摘要 該研究以30 km山地密林區高速公路為對象，比較了無人機航空攝影和三維激光掃描技術在生成DEM（數字高程模型）時的精度。結果顯示：三維激光掃描技術因其高頻率和強植被穿透性，能更準確地獲取地面高程，生成符合公路地形測量要求的DEM成果，用以輔助施工決策與設計更具優勢。

關鍵詞 無人機；三維激光掃描；航空攝影；DEM

中圖分類號 TU312 TU313.3 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）19-0001-04

0 引言

隨著交通基礎設施的快速發展，地形測量在高速公路線路規劃設計、土方量測算、運維地質安全評估等方面發揮著至關重要的作用[1-2]。傳統的全站儀、GPS-RTK地形測量技術雖然在過去幾十年中取得了發展，但在帶狀長距離、地形起伏大、高落差、茂密植被的高速公路地形測量作業中仍存在效率低、難度大、施測條件要求高等局限性，已無法滿足現代公路施工進度與質量要求，近年來，無人機航空攝影技術與無人機三維激光掃描（LiDAR）技術的興起為公路地形測量帶來新的解決方案。

在現代公路工程中，無人機航空攝影技術使用航攝儀從空中采集地面影像，通過航片重建的三維傾斜模型仍存在紋理貼圖錯位、拉花變形、Mesh破洞等問題，后期修模難度大、時間久，影響內業判讀地物、地貌要素信息，導致繪圖精度下降甚至無法采集，而無人機三維激光掃描技術以其高效率、高精度、時效性強、植被穿透能力強的特點成為公路地形測量的熱點技術。

盡管已有許多研究關注兩項技術的應用效果，但針對其在公路地形測量中的應用與分析仍不充分[3-6]。鑒于此，該文以兩項技術在公路工程應用案例，分析其對山區植被茂盛區域地形測量的精度準確性，以期為此類項目的實施提供技術參考。

1 工程概況

該工程位于廣西河池市宜州某在建高速公路施工段，地形陡峭、地質復雜、植被豐富，測區內地物要素包括道路、鄉村建筑、山地、河流和邊坡等，山地占83%，最大落差500 m。要求成果平面坐標系為2 000國家大地坐標系，中央子午線107°10′，投影高程抵償面230 m，高程基準為1985國家高程，成圖比例尺1∶500，方格間距0.5 m，研究區衛星影像如圖1所示。

2 實施技術路線

2.1 控制點布設

該文研究使用廣西連續運行衛星定位系統（GXCORS）和中海達A40GPS-RTK設備，采集滿足公路工程需求的控制點信息，坐標系為國家2000大地坐標系，通過CORS中心模型將大地高數據精化為1985國家高程基準。

2.2 外業數據獲取

2.2.1 航空攝影影像獲取

無人機航空攝影技術通過搭載感測設備，實現影像采集，由無人飛行器、機載傳感器和地面控制系統組成。該技術具有靈活性高、成本效益好和適應性強等特點，相比傳統航空攝影有顯著優59i/1Scw0Y8Cl5c7vAygTA==勢。

該研究使用搭載Share102SV3五鏡頭相機的DJIM300-RTK無人機，有效像素超1.25億，進行山區地帶狀公路地形測繪。像控點統一布設于固定、平整、清晰區域，構成“Z”形均勻分布，使用GPS-RTK和GXCORS賬號進行靜態測量。飛行參數包括RTK模式、仿地飛行332 m、GSD5 cm、航向重疊80%、旁向重疊70%、飛行速度12 m/s。每架次約30 min，共9架次完成一天的數據采集，技術流程如圖2所示。

2.2.2 三維激光點云獲取

機載激光雷達集成了三維激光掃描、GPS和INS技術，安裝在無人機上，通過發射和接收激光束，實時確定飛行器和地表物體的三維信息，廣泛應用于地表空間信息數據收集。

該次作業使用SF1200四旋翼無人機飛行平臺掛載SA130雨燕激光雷達測量系統，該激光雷達測量系統具備1 500 m有效測距、7次反射回波、200萬點每秒、相對精度優于3 cm、絕對精度優于5 cm等卓越性能，面對山勢陡峭、地質復雜、植被茂密的帶狀長距離公eU5O/fTlBKz/EDoT1es9uQ==路工程項目，航飛設計采用RTK作業模式，仿地航高350 m，激光旁向重疊率35%，飛行速度12 m/s，每架次作業時間約50 min，共作業6架次，一天時間完成點云數據采集，航飛作業的同時RTK采集檢查點用于檢查解算點云數據質量，技術流程如圖3所示。

2.3 內業數據處理

2.3.1 三維傾斜模型重建

此次外業航空攝影作業共采集39 104張傾斜航片，使用DJITerra集群軟件智能化協同處理傾斜航片，完成空三前航片影像、POS、相機參數預設置后，運行首次空三加密提取連接點，接著導入像控點，自動刺點優化空三，最后設置輸出坐標系、興趣區域范圍、分塊尺寸、模型原點，水面平整完成三維重建，輸出三維傾斜模型，如圖4所示。

基于三維傾斜模型使用南方航測三維測圖軟件uFeature3D自動提取地表高程點，對于植被大面積遮擋高程推測區域，通過實地調繪計算樹高平均值，并參考周邊裸露平坦地面內插高程，對提取的樹冠表層高程扣除樹高平均值后，經過人工裸眼三維編輯核查，創建不規則三角網TIN，構建輸出DEM。

2.3.2 點云數據處理

此次外業三維激光掃描作業共采集103 GB原始數據，經過SouthLidarPro軟件聯合POS、姿態、軌跡、可見光照片解算點云，如圖5所示。

通過控制點計算參數完成工程坐標系坐標轉換，自動航帶平差優化點云高程，導入點云檢查點核查原始點云質量，使用Lidar360-UAV軟件激光雷達地形模塊功能完成數據處理：（1）點云MLS法平滑減少噪聲和測量誤差，使數據更加規則和平滑；（2）點云均勻重采樣改善點云的質量和處理效率；（3）點云鄰域標準差去噪消除數據中的錯誤或噪聲點；（4）點云自動分類AI識別高中低植被、建筑物、地面點等地物類別；（5）人工手動點云分類核查修正軟件自動分類的錯誤類別；（6）創建不規則三角網TIN，構建輸出DEM，如圖6所示。

3 成果精度驗證與分析

根據《基礎地理信息數字成果1∶500、1∶1 000、1∶2 000數字高程模型》（CH/T 9008.2—2010）、《機載激光雷達數據獲取技術規范》（CH/T 8024—2011）、《工程測量通用規范》（GB 55018—2021）中規定的1∶500數字高程模型中誤差精度，具體要求如表1所示。

結合高速公路施工技術要求，其高程中誤差應不大于該表“一級”指標要求。使用GXCORS基站GPS-RTK動態測量法或全站儀極坐標法在研究區視野開闊的硬化路面、變坡處、林下地面等場景均勻采集247個野外85高程控制點數據進行檢查，使用Arcgis軟件分別提取檢查點所在位置，并使用無人機航空攝影技術與無人機三維激光掃描技術數據處理生成的DEM高程值，如圖7所示，將檢查點與DEM逐個比對高程差值并統計差值區間個數。

基于無人機航空攝影技術生產的DEM高程差值在0.6～0.8之間占比最高達31.2%；基于無人機三維激光掃描技術生產的DEM高程差值在0～0.2之間占比最高達82.2%。

精度比較情況如表2所示。基于無人機航空攝影技術生產的DEM高程中誤差為0.86 m，基于無人機三維激光掃描技術生產的DEM高程中誤差為0.15 m。分析其原因：（1）傾斜三維模型因部分紋理貼圖錯位、拉花變形、Mesh結構不完整、破洞等問題影響內業判讀提取高程點精度；（2）傾斜三維模型在密林原始地貌高程推測區無法準確估算扣除樹高獲取林下地面高程；（3）帶狀高速公路測區航空攝影航片質量易受光照條件影響，導致傾斜三維模型精度下降，而激光雷達得益于高點頻、多次回波數、光斑尺寸小、植被穿透能力強的特點，其生產的DEM達到1∶500數字高程模型“一級”指標精度。

4 結論與展望

該文以山勢陡峭、地形環境復雜、植被茂密的30 km高速公路施工段作為研究區，分別應用無人機航空攝影技術與無人機三維激光掃描技術獲取外業數據，通過內業處理生成DEM數字高程模型并分析比對兩者高程精度誤差，結果表明：無人機三維激光掃描技術滿足1∶500數字高程模型精度要求，能提供高精度數字化地形模擬數據用于公路工程縱、橫斷面勘察設計、填挖方量測算、施工進度監測管理等業務場景。

后續的研究需要深入探討無人機激光雷達（LiDAR）在各種環境條件下的適用性和可靠性。這包括考慮極端天氣，如風暴、雪、雨，以及復雜地形，如山脈、森林、城市區域，對測量精度的可能影SGkga+Y4gvIu7kCR5tP5+mRNq7w8Bmt/FtATt1lQhDU=響，此外隨著人工智能和機器學習技術的不斷進步，如何將這些技術融入點云數據的處理過程，實現自動識別和分類，也將是后續研究的關鍵領域。同時，設備的小型一體化，性能提升和成本控制仍將是技術發展的主要趨勢，這將使這項技術更加普及和便捷。最后，集成多傳感器系統以獲取更全面的地形信息，將是提升公路工程地形測繪整體解決方案的關鍵。

綜上所述，無人機搭載的三維激光掃描技術已經成為公路工程地形測量的重要工具。隨著技術的不斷發展和應用的深化，這一領域將繼續拓展新的邊界，推動傳統測繪向更高精度、更高效率和智能化方向發展。

參考文獻

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[6]張琴，李亞瓊.基于傾斜攝影技術的DEM生產及質量控制[J].江西測繪，2022（3）：28-30+52.

收稿日期：2024-06-20

作者簡介：李旭（1971—），男，本科，高級工程師，主要從事高速公路施工、項目管理及數字化研究應用等工作。

通訊作者：秦敬鈞（1994―），男，本科，工程師，主要從事公路工程測繪工作。