無人機傾斜攝影測量技術在土地整理中的應用分析

摘要" 無人機傾斜攝影測量技術可以實現自動快速獲取各種復雜的地形圖和高程特征點，進而快速完成土方量計算。本文以某區域為例，使用大疆精靈四RTK無人機進行“井”字形飛行獲取傾斜攝影數據，利用ContextCapture建模軟件對數據進行處理，得到三維模型和正射影像數據，在EPS軟件中利用三維模型等數據進行土方量計算，快速得到土方量計算結果。以RTK實測數據為真值，檢驗無人機傾斜攝影測量土方量計算結果的可靠性和準確性。兩種測量方法計算的填方量相對誤差2.7%、挖方量相對誤差7.8%，小于10%的限差范圍，均符合土方工程規范要求。以上結果表明，利用無人機傾斜攝影計算土方量，其結果滿足土方工程規范要求，且工作效率高、成本低，可為相關土地整理項目提供技術參考。

關鍵詞" 無人機傾斜攝影；土地整理；三維建模；精度分析

中圖分類號" P231；TU198" " " "文獻標識碼" A" " " "文章編號" 1007-7731（2025）02-0116-04

DOI號" 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重要步驟，常規的土方測量方法主要利用水準儀、全站儀等儀器進行測量，測量過程復雜，勞動強度較大。隨著全球衛星導航系統（Global navigation satellite system，GNSS）的不斷發展和完善，基于GNSS的實時動態載波相位差分定位（Real time kinematic，RTK）技術被應用于土方測量。該技術無需架設后視點和做控制測量，可直接利用GNSS接收機進行位點坐標測量[1]，進而計算出土方量，相較常規的全站儀測量法，大大提高了測量效率，但仍需逐點測量。隨著計算機數據處理技術以及航拍無人機技術的快速發展，利用無人機完成遙感測繪以及數據信息采集工作成為土地整理和規劃行業的一個研究熱點。無人機傾斜式攝影測量技術能夠通過無人機大規模地收集目標表面數據[2]，該技術具備數據資料收集效率高、搜集信息范圍廣、數據源精確度高、穩定性高以及智能化程度較高等優勢，已被應用于地形圖測量、實景三維模型等領域[3]，通過測量地形圖和實景三維模型等數據計算土方量。采用無人機傾斜攝影測量技術進行土方量計算，與常規方法相比，其作業時間縮短，且無人機航測功能客觀、真實，可以測出人員無法到達地方的數據，為土方計算工作提供更高質量、更高精度的數據支撐[4]。

目前，較多學者將無人機關鍵技術運用到土方工程計算。例如，鄒道磊[5]基于無人機傾斜攝影制作三維模型，采集高程特征點，并計算了測區土方量；程圓娥等[6]提供了使用小型無人機傾斜式攝影測量技術開展土石方量計算的方案，利用小型無人機迅速收集場景數據信息并做出三維空間模型，對模型數據結果做出相應的后處理，以消除影響土方量計算結果的地物因素并獲得精確邊界，再對修改后的三維空間進行建模，并完成土方量計算數據分析，從而得到最終結果。由此可見，利用無人機技術快速獲取精確土方量是值得研究的課題。本文以某區域為例，使用大疆精靈四RTK無人機進行“井”字形飛行獲取傾斜攝影數據，利用ContextCapture建模軟件對數據進行處理，得到三維模型和正射影像數據，在EPS軟件中利用三維模型等數據進行土方量計算，并對其測量結果的精度進行評價，為相關土地整理項目提供技術參考。

1 數據與方法

1.1 無人機傾斜攝影數據獲取

1.1.1 無人機傾斜攝影工作原理 通過在同一個航空相機平臺上安裝多個傳感器，同時在垂直、傾斜等各個角度拍攝影像，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]，從多個角度采集信息，通過控制點或影像位置信息，圖像上的每個點都將具有三維坐標。基于圖像數據，對任意點、線和面進行測量，可達到厘米級的測量精度，并自動生成三維地理信息模型[8]。

1.1.2 外業數據獲取 在飛行前對研究區進行實地踏勘，根據踏勘情況使用大疆精靈四無人機對研究區進行數據采集。

（1）航線規劃。進入平臺軟件，點擊“規劃”，選擇所需的路線規劃方式，設置無人機參數，如飛行高度、航速及拍攝模式等，選擇定距拍攝，完成動作為返航；設置相機參數，如照片比例、白平衡、測光模式及云臺角度等；設置重疊率大小；再檢查返航高度及位置，校準慣性測量單元（Inertial measurement unit，IMU）及指南針。待參數設置后，根據測區范圍設置飛行區域，軟件會自動生成航線，再點擊黃色航線方向，調整飛行方向。最后再次檢查遙控器無人機各項飛行參數是否正常，確認無誤后點擊“調用”開始任務。

（2）數據采集作業。任務開始后，無人機會按照預計航線、航高和航速進行飛行作業，此時操作人員須時刻觀察無人機的動向，警惕發生安全事故。若遇無人機電量不足，則需中斷任務，使其返航更換電池，再繼續作業，直至作業完成自動返航。

（3）數據導出。取出無人機攜帶的內存卡，插入讀卡器即可讀取拍攝的影像，本次共獲取影像數量255張。

1.1.3 數據處理 （1）新建工程。打開ContextCapture軟件中Center Master組件，點擊新建工程，彈出新工程創建對話框，填入工程名，選擇工程目錄，點擊“影像”選項卡，添加影像和目錄，選擇影像所在的文件夾，點擊“添加”。由于RTK無人機在拍攝過程中已經將位置姿態以及相機參數等信息寫入每一張影像中，因此無需進行POS信息導入、相機參數設置等操作。

（2）空中三角測量。在相應區塊的“概要”選項卡中點擊“提交空中三角測量”按鈕，等待計算完成，點擊“監視任務序列”查看任務序列信息，合理分配引擎。

（3）重建三維模型。點擊“新建重建項目”按鈕，在重建項目“空間框架”選項卡中設置空間參考系統，選擇坐標系CGCS2000-114，切塊方式選擇規則平面格網切塊，手動調整重建范圍。重建參數設置后，在重建項目“概要”選項卡中點擊“提交新的生產項目”按鈕，路徑選擇本地，在彈出的界面中輸入三維重建區塊的名稱Reconstruction_1，選擇輸出數據類型為“三維網格”，格式選擇OSGB，選擇相應的空間參考系統CGCS2000坐標系3度分帶114度投影，范圍默認，選擇輸出三維模型的路徑，點擊“提交”開始創建。

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

1.2 土方量計算方法

數字地面模型（Digital terrain model，DTM）法 該方法以DTM模型為基礎，根據土方量實測的地面點坐標（X，Y，Z）及設計高程，將每個三角形當作一個面，以三角網為基礎，計算并取代真實地形。這些大小不同的三角網形成一個三維三角網，即反映地貌的平面，三維三角網和現實地形越吻合，其計算準確度就越高。該方法的基本計算原理是用開方前后二期的三角網所形成的三棱柱和三棱錐，經過累加各個空間中立體的體積后所計算得出的土方量[9-10]。

1.3 測量精度評價

為驗證無人機傾斜攝影土方測量的精度，對測區再次進行RTK精密測量，以RTK精密測量數據計算出測區土方量，以此土方量為真值，對無人機傾斜攝影測量的土方量進行精度評定。采用相對誤差檢驗無人機傾斜攝影數據計算的土方量精度，相對誤差=|傾斜攝影數據填（挖）方量－RTK實測數據填（挖）方量|/RTK實測數據填（挖）方量。

2 結果與分析

2.1 無人機傾斜攝影土方計算

打開EPS軟件，新建工程，點擊“三維測圖”菜單，選擇“加載本地三維模型”，導入建好的模型數據，在三維模型中繪制出需要計算的土方邊界線，點擊“三維測圖”菜單下的“土方計算”功能，打開土方計算窗口，選擇已有范圍線，輸入設計標高，即可得到計算結果。利用無人機傾斜攝影測量計算的挖方量為2 114.35 m3，填方量為-1 071.82 m3（表1）。

2.2 無人機傾斜攝影土方測量精度評價

2.2.1 RTK土方測量與計算 （1）外業采集。打開手簿藍牙，連接手機網絡，創建項目信息，選擇坐標系統CGCS2000，連接好移動站后，移動RTK至開闊處（周圍無遮擋物），等待片刻出現固定，點擊“點測量”，當氣泡居中且信號為固定解時，點擊手簿上的定位按鈕，進行測量。點擊“查看”按鈕即可查看數據的坐標及測量時的信號是否為固定解，通過藍牙導出數據。

（2）土方計算。打開軟件EPS，點擊文件中輸入輸出“調入外部數據”導入數據文件，點擊“生成三角網”，然后進行土方計量和填挖分析。通過三角網進行土方測量，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，點擊“開始”，計算土方量結果。以RTK實測數值計算的挖方量為1 960.87 m3，填方量為-1 101.43 m3（表2）。

2.2.2 測量精度評價 無人機傾斜攝影測量的計算結果和RTK實測數值的計算結果如表3所示。經計算比較，填方量測量結果相對誤差較小（2.7%），兩者測量結果基本保持一致；挖方量的相對誤差較大，達到7.8%，但小于10%的限差范圍[11]。通過實地調查分析，挖方量相對誤差較大，可能是由測區表面花草高度不一引起。在以后的土方測量計算中，可以進行適當的高度修正，以進一步提高測量精度。

3 結論與討論

土方測量是土地整理中非常重要的環節之一，其測量結果關系到整個土地整理項目的總成本和進度。本文以某區域為測量區，使用大疆精靈四RTK無人機獲取傾斜攝影數據，利用ContextCapture建模軟件對數據進行處理并建立三維模型，使用EPS軟件進行土方計算，并以RTK實測數據為真值，檢驗無人機傾斜攝影測量土方量計算結果的可靠性和準確性。經對比分析，無人機傾斜攝影測量和RTK實測計算的填方量測量結果相對誤差較小，為2.7%；挖方量的相對誤差較大，達到7.8%。兩種測量方法計算的土方量結果的相對誤差在10%以內，滿足工程土方計算要求。使用無人機傾斜攝影測量技術能迅速得到測區數據，利用相關軟件可準確有效地計算土方量，該測量技術為土方測量計算提供了方法，為加快土地整理進度、質量把控等提供了途徑。隨著無人機傾斜攝影測量技術的發展和完善，其在土地整理中將發揮越來越重要的作用。

參考文獻

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

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

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

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

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

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[9] 鄧小東，張春亢，曹婷婷，等. 土方量計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. 基于傾斜攝影技術的工程土方測量與計算方法研究[J]. 測繪與空間地理信息，2021，44（6）：165-167，171.

（責任編輯：何" 艷）