基于SuperMap的风机开挖量计算方法_邵帅.pdf

第 46 卷 第 1 期2023 年 1 月测绘与空间地理信息GEOMATICS&SPATIAL INFORMATION TECHNOLOGYVol.46,No.1Jan.,2023收稿日期:2021-05-10作者简介:邵 帅(1992-),男,河南商丘人,硕士,2017 年毕业于山东科技大学大地测量学与测量工程专业,主要从事无人机航空摄影测量等方面的应用研究工作。基于 SuperMap 的风机开挖量计算方法邵 帅(上海电力设计院有限公司,上海 200025)摘要:随着无人机倾斜摄影测量技术的日渐普及,无人机在电力工程项目中的应用也越来越多,特别是在土方量计算及线路选址方面。本文采用了基于 SuperMap 超图平台的土方量计算方法,通过无人机快速采集风机施工现场的航摄影像,通过自动建模软件生成 DEM 并作为计算数据源,即可获取风机机位的开挖量,并与传统的土方量计算方法进行了对比验证,计算数值精度较高,能够满足实际施工管理的需要。关键词:无人机;倾斜摄影;SuperMap;DEM中图分类号:P231 文献标识码:A 文章编号:1672-5867(2023)01-0177-03The Calculation Method of Fan Excavation Volume Based on SuperMapSHAO Shuai(Shanghai Electric Power EngineeringDesign Institute Co.,Ltd.,Shanghai 200025,China)Abstract:With the increasing popularity of UAV oblique photogrammetry technology,more and more applications are being applied in power engineering projects,especially in earth calculation and route selection.In this paper,a calculation method of earthwork based on SuperMap platform is used.The aerial photograph of the fan construction site is collected quickly by the unmanned aerial vehicle.DEM is generated by the automatic modeling software and used as the data source for calculation.The excavation volume of the fan lo-cation can be obtained,which is verified by comparing with the traditional calculation method of earthwork.The calculation accuracy is higher and can meet the requirements of construction management.Key words:UAV;oblique photography;SuperMap;DEM0 引 言无人机倾斜摄影1以无人机作为基础平台,用于搭载市场上多种型号的倾斜摄影测量系统(以下简称为“倾斜相机”),可以从下视(垂直)、前视、后视、左视及右视等5 个视角、不同方向完成对测区内地物地貌的影像采集工作,同时可获得飞机的空中作业姿态数据(主要包括空间三维坐标和飞机姿态角)、高分辨率的航空影像。后期通过全自动建模软件可生成高分辨率、高精度、富有真实感的三维模型以及数字高程模型 DEM、正射影像 DOM、彩色点云等数字化成果,进一步获取测区内地物地貌的地理空间信息,包括三维空间坐标、地物类别及要素图层等信息,输出相应格式的成果文件并运用于各自的三维可视化平台,满足了人们对三维地理信息的需要。当前,无人机倾斜摄影测量技术已经在智慧城市、城市规划、应急抢险、土地管理、电力巡检、基础国情地理信息更新等行业中广泛应用,例如,在工程项目施工的过程中,无人机倾斜摄影测量通过计算施工现场的土方量大小及施工材料的消耗量,能够帮助项目经理精确判断建设项目的施工进度与工期预测,有效地提高了工程数据统计的可靠性与科学性;在城市规划方面,通过无人机倾斜摄影测量系统可实现客观真实的三维模型的创建,并与城市的规划控制数据模型进行叠加,从而改变了以往的规划用地监察模式,进一步节省了大量的人力、物力,更加科学地规范了城市用地的监督管理。随着政府提出的“十四五”总体规划2的新能源发展专项规划,必须坚持以绿色、低碳、循环、高效、经济的原则,为实现碳达峰、碳饱和的国家经济发展目标,故“十四五”期间势必会有越来越多的光伏发电、风力发电、核电站以及海上风电项目提上日程,以此支撑国家的电网资源优化配置能力和经济社会发展承载能力迈上新台阶。而风力发电项目中风机机位的设计选址、现场测量、配套线路和基坑施工填挖等阶段中都必然会涉及土方量的计算应用(一般情况下,对实际现场风机施工影响较大的是风机的开挖量,不是填挖量,因为施工单位将挖土全部用于回填而不会用于运输至其他埋设地点,以此来节省施工成本),因为土方量会直接关系到工程项目的费用概算、线路优化及方案选优,因而风机机位的开挖量大小的精确计算在风力发电工程项目中显得愈加重要。如何快速精确地计算出风机机位的开挖量数值就成为风力发电项目现场施工面临的一大难点以及项目管理者备受关注的热点。1 土方量传统计算方法土方工程在整个风机基础施工项目中占据着重要地位,土方量直接影响着整个工程施工进度及造价预算3。目前,土方测量的主要测绘技术产品包括全站仪、水准仪、GPS RTK、无人机、激光扫描仪、测量机器人等,由测绘人员使用采集相关基础数据,然后使用专业土方计算软件计算土方量以及输出填、挖方量统计报表。风机基础开挖过程中的传统土方测量手段效率低下,表现为外业数据采集周期长、内业计算方法落后及精度低,导致无法实时掌握精确“多频次”的土方量。无法实时掌握风机基础的开挖土方量,则无法详细地对风机施工进度进行有效地监管把控,工程进度款的及时支付也缺乏坚实的数据支撑。传统土方量计算的常用方法4包括方格网法、断面法、DTM(不规则三角网 TIN)法和等高线法,使用的基础数据 大 多 数 是 高 程 点(“DAT”文 本 文 件)、等 高 线(“DWG”或“DXF”矢量地形图文件),数据采集方式基本是使用全站仪、RTK、电子水准仪等常规测绘产品中的一种或者几种,并需要专业测绘人员进行风机基础关键位置坐标点的采集工作,然后使用南方 CASS 绘图软件计算土方量的数值并输出填挖量的统计报表。因此,传统土方量的计算方案通常周期较长,计算过程烦琐,受外界条件干扰较大,耗费了大量的人力物力资源而效率低下。其中,方格网法5主要是通过将场地划分成多个同样大小的方格网(长方形或者正方形,通常划分为正方形格网),依据坐标插值算法,标记出零点的位置,计算出单个方格网的填挖方后统计整个场地内网格的填挖方量,即得到整个场地的填、挖方量,故方格网法主要适用于场地较为规整、地形起伏不大、范围有限的测区。三角网法6-7是通过在方格网的基础上进一步划分生成不规则三角网,使整个计算土石方的地形形成了由三角锥组成的集合,并根据给定的设计高程确定零平面。零平面与三角网的交叉点为该三角网填挖量的计算零点,通过体积计算公式,即可计算可得出该三角网的填挖量,最后统计所有三角锥土方量之和,即为整个场地的土方量,故三角网法可适用于地形起伏较大、范围广泛的测区。2 基于栅格 DEM 的土方量计算方法传统土方量计算方法具有局限性 需要人工“接触式”测量,且测量的数据均为离散的点状分布。外业作业方面,如到达风机现场后遇工程机械正在施工,则外业测量作业人员无法进入基坑内进行测量,必须等待施工机械停止后才能进入基坑采集数据,故传统人工测量容易受到外界施工活动的干扰,必将严重影响外业数据测量效率、采集的数据精度;内业计算方面,由于各点位之间间隔较大,传统土方量计算方法仅仅只能依靠稀疏离散的坐标点按照方格网、三角网等数学模型,内插局部关键点,必将会导致整体点位精度降低以及计算效率降低。因此,除已有传统土方量的计算方法外,迫切寻求新的土方量计算方法,以此来缓解工期带来的压力。目前,随着科学技术的飞速发展以及新型测绘设备的不断涌现和持续升级换代,很多专家学者也在探索土方量计算的新方法、新技术、新设备,如基于无人机、激光雷达、扫描仪、SLAM 移动背包测量机器人等新型测绘设备来采集基础数据(航空影像、原始激光点云、空间坐标点文件),经过数据处理,输出合格质量的新数字化产品(三维实景模型、DEM 数字高程模型、DOM 数字正射影像、彩色激光点云 LAS 文件、风机基础关键点高程坐标数据),参考施工方案的设计标高,进一步结合数据和计算方法精确计算施工场地的土方量数值。数字高程模型8DEM(Digital Elevation Model,缩写为DEM),使用地面单元高程数值的集合进行表达的地理实体模型,可直接表达地面地形的起伏状况,即地面地形的数字化模拟。实际工作中,DEM 模型通常存储为 GeoTIFF(TIFF)无压缩栅格文件格式,能够较为准确、真实地反映出地表地形的高低起伏情况,方便人们用于工程建设中的土方量计算、通视分析等。因此,使用 DEM 模型数据进行土方量计算成为很多专家学者的研究方向之一。其中,朱连辉等9引入无人机技术(UAV,Unmanned Aerial Vehicle)采集土地平整工程基础数据,并生成待平整土地的 DEM 数据,进而借助 ArcGIS 数据库管理平台的高程统计功能获得适合研究区的理想设计标高,在此基础上获得场地田块的挖、填土方量,但是填挖平衡分析很难在实际施工中完全实现,主要受限于地形起伏、地表地物分布利用情况;徐婵等10使用 ArcGIS 平台先将栅格 DEM 转换生成不规则三角网 TIN,再通过现状 DEM 和设计 DEM叠加生成土方量的填挖边界,即可获取开挖量、填挖量,计算速度较快,但是该方法试用于较高密度的高程点区域,外业采集的数据量较大,而且三维可视化效果不甚理想。无人机倾斜摄影测量系统以大场景、高精度、高度真实感的优势,可采集丰富齐全的实地影像,全面感知三维空间立体复杂场景,并通过高效的数据采集设备及专业的数据处理流程,生成客观真实的三维实景模型、栅格DEM 模型及激光彩色点云数据,为风机基础平台的动态土方开挖量计算提供可靠的现状地形数据。本文采用无人机倾斜摄影测量系统采集测区现状数据作为基础数据,首先对原始航拍影像进行畸变校正、边871 测绘与空间地理信息 2023 年缘无效影像剔除及匀光匀色(主要针对部分不清晰影像);对经过初步预处理后的航摄影像,通过自动建模软件 ContextCapture 进行处理操作,然后制作输出符合质量要求的三维模型、彩色点云、正射影像 DOM、栅格 DEM 等数字化成果;接着以栅格 DEM 为风机基础平台开挖量计算的基础数据,结合超图 SuperMap 倾斜摄影平台,即可快速、高效地计算出风机的开挖量。3 实例分析实验所选风机机位位于河北省张家口市康保县某处,该处地形起伏不大、地物稀疏、视野空旷,适宜采用无人机航空作业模式以提高土方量计算效率而满足施工需要。故采用精灵 Phantom 4 RTK 无人机倾斜摄影测量系统采集风机机位的 2 个不同时期(开挖前、开挖后)的航空影像,航摄范围一致,影像采集范围约为风机中心100 m100 m 的地块区域,影像数量 60 张,地面分辨率统一设置为 1.8 cm,而实际风机机位的范围线为 30 m30 m,完全覆盖了风机的实际建设位置,可以满足实际施工的需要。在使用美国 Bentley