数据测量的同步进行,这些都证明了无人机土方快速测量推动着污水处理勘察设计技术的现代化发展。