CN111783191A - 基于倾斜摄影技术的山区道路土方量计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于倾斜摄影技术的山区道路土方量计算方法，本方法采用无人机拍摄获得初步倾斜摄影数据，生成初始倾斜摄影三维实景模型；将高程数据录入道路设计模型中，生成初始路基横断面图；完成道路施工生成施工后的倾斜摄影三维实景模型，将施工后的高程数据替换道路设计模型中的高程数据，生成施工后的路基横断面图，按同桩号生成路基横断面比较图，按不同桩间距进行土方工程量计算，根据桩间距与挖方和填方误差关系，得到满足最大误差要求的挖、填土方量的最大直线桩间距；计算道路土方横断面面积，依据面积和相邻路基横断面距离计算有效挖、填土方量。本方法提高计算效率、降低成本，为工程预算和结算提供可靠依据。

Description

基于倾斜摄影技术的山区道路土方量计算方法

技术领域

本发明涉及道路工程技术领域，尤其涉及一种基于倾斜摄影技术的山区道路土方量计算方法。

背景技术

通常山区道路起伏较大，在道路建设过程中会产生大量的挖、填土方量，尤其对于高坡路段，其挖、填的土方量更为巨大。倾斜摄影技术作为近年来测绘领域发展起来的一项高新技术，已经越来越广泛的应用于市政基础设施的测量、勘察、设计等领域。通过采用无人机拍摄建立倾斜摄影三维实景模型不仅能为道路土方计算提供地形数据资料，而且能够反映道路的施工情况，为道路土方计算提供依据。山区道路挖、填土方量的计算方法、合理的挖、填土方量计算范围以及计算精确度等对山区道路土方量计算结果的准确度影响非常大。而现行常见的道路土方量计算方法大多都是采用人工测量等方式获取项目地形数据。这种获取数据的方式越来越不适用于我国测量等专业技术人才短缺的形势，且需投入大量的人力和物力成本，测量成本太高、效率低、误差大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于倾斜摄影技术的山区道路土方量计算方法，本方法利用倾斜摄影技术，既准确反映道路施工前后的情况，又提高了山区道路土方量计算的科学性和精确度，并在满足误差条件的前提下减少计算工作量，提高计算效率，降低计算测量成本，为工程预算和结算提供可靠依据。

为解决上述技术问题，本发明基于倾斜摄影技术的山区道路土方量计算方法包括如下步骤：

步骤一、收集整理山区道路地理位置数据和道路施工设计图；

步骤二、根据现场踏勘和电子地图确定无人机航拍路线和航拍参数，采用无人机按航拍路线和航拍参数进行拍摄，获得各分区初步倾斜摄影数据，应用航拍pos数据去除不需要和多余的数据资料，生成拍摄区域的各分区倾斜摄影三维实景模型；

步骤三、各分区倾斜摄影三维实景模型合模，将各分区的三维实景模型导入三维修编软件，确定连续编号及相邻分区两个同样的特殊坐标点；根据两个相同的特殊坐标点完成倾斜摄影三维实景模型的合模；应用pos数据对合模后重叠的部分进行处理，使相邻分区的三维实景模型无缝结合；以此类推，完成整个倾斜摄影区域的合模；

步骤四、根据倾斜摄影三维实景模型上的高程数据，在山区道路区域按一定间距将高程数据录入道路设计模型中，并根据道路施工图建立道路设计模型；

步骤五、根据倾斜摄影三维实景模型的高程数据，在道路设计模型中生成初始路基横断面图；

步骤六、根据道路施工设计图完成山区道路施工，施工完成后按步骤二生成施工后的倾斜摄影三维实景模型；

步骤七、根据施工后的倾斜摄影三维实景模型，将施工后的高程数据替换道路设计模型中的高程数据，没有施工或不在施工范围内的高程数据不予替换，并生成施工后的路基横断面图；

步骤八、将路基横断面图和施工后的路基横断面图按同桩号生成路基横断面比较图，其中路基横断面比较图中包含原始地形地面线和施工后地形地面线；

步骤九、分别按照桩间距1m、2m、……10m进行土方工程量计算，并以1m为基准断面，计算各桩间距的道路挖、填土方量以及与基准桩间距的误差；根据山区道路桩间距与挖方误差的关系，按一次线性函数拟合为：

y₁＝k₁x+b₁ (1)

根据山区道路桩间距与填方误差的关系，按一次线性函数拟合为：

y₂＝k₂x+b₂ (2)

式中，y₁为挖方误差，y₂为填方误差，x为桩间距，k₁和b₁为与挖方误差相关的常数，k₂和b₂为与填方误差相关的常数；

步骤十、设定挖、填土方量计算的最大误差，并按式(1)和式(2)分别计算出山区道路满足最大误差要求的挖、填土方量的最大直线桩间距d；

步骤十一、设定以山区道路路基坡顶到坡脚为土方量计算边界，挖方以设计高程及以上为边界，填方以设计高程以下为边界；

步骤十二、计算所有路基横断面比较图中初始地形曲面与施工后地形曲面之间以及施工区域范围内的道路土方横断面面积；

步骤十三、根据相邻两个路基横断面的有效土方横断面面积，按式(3)计算有效挖、填土方量，

V_挖、填＝∫∫f(x、y)dxdy×d (3)

式中，V_挖、填为有效挖、填土方量，∫∫f(x、y)dxdy为有效土方横断面面积，d为相邻两个路基横断面的距离或桩号差，x为坐标系x轴的值，y为坐标系y轴的值；

步骤十四、所有路段的有效挖、填土方量计算结果之和即为山区道路土方量。

进一步，步骤二中，所述航拍参数包括航拍高度和速度，并且根据现场拍摄区域建筑物的分布情况设定，根据初步设定的航拍路线和参数设置无人机试飞，根据试飞结果调整航拍路线和参数设置，根据调整后的航拍路线和参数进行拍摄，获得初步倾斜摄影数据。

进一步，步骤十三中，在山区道路凹、凸曲线路段，桩间距d按照式(4)计算，

式中，x₁、x₂为凹凸曲线的前、后桩号，f(x，y，r)为道路凹、凸曲线函数表达式，x为坐标系x轴的值，y为坐标系y轴的值，r为转弯路段的曲线半径或曲率半径。

由于本发明基于倾斜摄影技术的山区道路土方量计算方法采用了上述技术方案，即本方法收集道路地理位置数据和道路施工设计图，采用无人机拍摄获得初步倾斜摄影数据，生成初始倾斜摄影三维实景模型；将高程数据录入道路设计模型中，生成初始路基横断面图；完成道路施工生成施工后的倾斜摄影三维实景模型，将施工后的高程数据替换道路设计模型中的高程数据，生成施工后的路基横断面图，按同桩号生成路基横断面比较图，按不同桩间距进行土方工程量计算，根据桩间距与挖方和填方误差的关系，按一次线性函数拟合，得到满足最大误差要求的挖、填土方量的最大直线桩间距；设定土方量计算边界，计算道路土方横断面面积，依据面积和相邻路基横断面距离计算有效挖、填土方量，所有路段的有效挖、填土方量之和即为山区道路土方量。本方法利用倾斜摄影技术，既准确反映道路施工前后的情况，又提高了山区道路土方量计算的科学性和精确度，并在满足误差条件的前提下减少计算工作量，提高计算效率，降低计算测量成本，为工程预算和结算提供可靠依据。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：

图1为本发明基于倾斜摄影技术的山区道路土方量计算方法的流程框图。

具体实施方式

实施例如图1所示，本发明基于倾斜摄影技术的山区道路土方量计算方法包括如下步骤：

步骤一、收集整理山区道路地理位置数据和道路施工设计图；

步骤二、根据现场踏勘和电子地图确定无人机航拍路线和航拍参数，采用无人机按航拍路线和航拍参数进行拍摄，获得各分区初步倾斜摄影数据，应用航拍pos数据去除不需要和多余的数据资料，生成拍摄区域的各分区倾斜摄影三维实景模型；

其中，不需要和多余的数据资料是指超出项目规定范围的倾斜摄影数据、异常的倾斜摄影数据，如偏离建筑物或构筑物过高或过低的倾斜摄影中的数据以及合模过程中存在重叠的倾斜摄影数据；

步骤三、各分区倾斜摄影三维实景模型合模，将各分区的三维实景模型导入三维修编软件，确定连续编号及相邻分区两个同样的特殊坐标点；根据两个相同的特殊坐标点完成倾斜摄影三维实景模型的合模；应用pos数据对合模后重叠的部分进行处理，使相邻分区的三维实景模型无缝结合；以此类推，完成整个倾斜摄影区域的合模；

步骤四、根据倾斜摄影三维实景模型上的高程数据，在山区道路区域按一定间距将高程数据录入道路设计模型中，并根据道路施工图建立道路设计模型；

步骤五、根据倾斜摄影三维实景模型的高程数据，在道路设计模型中生成初始路基横断面图；

步骤六、根据道路施工设计图完成山区道路施工，施工完成后按步骤二生成施工后的倾斜摄影三维实景模型；

步骤七、根据施工后的倾斜摄影三维实景模型，将施工后的高程数据替换道路设计模型中的高程数据，没有施工或不在施工范围内的高程数据不予替换，并生成施工后的路基横断面图；

步骤八、将路基横断面图和施工后的路基横断面图按同桩号生成路基横断面比较图，其中路基横断面比较图中包含原始地形地面线和施工后地形地面线；

步骤九、分别按照桩间距1m、2m、……10m进行土方工程量计算，并以1m为基准断面，计算各桩间距的道路挖、填土方量以及与基准桩间距的误差；根据山区道路桩间距与挖方误差的关系，按一次线性函数拟合为：

y₁＝k₁x+b₁ (1)

根据山区道路桩间距与填方误差的关系，按一次线性函数拟合为：

y₂＝k₂x+b₂ (2)

式中，y₁为挖方误差，y₂为填方误差，x为桩间距，k₁和b₁为与挖方误差相关的常数，k₂和b₂为与填方误差相关的常数；

步骤十、设定挖、填土方量计算的最大误差，并按式(1)和式(2)分别计算出山区道路满足最大误差要求的挖、填土方量的最大直线桩间距d；

其中，步骤九主要是提供一种确定桩间距与误差之间的函数关系，通过确定的函数关系为步骤十根据设定的最大误差确定桩间距提供计算依据；

步骤十一、设定以山区道路路基坡顶到坡脚为土方量计算边界，挖方以设计高程及以上为边界，填方以设计高程以下为边界；

步骤十二、计算所有路基横断面比较图中初始地形曲面与施工后地形曲面之间以及施工区域范围内的道路土方横断面面积；

步骤十三、根据相邻两个路基横断面的有效土方横断面面积，按式(3)计算有效挖、填土方量，

V_挖、填＝∫∫f(x、y)dxdy×d (3)

式中，V_挖、填为有效挖、填土方量，∫∫f(x、y)dxdy为有效土方横断面面积，d为相邻两个路基横断面的距离或桩号差，x为坐标系x轴的值，y为坐标系y轴的值；

步骤十四、所有路段的有效挖、填土方量计算结果之和即为山区道路土方量。

优选的，步骤二中，所述航拍参数包括航拍高度和速度，并且根据现场拍摄区域建筑物的分布情况设定，根据初步设定的航拍路线和参数设置无人机试飞，根据试飞结果调整航拍路线和参数设置，根据调整后的航拍路线和参数进行拍摄，获得初步倾斜摄影数据。

优选的，步骤十三中，在山区道路凹、凸曲线路段，桩间距d按照式(4)计算，

式中，x₁、x₂为凹凸曲线的前、后桩号，f(x,y,r)为道路凹、凸曲线函数表达式，x为坐标系x轴的值，y为坐标系y轴的值，r为转弯路段的曲线半径或曲率半径。

本方法根据设定的航拍路线和航拍参数获取倾斜摄影数据，并建立初始倾斜摄影三维实景模型；根据初始倾斜摄影三维实景模型将高程数据录入到道路设计模型，并根据道路施工图建立道路设计模型，生成初始路基横断面图；施工后，再按原航拍路线和参数获取施工后的倾斜摄影数据，并建立施工后的倾斜摄影三维实景模型；根据施工后的倾斜摄影三维实景模型，将施工后的高程数据替换道路设计模型中的高程数据，并生成施工后的路基横断面图；根据初始路基横断面图和施工后的路基横断面图按同桩号生成路基横断面比较图，并计算土方范围内的土方横断面面积，根据山区道路特点确定凹凸曲线路段和平直路段的道路横断面桩间距；根据桩间距和道路横断面面积计算山区道路土方量。

本方法与一般道路土方量的计算相比，本方法在倾斜摄影的基础上针对山区道路特点，建立倾斜摄影三维实景模型，既反映了道路施工前后的情况，又提高了山区道路土方量计算的科学性和精确度；并且根据山区道路桩间距与道路挖、填土方量的误差关系拟合桩间距与挖、填土方量的函数关系，以此可以计算出最大误差条件下的最大桩间距，能够在满足误差条件下减少计算工作量，提高计算效率；同时，本方法针对山区道路起伏较大的特点，提出了在凹、凸路段处采用积分的方法来确定路基横断面的桩间距，增加了凹、凸路段处的路基横断面图，提高了土方量计算的准确度，为山区道路土方量计算、桩间距确定提供了一种新的方法。

Claims (3)

1.一种基于倾斜摄影技术的山区道路土方量计算方法，其特征在于本方法包括如下步骤：

步骤一、收集整理山区道路地理位置数据和道路施工设计图；

步骤二、根据现场踏勘和电子地图确定无人机航拍路线和航拍参数，采用无人机按航拍路线和航拍参数进行拍摄，获得各分区初步倾斜摄影数据，应用航拍pos数据去除不需要和多余的数据资料，生成拍摄区域的各分区倾斜摄影三维实景模型；

步骤三、各分区倾斜摄影三维实景模型合模，将各分区的三维实景模型导入三维修编软件，确定连续编号及相邻分区两个同样的特殊坐标点；根据两个相同的特殊坐标点完成倾斜摄影三维实景模型的合模；应用pos数据对合模后重叠的部分进行处理，使相邻分区的三维实景模型无缝结合；以此类推，完成整个倾斜摄影区域的合模；

步骤四、根据倾斜摄影三维实景模型上的高程数据，在山区道路区域按一定间距将高程数据录入道路设计模型中，并根据道路施工图建立道路设计模型；

步骤五、根据倾斜摄影三维实景模型的高程数据，在道路设计模型中生成初始路基横断面图；

步骤六、根据道路施工设计图完成山区道路施工，施工完成后按步骤二生成施工后的倾斜摄影三维实景模型；

步骤七、根据施工后的倾斜摄影三维实景模型，将施工后的高程数据替换道路设计模型中的高程数据，没有施工或不在施工范围内的高程数据不予替换，并生成施工后的路基横断面图；

步骤八、将路基横断面图和施工后的路基横断面图按同桩号生成路基横断面比较图，其中路基横断面比较图中包含原始地形地面线和施工后地形地面线；

步骤九、分别按照桩间距1m、2m、……10m进行土方工程量计算，并以1m为基准断面，计算各桩间距的道路挖、填土方量以及与基准桩间距的误差；根据山区道路桩间距与挖方误差的关系，按一次线性函数拟合为：

y₁＝k₁x+b₁ (1)

根据山区道路桩间距与填方误差的关系，按一次线性函数拟合为：

y₂＝k₂x+b₂ (2)

式中，y₁为挖方误差，y₂为填方误差，x为桩间距，k₁和b₁为与挖方误差相关的常数，k₂和b₂为与填方误差相关的常数；步骤十、设定挖、填土方量计算的最大误差，并按式(1)和式(2)分别计算出山区道路满足最大误差要求的挖、填土方量的最大直线桩间距d；

步骤十一、设定以山区道路路基坡顶到坡脚为土方量计算边界，挖方以设计高程及以上为边界，填方以设计高程以下为边界；

步骤十二、计算所有路基横断面比较图中初始地形曲面与施工后地形曲面之间以及施工区域范围内的道路土方横断面面积；

步骤十三、根据相邻两个路基横断面的有效土方横断面面积，按式(3)计算有效挖、填土方量，

V_挖、填＝∫∫f(x、y)dxdy×d (3)

式中，V_挖、填为有效挖、填土方量，∫∫f(x、y)dxdy为有效土方横断面面积，d为相邻两个路基横断面的距离或桩号差，x为坐标系x轴的值，y为坐标系y轴的值；

步骤十四、所有路段的有效挖、填土方量计算结果之和即为山区道路土方量。

2.根据权利要求1所述的基于倾斜摄影技术的山区道路土方量计算方法，其特征在于：步骤二中，所述航拍参数包括航拍高度和速度，并且根据现场拍摄区域建筑物的分布情况设定，根据初步设定的航拍路线和参数设置无人机试飞，根据试飞结果调整航拍路线和参数设置，根据调整后的航拍路线和参数进行拍摄，获得初步倾斜摄影数据。

3.根据权利要求1或2所述的基于倾斜摄影技术的山区道路土方量计算方法，其特征在于：步骤十三中，在山区道路凹、凸曲线路段，桩间距d按照式(4)计算，

式中，x₁、x₂为凹凸曲线的前、后桩号，f(x,y,r)为道路凹、凸曲线函数表达式，x为坐标系x轴的值，y为坐标系y轴的值，r为转弯路段的曲线半径或曲率半径。

Images