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設(shè)備與工具小規(guī)模道路施工作業(yè)，主要是土方作業(yè)，通常發(fā)生在斜坡上，需要有更多的空間進(jìn)行臨時土壤儲存。有必要在有限的區(qū)域內(nèi)反復(fù)挖掘、臨時放置和填充土壤。因此，很難預(yù)測和量化進(jìn)行的土方工程量，因為僅僅通過比較施工前的土壤形狀和已完成地面的形狀很難確定所有進(jìn)行的土方工程。有必要在施工過程中進(jìn)行調(diào)查，以掌握隨時間變化的土方工程的精確數(shù)量。然而，準(zhǔn)確的定量是不切實際的。
最近，隨著無人機(jī)（UAV）各種傳感器和分析技術(shù)的發(fā)展，可以在不停止施工的情況下從空中進(jìn)行高頻測量。使用無人機(jī)的兩種測量方法如下：（1）基于使用機(jī)載相機(jī)拍攝的圖像，通過運動結(jié)構(gòu)（SfM）分析獲得地表的3D模型，以及（2）使用機(jī)載激光掃描儀測量到地面的距離。由于第一種方法需要廉價的傳感器，因此最近已廣泛用于測量。
我們試圖通過六架無人機(jī)測繪并在一個小規(guī)模的森林道路維修現(xiàn)場進(jìn)行 SfM 分析來量化地形變化，在那里，即使在樹冠下也相對容易駕駛無人機(jī)，因為土方工程是在很少立樹的狹窄區(qū)域內(nèi)進(jìn)行的。同時，我們將地形測量的精度與全站儀的精度進(jìn)行了比較。獲得的數(shù)據(jù)用于驗證是否可以估計維修工作每個階段的土方工程量。
測量試驗在日本京都府南部木津川市寬2.5米的道路維修現(xiàn)場進(jìn)行。道路長度為706.3 m，于2020年建成，是一條較大的森林道路的支線。這條道路是使用大橋型道路施工方法建造的，該方法假設(shè)在施工中使用3-5噸級挖掘機(jī)和2-3噸卡車。用于制造具有原木結(jié)構(gòu)的擋土墻的原木用于框架以分配荷載。
無人機(jī)在兩個高度運行：近距離（3-5 m）和低空（7-10 m）。在 SfM 分析中，同時使用兩個高度圖像創(chuàng)建 3D 模型。它捕獲了正在進(jìn)行維修工作的區(qū)域，飛行時間約為30分鐘。無人機(jī)沿該區(qū)域手動操作，以2秒的間隔自動捕獲圖像，以確保圖像之間的高度重疊。我們還從可飛行區(qū)域的各個方向拍攝了圖像。地表的 DEM 是根據(jù)使用無人機(jī)通過 SfM 分析獲得的 3D 模型創(chuàng)建的，并使用 ArcGIS 中的挖方填充工具計算每個階段的挖方和填方量。
利用SfM分析成功構(gòu)建了各階段的三維模型。生成的模型的分辨率范圍為3.1厘米至1.1厘米。例如，從工作完成之前、期間和之后采集的數(shù)據(jù)生成的 4D 模型，并從各個角度查看，如圖1-3 所示。
圖1 在維修工作開始之前通過SfM分析生成的3D模型
圖2 在維修工作期間通過SfM分析生成的3D模型
圖3 修復(fù)工作完成后由SfM分析生成的3D模型
將3D模型每個點獲得的高程值與TS測量的高程值進(jìn)行比較。然而，TS測量需要時間，這導(dǎo)致無人機(jī)攝影和TS測量之間存在顯著的時間滯后。因此，測量精度的驗證僅限于四次：修復(fù)工作前的8月22日上午，修復(fù)工作期間的8月23日和8月24日上午，以及修復(fù)工作后的9月13日上午。結(jié)果如圖4所示。
圖4 SfM分析中高度測量誤差的頻率分布
此外，在維修工作之前和期間的測量過程中，無人機(jī)攝影和TS測量之間存在相當(dāng)大的時間滯后。這是因為調(diào)查是安全進(jìn)行的，以便盡可能不干擾維修工作。在某些地方，土方工程或原木施工可能是在無人機(jī)飛行之后和TS調(diào)查之前進(jìn)行的。考慮到這一點，我們討論了每個階段的測量精度。維修工作前TS測量點的誤差絕對值如圖5a所示。圖中顯示，在可見土壤的斜坡上誤差較小，在植被區(qū)和路堤坡肩上觀察到稍大的誤差。
圖5維修工作每個過程中誤差的絕對值（a）修理工作前（b，c）修理工作期間（d）修理工作之后
同樣，維修工作期間的情況如圖5b，c所示，維修工作后的情況如圖5d所示。如圖5b，c所示，即使在修復(fù)工作期間，在土壤可見的區(qū)域，誤差也很小。然而，在正在做工作的區(qū)域，例如在安裝木框架的區(qū)域，出現(xiàn)了重大錯誤。路堤路肩上的一個顯著誤差如圖5c所示。盡管如此，還需要進(jìn)一步驗證以確定SfM分析中邊緣檢測的準(zhǔn)確性是否因此問題而降低，或者土壤是否傾向于在路堤的肩部容易移動。
這些結(jié)果表明，SfM分析對于以立方米為單位計算土壤體積足夠準(zhǔn)確。然而，在底土植被和急坡轉(zhuǎn)換點下測量的準(zhǔn)確性還有進(jìn)一步研究的余地。因此，我們計算了每個階段的挖方和填充土方量。結(jié)果如圖 6 所示。
圖6 每個階段的挖方和填充土方量
各階段的累計土方體積如圖7所示。在計算土方量時，松動土體積的變化率，即土體體積（L）開挖中土體積的變化率為1.2。壓實土體積變化率與形成地土體積的土體積差異為0.9。未考慮填充中嵌入的原木結(jié)構(gòu)的體積。
圖7 每個階段的土方工程累計量
圖 8 顯示了每個階段土方工程剖面的 3D 模型。剪切和填充區(qū)域分別以藍(lán)色和紅色顯示。在圖8f中，右下角顯示了整體土方體積，幾乎整個缺失的填充區(qū)域都被填充物覆蓋。每個步驟中都標(biāo)明了切割和填充區(qū)域，使程序易于理解。整個填充物以藍(lán)色顯示，除了某些部分，如圖8e所示。這是因為維修工作后的照片直到維修工作完成后三周才拍攝，并且推測整個填充物已經(jīng)收緊并沉降。
圖8.每個階段的土方工程部分的3D模型。（a）修建通往路堤下部的通道并形成基座，（b）通過土方工程和原木形成路堤基，（c）通過土方工程和原木形成路堤的下部，（d）通過土方工程和原木形成路堤的上部，（e）塑造整個路堤，（f） 整體土方工程
使用無人機(jī)的SfM分析可用于量化土方工程量并記錄森林道路維修工作的程序。使用無人機(jī)進(jìn)行 SfM 分析是一種測量地貌的準(zhǔn)確方法，可與 TS 測量相媲美，創(chuàng)建詳細(xì)的 3D 模型，計算精確的土方工程量，并記錄每個施工階段的詳細(xì)區(qū)域特定工作程序。由于工程各階段進(jìn)行的土方工程與建設(shè)成本密切相關(guān)，因此應(yīng)該能夠準(zhǔn)確估算施工成本，規(guī)劃工作，預(yù)測工作所需天數(shù)，這與森林道路的成本效益分析密切相關(guān)。
源自：Hasegawa, H.; Sujaswara, A.A.; Kanemoto, T.; Tsubota, K. Possibilities of Using UAV for Estimating Earthwork Volumes during Process of Repairing a Small-Scale Forest Road, Case Study from Kyoto Prefecture, Japan. Forests 2023, 14, 677. https://doi.org/10.3390/f14040677
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