一种基于无人机测绘技术的土方工程测算系统的制作方法

本发明涉及无人机测绘术领域，尤其涉及一种基于无人机测绘技术的土方工程测算系统。

背景技术：

无人机测绘是传统航空摄影测量手段的有力补充，具有机动灵活、高效快速、精细准确、作业成本低、适用范围广、生产周期短等特点，在小区域和飞行困难地区高分辨率影像快速获取方面具有明显优势，随着无人机与数码相机技术的发展，基于无人机平台的数字航摄技术已显示出其独特的优势，无人机航拍可广泛应用于国家重大工程建设、灾害应急与处理、国土监察、资源开发、新农村和小城镇建设等方面，尤其在基础测绘、土地资源调查监测、土地利用动态监测、数字城市建设和应急救灾测绘数据获取等方面具有广阔前景。

而在土方工程施工过程中的高度、深度、填方量、挖方量等数据难以精确测量，建设方难以精准衡量承建方的施工进度及施工量，承建方也难以提供准确有效的数据来证明自己的工作量，造成了双方的矛盾纠纷。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种基于无人机测绘技术的土方工程测算系统。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种基于无人机测绘技术的土方工程测算系统，包括图像数据采集、三维模型制作和土方工程测算，所述图像数据采集通过电路串联有三维模型制作，所述三维模型制作通过电路串联有土方工程测算，所述三维模型制作包括设备选型模块、路线规划模块和数据采集模块，所述设备选型模块通过电路串联于路线规划模块，所述路线规划模块通过电路串联于数据采集模块，所述土方工程测算包括数据输入模块、模型制作模块、数据校正模块和模型展示模块，所述数据输入模块通过电路串联于模型制作模块，所述模型制作模块通过电路串联于数据校正模块，所述数据校正模块通过电路串联于模型展示模块。

优选的，所述图像数据采集包括如下步骤：

a、建立设备选型模块：

a1、根据用户需求来确定作业区域，作业区域要覆盖全部含有目标图像特征的地区；

a2、根据作业区域的地形地貌地理环境选择无人机的型号，根据拍摄任务载荷，选用微型六翼无人机；

a3、选择专业的倾斜摄影摄像设备，倾斜摄影技术通过从一个垂直、四个倾斜，五个不同的视角同步采集影像，获取到丰富的建筑物顶面及侧视的高分辨率纹理，倾斜角度为倾斜线与垂直线夹角，设定为30°；

a4、地面控制设备向无人机发生控制指令，接收、存储、显示、回放无人机的高度、空速、航迹等飞行数据，并显示无人机工作状态，出现意外时能报警提示。

b、建立路线规划模块，根据用户需求，并结合作业区域的地形地貌地理环境设置无人机飞行的高度、航向重叠度、旁向重叠度、飞行速度、拍照间隔等参数，合理规划无人机的飞行路线，确保采集的图像数据能够获取目标的全部图像特征信息：

b1、设定航向重叠度，沿同一航线的相邻像片重叠部分的长度与像片边长之比，为60％-80％；

b2、设定旁向重叠度，沿两条相邻航线所摄的相邻像片重叠部分的长度与像片长度之比，为15％-60％；

b3、设定航线弯曲度，即为航线最大弯曲矢量与航线长度之比的百分数，小于3％；

b4、选取像片旋角，即为一张像片上相邻主点连线与同方向框标连线间的夹角，小于6°；

b5、确定航向重叠度、旁向重叠度后结合作业区域的地形地貌地理环境设置无人机飞行的高度、飞行速度、拍照间隔等参数；

b6、根据各类参数的设置，合理规划无人机飞行航线，航线规划为s路线，能够拍摄大面积的目标场景。

c、建立数据采集块，控制操作无人机按照设置好的参数进行实际飞行，使用倾斜摄像技术对作业区域目标图像的数据进行采集。

优选的，所述b1步骤中的航向重叠度为同一条线路中，照片与照片之间的重叠部分。

优选的，所述b2步骤中的旁向重叠度为线路与线路之间照片的重叠部分。

优选的，所述三维模型制作包括如下步骤：

d、建立数据输入模块，将保存在摄像机内存卡的图像数据导出并导入系统中进行初步处理：

d1、将保存在倾斜摄影技术所使用的5台摄像机内存卡的图像数据导出并保存在pc机中；

d2、将5台摄像机拍摄的所有数据放在一个文件夹中，相同名称的图片来源于同一位置5个摄像头航拍的图片，将其重命名后放入一个文件夹；

d3、将所有图片文件导入系统中进行初步处理。

e、建立数据输入模块，将保存在摄像机内存卡的图像数据导出并导入系统中进行初步处理：

e1、确定模型名称、格式、坐标系等模型参数，坐标系应用wgs-84坐标系；

e2、设置空中三角测量的参数，进行空中三角运算，将航线各处拍摄的图像数据进行拼接处理，初步建立所拍摄图像的三维模型。

f、建立数据校正模块，校正图像模型拼接时的畸变：

f1、人机航空拍摄影像在获取过程中，由于无人飞行器的姿态、高度、速度以及地球自转等多种原因导致图像相对于地面目标发生几何畸变，这种畸变表现为景物中目标物相对位置的坐标关系在图像中发生变化，像元相对于地面目标的实际位置发生挤压、扭曲、拉伸和偏移等，这种几何畸变需要进行校正；

f2、选中三维模型表面任意2点，输入图像中这2点的实际测量距离来修正模型拼接时的畸变，获得更准确的数据模型。

g、建立模型展示模块，展示与真实目标数据成比例压缩的三维模型，为土方工程中长度、高度、深度、填方量、挖方量的测算提供可靠的数据支撑：

g1、将修正后的三维模型保存为.osgb文件；

g2、将文件导入至展示模块中进行展示。

优选的，所述e1步骤中选取坐标系原点是地球的质心，空间直角坐标系的z轴指向bih定义的地极方向，即国际协议原点cio，所述wgs-84坐标系中x轴指向bih定义的零度子午面和ctp赤道的交点，y轴和z,x轴构成右手坐标系。

优选的，所述土方工程测算包括如下步骤：

q1、在土方工程施工前后使用同样参数及航路的无人机进行航拍，采集工程施工前后不同的图像数据；

q2、分别制作出施工前后目标的三维模型；

q3、使用计算机算法分析施工前后三维模型的数据差异，实现长度、高度、深度、填方量、挖方量的精确测算。

优选的，所述q3步骤还包括如下步骤：

p1、测算长度：直接取土方工程的起点、终点的坐标计算得到的长度将会小于实际长度，将土方工程的三维模型所需测算的一条边用若干点划分为若干小端，当点数量足够大，足够密集时，每个小段都可以认为是一条直线线段，那么相邻两个点之间的直线距离就可以认为是这两个点所在边的边长，所有点的距离加起来，就相当于所取边的长度，分别算出施工前后的三维模型的长度，可以得到施工长度；

p2、测算高度：土方工程在施工时很难将土方工程修建的绝对平整，最高点的高度并不能衡量工程的高度，取三维模型的最高点，找到经过最高点且垂直于底部所在水平面的横截面，将高点所在的一条边用若干点划分为若干小段，当点数量足够大，足够密集时，每个点与水平面的垂直距离可以认为是该小段的高度，求出若干小段高度的平均数，可以作为土方工程的高度。所测算的高度的准确程度取决于点的密集程度，分别算出施工前后的三维模型的高度，可以得到施工高度；

p3、测算深度：在施工时很难将工程底部修建的绝对平整，最低点的深度并不能衡量整个工程的深度，取三维模型的最低点，找到经过最低点且垂直于底部所在水平面的横截面，将最低点所在的一条边用若干点划分为若干小段，当点数量足够大，足够密集时，每个点与顶部所在的水平面的垂直距离可以认为是该小段的深度，求出若干小段深度的平均数，作为该工程所测算的深度，准确程度取决于点的密集程度，分别算出施工前后的三维模型的深度，可以得到施工深度。

p4、测算挖方量、填方量：挖方量是挖出土方的体积，填方量是施工时向地基或其他地方填充的土石方体积。土方工程一般都修筑为梯形断面，但是施工难以精确保证完成后是一个标准的梯形断面，其长度也不一定是直线，所以常用的底面积乘以高的体积公式并不能准确计算出挖方量和填方量。需要将整个工程分为若干个横向断面与纵向断面，将工程顶部的两条边线上所有点互相连接，形成工程的顶部，当划分很细时，工程顶部每个被断面围成的平面可以认为是一个长方形，每个被断面围成的立体空间可以认为是一个小长方体，通过横纵划分的点密度情况可以求出每个长方体顶面的面积，再求出长方体的高度，进而求出长方体的体积，经所有长方体的体积相加，可以得到整个工程的挖方量和填方量，对于已存在的土方工程进行扩建或缩容时，分别求出施工前后的挖方量相加，就能得到扩建的挖方量，程扩建后，顶部因为将挖出的土方堆砌至工程的两边时，计算时施工后模型的深度要由施工前顶部为水平面到施工后底部的水平面的垂直距离来决定。

本发明提供的一种基于无人机测绘技术的土方工程测算系统，通过无人机倾斜摄影技术进行土方工程的图像数据采集，利用空中三角测量技术建立土方工程的三维模型，使用计算机算法分析施工前后三维模型的数据差异，实现土方工程的长度、高度、深度、填方量、挖方量的精确测算，为承建方和建设方准确衡量土方工程施工量及施工进度提供精确可靠的依据，减少双方纠纷，提高工程建设效率。

附图说明

图1为本发明的基于无人机测绘技术的土方工程测算系统架构图；

图2为本发明的图像数据采集原理框图；

图3为本发明的三维模型制作流程框图。

1图像数据采集、2三位模型制作、3土方工程测算、11设备选型模块、12路线规划模块、13数据采集模块、21数据输入模块、22模型制作模块、23数据校正模块、24模型展示模块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种基于无人机测绘技术的土方工程测算系统，包括图像数据采集1、三维模型制作2和土方工程测算3，所述图像数据采集1通过电路串联有三维模型制作2，所述三维模型制作2通过电路串联有土方工程测算3，所述三维模型制作2包括设备选型模块11、路线规划模块12和数据采集模块13，所述设备选型模块11通过电路串联于路线规划模块12，所述路线规划模块12通过电路串联于数据采集模块13，所述土方工程测算3包括数据输入模块21、模型制作模块22、数据校正模块23和模型展示模块24，所述数据输入模块21通过电路串联于模型制作模块22，所述模型制作模块22通过电路串联于数据校正模块23，所述数据校正模块23通过电路串联于模型展示模块24。

作为优选的，所述图像数据采集包括如下步骤：

a、建立设备选型模块：

a1、根据用户需求来确定作业区域，作业区域要覆盖全部含有目标图像特征的地区；

a2、根据作业区域的地形地貌地理环境选择无人机的型号，根据拍摄任务载荷，选用微型六翼无人机；

a3、选择专业的倾斜摄影摄像设备，倾斜摄影技术通过从一个垂直、四个倾斜，五个不同的视角同步采集影像，获取到丰富的建筑物顶面及侧视的高分辨率纹理，倾斜角度为倾斜线与垂直线夹角，设定为30°；

a4、地面控制设备向无人机发生控制指令，接收、存储、显示、回放无人机的高度、空速、航迹等飞行数据，并显示无人机工作状态，出现意外时能报警提示。

b、建立路线规划模块，根据用户需求，并结合作业区域的地形地貌地理环境设置无人机飞行的高度、航向重叠度、旁向重叠度、飞行速度、拍照间隔等参数，合理规划无人机的飞行路线，确保采集的图像数据能够获取目标的全部图像特征信息：

b1、设定航向重叠度，沿同一航线的相邻像片重叠部分的长度与像片边长之比，为70％；

b2、设定旁向重叠度，沿两条相邻航线所摄的相邻像片重叠部分的长度与像片长度之比，为30％；

b3、设定航线弯曲度，即为航线最大弯曲矢量与航线长度之比的百分数，小于3％；

b4、选取像片旋角，即为一张像片上相邻主点连线与同方向框标连线间的夹角，小于6°；

b5、确定航向重叠度、旁向重叠度后结合作业区域的地形地貌地理环境设置无人机飞行的高度、飞行速度、拍照间隔等参数；

b6、根据各类参数的设置，合理规划无人机飞行航线，航线规划为s路线，能够拍摄大面积的目标场景。

c、建立数据采集块，控制操作无人机按照设置好的参数进行实际飞行，使用倾斜摄像技术对作业区域目标图像的数据进行采集。

作为优选的，所述b1步骤中的航向重叠度为同一条线路中，照片与照片之间的重叠部分。

作为优选的，所述b2步骤中的旁向重叠度为线路与线路之间照片的重叠部分。

作为优选的，所述三维模型制作包括如下步骤：

d、建立数据输入模块，将保存在摄像机内存卡的图像数据导出并导入系统中进行初步处理：

d1、将保存在倾斜摄影技术所使用的5台摄像机内存卡的图像数据导出并保存在pc机中；

d2、将5台摄像机拍摄的所有数据放在一个文件夹中，相同名称的图片来源于同一位置5个摄像头航拍的图片，将其重命名后放入一个文件夹；

d3、将所有图片文件导入系统中进行初步处理。

e、建立数据输入模块，将保存在摄像机内存卡的图像数据导出并导入系统中进行初步处理：

e1、确定模型名称、格式、坐标系等模型参数，坐标系应用wgs-84坐标系；

e2、设置空中三角测量的参数，进行空中三角运算，将航线各处拍摄的图像数据进行拼接处理，初步建立所拍摄图像的三维模型。

f、建立数据校正模块，校正图像模型拼接时的畸变：

f1、人机航空拍摄影像在获取过程中，由于无人飞行器的姿态、高度、速度以及地球自转等多种原因导致图像相对于地面目标发生几何畸变，这种畸变表现为景物中目标物相对位置的坐标关系在图像中发生变化，像元相对于地面目标的实际位置发生挤压、扭曲、拉伸和偏移等，这种几何畸变需要进行校正；

f2、选中三维模型表面任意2点，输入图像中这2点的实际测量距离来修正模型拼接时的畸变，获得更准确的数据模型。

g、建立模型展示模块，展示与真实目标数据成比例压缩的三维模型，为土方工程中长度、高度、深度、填方量、挖方量的测算提供可靠的数据支撑：

g1、将修正后的三维模型保存为.osgb文件；

g2、将文件导入至展示模块中进行展示。

作为优选的，所述e1步骤中选取坐标系原点是地球的质心，空间直角坐标系的z轴指向bih定义的地极方向，即国际协议原点cio，所述wgs-84坐标系中x轴指向bih定义的零度子午面和ctp赤道的交点，y轴和z,x轴构成右手坐标系。

作为优选的，所述土方工程测算包括如下步骤：

q1、在土方工程施工前后使用同样参数及航路的无人机进行航拍，采集工程施工前后不同的图像数据；

q2、分别制作出施工前后目标的三维模型；

q3、使用计算机算法分析施工前后三维模型的数据差异，实现长度、高度、深度、填方量、挖方量的精确测算。

作为优选的，所述q3步骤还包括如下步骤：

p1、测算长度：直接取土方工程的起点、终点的坐标计算得到的长度将会小于实际长度，将土方工程的三维模型所需测算的一条边用若干点划分为若干小端，当点数量足够大，足够密集时，每个小段都可以认为是一条直线线段，那么相邻两个点之间的直线距离就可以认为是这两个点所在边的边长，所有点的距离加起来，就相当于所取边的长度，分别算出施工前后的三维模型的长度，可以得到施工长度；

p2、测算高度：土方工程在施工时很难将土方工程修建的绝对平整，最高点的高度并不能衡量工程的高度，取三维模型的最高点，找到经过最高点且垂直于底部所在水平面的横截面，将高点所在的一条边用若干点划分为若干小段，当点数量足够大，足够密集时，每个点与水平面的垂直距离可以认为是该小段的高度，求出若干小段高度的平均数，可以作为土方工程的高度。所测算的高度的准确程度取决于点的密集程度，分别算出施工前后的三维模型的高度，可以得到施工高度；

p3、测算深度：在施工时很难将工程底部修建的绝对平整，最低点的深度并不能衡量整个工程的深度，取三维模型的最低点，找到经过最低点且垂直于底部所在水平面的横截面，将最低点所在的一条边用若干点划分为若干小段，当点数量足够大，足够密集时，每个点与顶部所在的水平面的垂直距离可以认为是该小段的深度，求出若干小段深度的平均数，作为该工程所测算的深度，准确程度取决于点的密集程度，分别算出施工前后的三维模型的深度，可以得到施工深度。

p4、测算挖方量、填方量：挖方量是挖出土方的体积，填方量是施工时向地基或其他地方填充的土石方体积。土方工程一般都修筑为梯形断面，但是施工难以精确保证完成后是一个标准的梯形断面，其长度也不一定是直线，所以常用的底面积乘以高的体积公式并不能准确计算出挖方量和填方量。需要将整个工程分为若干个横向断面与纵向断面，将工程顶部的两条边线上所有点互相连接，形成工程的顶部，当划分很细时，工程顶部每个被断面围成的平面可以认为是一个长方形，每个被断面围成的立体空间可以认为是一个小长方体，通过横纵划分的点密度情况可以求出每个长方体顶面的面积，再求出长方体的高度，进而求出长方体的体积，经所有长方体的体积相加，可以得到整个工程的挖方量和填方量，对于已存在的土方工程进行扩建或缩容时，分别求出施工前后的挖方量相加，就能得到扩建的挖方量，程扩建后，顶部因为将挖出的土方堆砌至工程的两边时，计算时施工后模型的深度要由施工前顶部为水平面到施工后底部的水平面的垂直距离来决定。

本发明提供的一种基于无人机测绘技术的土方工程测算系统，通过无人机倾斜摄影技术进行土方工程的图像数据采集，利用空中三角测量技术建立土方工程的三维模型，使用计算机算法分析施工前后三维模型的数据差异，实现土方工程的长度、高度、深度、填方量、挖方量的精确测算，为承建方和建设方准确衡量土方工程施工量及施工进度提供精确可靠的依据，减少双方纠纷，提高工程建设效率。