摘要" 無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)快速獲取各種復(fù)雜的地形圖和高程特征點(diǎn)，進(jìn)而快速完成土方量計(jì)算。本文以某區(qū)域?yàn)槔?，使用大疆精靈四RTK無人機(jī)進(jìn)行“井”字形飛行獲取傾斜攝影數(shù)據(jù)，利用ContextCapture建模軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到三維模型和正射影像數(shù)據(jù)，在EPS軟件中利用三維模型等數(shù)據(jù)進(jìn)行土方量計(jì)算，快速得到土方量計(jì)算結(jié)果。以RTK實(shí)測數(shù)據(jù)為真值，檢驗(yàn)無人機(jī)傾斜攝影測量土方量計(jì)算結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。兩種測量方法計(jì)算的填方量相對(duì)誤差2.7%、挖方量相對(duì)誤差7.8%，小于10%的限差范圍，均符合土方工程規(guī)范要求。以上結(jié)果表明，利用無人機(jī)傾斜攝影計(jì)算土方量，其結(jié)果滿足土方工程規(guī)范要求，且工作效率高、成本低，可為相關(guān)土地整理項(xiàng)目提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞" 無人機(jī)傾斜攝影；土地整理；三維建模；精度分析

中圖分類號(hào)" P231；TU198" " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼" A" " " "文章編號(hào)" 1007-7731（2025）02-0116-04

DOI號(hào)" 10.16377/j.cnki.issn1007-7731.2025.02.021

Application analysis of UAV tilt photogrammetry technology in land consolidation

QIAN Yuelei

（College of Geography and Geomatics， Xuchang University， Xuchang 461000， China）

Abstract" Unmanned Aerial Vehicle（UAV） tilt photogrammetry technology can achieve automatic and rapid acquisition of various complex topographic maps and elevation feature points， and then quickly complete the calculation of earthwork. In this paper， taking a certain area as an example， the DJI Sprit IV RTK UAV was used to fly in a “well”shape to obtain oblique photography data， and the data were processed by ContextCapture modeling software to obtain the 3D model and orthoimage data. The 3D model and other data were used to calculate the earthwork volume in EPS software， and the calculation results of earthwork volume were obtained quickly. Using RTK measured data as the true values， the reliability and accuracy of the UAV oblique photogrammetry earthwork volume calculation results were tested. The relative error of the calculated fill volume by the two measurement methods was 2.7%， and the relative error of the excavation volume was 7.8%， both of which were less than the 10% tolerance range and meet the requirements of earthwork engineering specifications. The results show that the quality of the results can meet the standard requirements， the work efficiency is high， and the production cost is low， which can provide a technical reference for land consolidation project.

Keywords" UAV tilt photography; land consolidation; 3D model; accuracy analysis

土方測量是土地整理中的一個(gè)重要步驟，常規(guī)的土方測量方法主要利用水準(zhǔn)儀、全站儀等儀器進(jìn)行測量，測量過程復(fù)雜，勞動(dòng)強(qiáng)度較大。隨著全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Global navigation satellite system，GNSS）的不斷發(fā)展和完善，基于GNSS的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分定位（Real time kinematic，RTK）技術(shù)被應(yīng)用于土方測量。該技術(shù)無需架設(shè)后視點(diǎn)和做控制測量，可直接利用GNSS接收機(jī)進(jìn)行位點(diǎn)坐標(biāo)測量[1]，進(jìn)而計(jì)算出土方量，相較常規(guī)的全站儀測量法，大大提高了測量效率，但仍需逐點(diǎn)測量。隨著計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理技術(shù)以及航拍無人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，利用無人機(jī)完成遙感測繪以及數(shù)據(jù)信息采集工作成為土地整理和規(guī)劃行業(yè)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。無人機(jī)傾斜式攝影測量技術(shù)能夠通過無人機(jī)大規(guī)模地收集目標(biāo)表面數(shù)據(jù)[2]，該技術(shù)具備數(shù)據(jù)資料收集效率高、搜集信息范圍廣、數(shù)據(jù)源精確度高、穩(wěn)定性高以及智能化程度較高等優(yōu)勢，已被應(yīng)用于地形圖測量、實(shí)景三維模型等領(lǐng)域[3]，通過測量地形圖和實(shí)景三維模型等數(shù)據(jù)計(jì)算土方量。采用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)進(jìn)行土方量計(jì)算，與常規(guī)方法相比，其作業(yè)時(shí)間縮短，且無人機(jī)航測功能客觀、真實(shí)，可以測出人員無法到達(dá)地方的數(shù)據(jù)，為土方計(jì)算工作提供更高質(zhì)量、更高精度的數(shù)據(jù)支撐[4]。

目前，較多學(xué)者將無人機(jī)關(guān)鍵技術(shù)運(yùn)用到土方工程計(jì)算。例如，鄒道磊[5]基于無人機(jī)傾斜攝影制作三維模型，采集高程特征點(diǎn)，并計(jì)算了測區(qū)土方量；程圓娥等[6]提供了使用小型無人機(jī)傾斜式攝影測量技術(shù)開展土石方量計(jì)算的方案，利用小型無人機(jī)迅速收集場景數(shù)據(jù)信息并做出三維空間模型，對(duì)模型數(shù)據(jù)結(jié)果做出相應(yīng)的后處理，以消除影響土方量計(jì)算結(jié)果的地物因素并獲得精確邊界，再對(duì)修改后的三維空間進(jìn)行建模，并完成土方量計(jì)算數(shù)據(jù)分析，從而得到最終結(jié)果。由此可見，利用無人機(jī)技術(shù)快速獲取精確土方量是值得研究的課題。本文以某區(qū)域?yàn)槔?，使用大疆精靈四RTK無人機(jī)進(jìn)行“井”字形飛行獲取傾斜攝影數(shù)據(jù)，利用ContextCapture建模軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到三維模型和正射影像數(shù)據(jù)，在EPS軟件中利用三維模型等數(shù)據(jù)進(jìn)行土方量計(jì)算，并對(duì)其測量結(jié)果的精度進(jìn)行評(píng)價(jià)，為相關(guān)土地整理項(xiàng)目提供技術(shù)參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 無人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)獲取

1.1.1 無人機(jī)傾斜攝影工作原理 通過在同一個(gè)航空相機(jī)平臺(tái)上安裝多個(gè)傳感器，同時(shí)在垂直、傾斜等各個(gè)角度拍攝影像，得到地面物體比較全面、精確的信息。垂直地面角度攝影獲得的影像稱為正片（一組影像），鏡頭方向與地面呈特定角度攝取的影像稱為斜片（四組影像）[7]，從多個(gè)角度采集信息，通過控制點(diǎn)或影像位置信息，圖像上的每個(gè)點(diǎn)都將具有三維坐標(biāo)?；趫D像數(shù)據(jù)，對(duì)任意點(diǎn)、線和面進(jìn)行測量，可達(dá)到厘米級(jí)的測量精度，并自動(dòng)生成三維地理信息模型[8]。

1.1.2 外業(yè)數(shù)據(jù)獲取 在飛行前對(duì)研究區(qū)進(jìn)行實(shí)地踏勘，根據(jù)踏勘情況使用大疆精靈四無人機(jī)對(duì)研究區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

（1）航線規(guī)劃。進(jìn)入平臺(tái)軟件，點(diǎn)擊“規(guī)劃”，選擇所需的路線規(guī)劃方式，設(shè)置無人機(jī)參數(shù)，如飛行高度、航速及拍攝模式等，選擇定距拍攝，完成動(dòng)作為返航；設(shè)置相機(jī)參數(shù)，如照片比例、白平衡、測光模式及云臺(tái)角度等；設(shè)置重疊率大??；再檢查返航高度及位置，校準(zhǔn)慣性測量單元（Inertial measurement unit，IMU）及指南針。待參數(shù)設(shè)置后，根據(jù)測區(qū)范圍設(shè)置飛行區(qū)域，軟件會(huì)自動(dòng)生成航線，再點(diǎn)擊黃色航線方向，調(diào)整飛行方向。最后再次檢查遙控器無人機(jī)各項(xiàng)飛行參數(shù)是否正常，確認(rèn)無誤后點(diǎn)擊“調(diào)用”開始任務(wù)。

（2）數(shù)據(jù)采集作業(yè)。任務(wù)開始后，無人機(jī)會(huì)按照預(yù)計(jì)航線、航高和航速進(jìn)行飛行作業(yè)，此時(shí)操作人員須時(shí)刻觀察無人機(jī)的動(dòng)向，警惕發(fā)生安全事故。若遇無人機(jī)電量不足，則需中斷任務(wù)，使其返航更換電池，再繼續(xù)作業(yè)，直至作業(yè)完成自動(dòng)返航。

（3）數(shù)據(jù)導(dǎo)出。取出無人機(jī)攜帶的內(nèi)存卡，插入讀卡器即可讀取拍攝的影像，本次共獲取影像數(shù)量255張。

1.1.3 數(shù)據(jù)處理 （1）新建工程。打開ContextCapture軟件中Center Master組件，點(diǎn)擊新建工程，彈出新工程創(chuàng)建對(duì)話框，填入工程名，選擇工程目錄，點(diǎn)擊“影像”選項(xiàng)卡，添加影像和目錄，選擇影像所在的文件夾，點(diǎn)擊“添加”。由于RTK無人機(jī)在拍攝過程中已經(jīng)將位置姿態(tài)以及相機(jī)參數(shù)等信息寫入每一張影像中，因此無需進(jìn)行POS信息導(dǎo)入、相機(jī)參數(shù)設(shè)置等操作。

（2）空中三角測量。在相應(yīng)區(qū)塊的“概要”選項(xiàng)卡中點(diǎn)擊“提交空中三角測量”按鈕，等待計(jì)算完成，點(diǎn)擊“監(jiān)視任務(wù)序列”查看任務(wù)序列信息，合理分配引擎。

（3）重建三維模型。點(diǎn)擊“新建重建項(xiàng)目”按鈕，在重建項(xiàng)目“空間框架”選項(xiàng)卡中設(shè)置空間參考系統(tǒng)，選擇坐標(biāo)系CGCS2000-114，切塊方式選擇規(guī)則平面格網(wǎng)切塊，手動(dòng)調(diào)整重建范圍。重建參數(shù)設(shè)置后，在重建項(xiàng)目“概要”選項(xiàng)卡中點(diǎn)擊“提交新的生產(chǎn)項(xiàng)目”按鈕，路徑選擇本地，在彈出的界面中輸入三維重建區(qū)塊的名稱Reconstruction_1，選擇輸出數(shù)據(jù)類型為“三維網(wǎng)格”，格式選擇OSGB，選擇相應(yīng)的空間參考系統(tǒng)CGCS2000坐標(biāo)系3度分帶114度投影，范圍默認(rèn)，選擇輸出三維模型的路徑，點(diǎn)擊“提交”開始創(chuàng)建。

（4）生成數(shù)字表面模型（Digital surface model，DSM）。重建三維模型后可以生成DSM。重復(fù)“提交新的生產(chǎn)項(xiàng)目”操作，其中目的選擇正射影像/DSM，其他參數(shù)保持不變，生成DSM，得到最終數(shù)據(jù)，如圖1所示。

1.2 土方量計(jì)算方法

數(shù)字地面模型（Digital terrain model，DTM）法 該方法以DTM模型為基礎(chǔ)，根據(jù)土方量實(shí)測的地面點(diǎn)坐標(biāo)（X，Y，Z）及設(shè)計(jì)高程，將每個(gè)三角形當(dāng)作一個(gè)面，以三角網(wǎng)為基礎(chǔ)，計(jì)算并取代真實(shí)地形。這些大小不同的三角網(wǎng)形成一個(gè)三維三角網(wǎng)，即反映地貌的平面，三維三角網(wǎng)和現(xiàn)實(shí)地形越吻合，其計(jì)算準(zhǔn)確度就越高。該方法的基本計(jì)算原理是用開方前后二期的三角網(wǎng)所形成的三棱柱和三棱錐，經(jīng)過累加各個(gè)空間中立體的體積后所計(jì)算得出的土方量[9-10]。

1.3 測量精度評(píng)價(jià)

為驗(yàn)證無人機(jī)傾斜攝影土方測量的精度，對(duì)測區(qū)再次進(jìn)行RTK精密測量，以RTK精密測量數(shù)據(jù)計(jì)算出測區(qū)土方量，以此土方量為真值，對(duì)無人機(jī)傾斜攝影測量的土方量進(jìn)行精度評(píng)定。采用相對(duì)誤差檢驗(yàn)無人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)計(jì)算的土方量精度，相對(duì)誤差=|傾斜攝影數(shù)據(jù)填（挖）方量－RTK實(shí)測數(shù)據(jù)填（挖）方量|/RTK實(shí)測數(shù)據(jù)填（挖）方量。

2 結(jié)果與分析

2.1 無人機(jī)傾斜攝影土方計(jì)算

打開EPS軟件，新建工程，點(diǎn)擊“三維測圖”菜單，選擇“加載本地三維模型”，導(dǎo)入建好的模型數(shù)據(jù)，在三維模型中繪制出需要計(jì)算的土方邊界線，點(diǎn)擊“三維測圖”菜單下的“土方計(jì)算”功能，打開土方計(jì)算窗口，選擇已有范圍線，輸入設(shè)計(jì)標(biāo)高，即可得到計(jì)算結(jié)果。利用無人機(jī)傾斜攝影測量計(jì)算的挖方量為2 114.35 m3，填方量為-1 071.82 m3（表1）。

2.2 無人機(jī)傾斜攝影土方測量精度評(píng)價(jià)

2.2.1 RTK土方測量與計(jì)算 （1）外業(yè)采集。打開手簿藍(lán)牙，連接手機(jī)網(wǎng)絡(luò)，創(chuàng)建項(xiàng)目信息，選擇坐標(biāo)系統(tǒng)CGCS2000，連接好移動(dòng)站后，移動(dòng)RTK至開闊處（周圍無遮擋物），等待片刻出現(xiàn)固定，點(diǎn)擊“點(diǎn)測量”，當(dāng)氣泡居中且信號(hào)為固定解時(shí)，點(diǎn)擊手簿上的定位按鈕，進(jìn)行測量。點(diǎn)擊“查看”按鈕即可查看數(shù)據(jù)的坐標(biāo)及測量時(shí)的信號(hào)是否為固定解，通過藍(lán)牙導(dǎo)出數(shù)據(jù)。

（2）土方計(jì)算。打開軟件EPS，點(diǎn)擊文件中輸入輸出“調(diào)入外部數(shù)據(jù)”導(dǎo)入數(shù)據(jù)文件，點(diǎn)擊“生成三角網(wǎng)”，然后進(jìn)行土方計(jì)量和填挖分析。通過三角網(wǎng)進(jìn)行土方測量，并依次選擇上表面和下表面在水平面的高度，其中上表面代表原有地形，而下表面則代表新挖掘后的地形，選擇高程為50 m，點(diǎn)擊“開始”，計(jì)算土方量結(jié)果。以RTK實(shí)測數(shù)值計(jì)算的挖方量為1 960.87 m3，填方量為-1 101.43 m3（表2）。

2.2.2 測量精度評(píng)價(jià) 無人機(jī)傾斜攝影測量的計(jì)算結(jié)果和RTK實(shí)測數(shù)值的計(jì)算結(jié)果如表3所示。經(jīng)計(jì)算比較，填方量測量結(jié)果相對(duì)誤差較小（2.7%），兩者測量結(jié)果基本保持一致；挖方量的相對(duì)誤差較大，達(dá)到7.8%，但小于10%的限差范圍[11]。通過實(shí)地調(diào)查分析，挖方量相對(duì)誤差較大，可能是由測區(qū)表面花草高度不一引起。在以后的土方測量計(jì)算中，可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)母叨刃拚?，以進(jìn)一步提高測量精度。

3 結(jié)論與討論

土方測量是土地整理中非常重要的環(huán)節(jié)之一，其測量結(jié)果關(guān)系到整個(gè)土地整理項(xiàng)目的總成本和進(jìn)度。本文以某區(qū)域?yàn)闇y量區(qū)，使用大疆精靈四RTK無人機(jī)獲取傾斜攝影數(shù)據(jù)，利用ContextCapture建模軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并建立三維模型，使用EPS軟件進(jìn)行土方計(jì)算，并以RTK實(shí)測數(shù)據(jù)為真值，檢驗(yàn)無人機(jī)傾斜攝影測量土方量計(jì)算結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。經(jīng)對(duì)比分析，無人機(jī)傾斜攝影測量和RTK實(shí)測計(jì)算的填方量測量結(jié)果相對(duì)誤差較小，為2.7%；挖方量的相對(duì)誤差較大，達(dá)到7.8%。兩種測量方法計(jì)算的土方量結(jié)果的相對(duì)誤差在10%以內(nèi)，滿足工程土方計(jì)算要求。使用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)能迅速得到測區(qū)數(shù)據(jù)，利用相關(guān)軟件可準(zhǔn)確有效地計(jì)算土方量，該測量技術(shù)為土方測量計(jì)算提供了方法，為加快土地整理進(jìn)度、質(zhì)量把控等提供了途徑。隨著無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的發(fā)展和完善，其在土地整理中將發(fā)揮越來越重要的作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊守菊. GNSS測量技術(shù)在建筑工程施工中的運(yùn)用[J]. 工業(yè)建筑，2022，52（2）：42.

[2] 郭峰. 無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在城市三維建模及三維數(shù)據(jù)更新中的應(yīng)用[J]. 智能建筑與智慧城市，2018（10）：149-150.

[3] 田艷. 淺析無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)及應(yīng)用[J]. 華北自然資源，2020（5）：77-79.

[4] 吳迪. 消費(fèi)級(jí)無人機(jī)在土方量計(jì)算中的應(yīng)用實(shí)踐[J]. 河南科技，2020，39（1）：17-19.

[5] 鄒道磊. 基于無人機(jī)傾斜攝影的土方量計(jì)算[J]. 江西建材，2021（9）：115，117.

[6] 程圓娥，呂志慧，袁春琦，等. 基于無人機(jī)傾斜攝影測量的土石方量計(jì)算[J]. 地理空間信息，2021，19（8）：70-73.

[7] 范倫. 無人機(jī)傾斜攝影三維建模技術(shù)及認(rèn)識(shí)[J]. 測繪與空間地理信息，2021，44（12）：183-186.

[8] 王金龍. 無人機(jī)航測技術(shù)在土方測量中的應(yīng)用：以上海市臨港某電廠建設(shè)為例[J]. 重慶建筑，2024，23（5）：71-73.

[9] 鄧小東，張春亢，曹婷婷，等. 土方量計(jì)算的幾種方法及精度分析[J]. 礦山測量，2019，47（6）：67-70.

[10] 王柏鵬，滕永核，譚榮偉. 三種土方量計(jì)算方法在不同地形的適用性研究[J]. 南方國土資源，2019（5）：54-57.

[11] 李斌，仝紅菊，胡守超，等. 基于傾斜攝影技術(shù)的工程土方測量與計(jì)算方法研究[J]. 測繪與空間地理信息，2021，44（6）：165-167，171.

（責(zé)任編輯：何" 艷）