基于无人机数据的大面积工程DEM法土方计算研究

作     者：杜宗庆 

作者单位：安徽建筑大学 

学位级别：硕士

导师姓名：崔建华

授予年度：2024年

学科分类：081401[工学-岩土工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 

主      题：无人机倾斜摄影技术 数字高程模型(DEM) 实景建模 Python 土方量 

摘      要：随着我国基础设施建设的高速发展,大量化和巨型化的工程在城市建设中得到了广泛的关注与应用,但其土方计算获取数据成本高、工程量大、计算精度难把控等缺陷仍无法克服。传统的土方计算方法及采集设备存在各式各样的问题,计算过程复杂,计算结果存在较大的误差,造成大量的经济浪费。无人机倾斜摄影技术由于机动灵活,时效性强等优点在土方计算中起了越来越重要的作用。利用无人机获取的大量DEM数据并与数字化智能化手段结合,使得快速精准计算土方量成为了一种可能。本论文从测量方式,计算方法,操作平台三个维度对土方量进行研究,主要研究内容包括: (1)阐述了无人机倾斜摄影测量系统的相关技术,介绍无人机倾斜摄影测量系统组成结构,分析无人机倾斜摄影测量原理以及特点,最后详细介绍了无人机倾斜摄影三维建模技术流程,表明将无人机倾斜摄影测量技术运用到复杂大面积土方工程的可行性。 (2)归纳总结了常用的几种土方计算方法。从计算原理和计算步骤等方面进行深入分析,比较了各种计算方法适用场景,总结了各个方法的优点和不足。通过派河港工程实例进行对比分析,结果表明DEM法适用于多种地形且计算更为精确。 (3)研究了数字高程模型的基本理论与建立方法。主要介绍了数字高程模型的计算原理和计算步骤、数字高程模型的特点、表示方法以及插值方法,对于数字高程模型的数据获取方式,通过工程实例来进行对比分析。 (4)本论文在研究了无人机获取的复杂大面积土方工程DEM数据后,以DEM中不规则三角网TIN作为体积计算基本原理,搭建可视化土方计算平台,对该平台进行实例计算,以验证其精确性。该计算平台可输入给定范围,自动计算该范围挖填方量。在平台搭建过程中,设置数据采集、数据处理、数据计算以及用户操作模块,当输入土方相关参数,程序自动判断原始地形与设计地形的位置关系,并进行体积计算,最后输出挖方量、填方量、周长、面积等参数。对不规则三角网进行插值,确定DEM最佳分辨率,优化了计算结果,获得DEM格网分辨率与土方结果的关系。结果表明:在处理复杂大面积地形时,通过提供更多相关的几何信息和优化模型结构,机器学习在土方计算方面具有潜力,为土方量研究提供了一种新的有效途径。 通过上述研究和计算对比,证明基于无人机倾斜摄影技术的测量手段,能够弥补传统测量手段在大型场地土方测量中的缺点;DEM法计算效率和精度都优于传统的计算方法;通过利用Python搭建基于DEM数据土方计算平台,能够快速精确地实现数据分析和土方计算的分块自动化处理,计算结果较其他土方计算软件更加准确,计算时间更短,在派河港土方工程中取得较好的效果;并探究了DEM网格分辨率对地形粗糙度及高程的影响,确定了最佳DEM分辨率。 图[89]表[15]参考文献[79]