摘要 該研究以30 km山地密林區(qū)高速公路為對(duì)象，比較了無(wú)人機(jī)航空攝影和三維激光掃描技術(shù)在生成DEM（數(shù)字高程模型）時(shí)的精度。結(jié)果顯示：三維激光掃描技術(shù)因其高頻率和強(qiáng)植被穿透性，能更準(zhǔn)確地獲取地面高程，生成符合公路地形測(cè)量要求的DEM成果，用以輔助施工決策與設(shè)計(jì)更具優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞 無(wú)人機(jī)；三維激光掃描；航空攝影；DEM

中圖分類號(hào) TU312 TU313.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）19-0001-04

0 引言

隨著交通基礎(chǔ)設(shè)施的快速發(fā)展，地形測(cè)量在高速公路線路規(guī)劃設(shè)計(jì)、土方量測(cè)算、運(yùn)維地質(zhì)安全評(píng)估等方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[1-2]。傳統(tǒng)的全站儀、GPS-RTK地形測(cè)量技術(shù)雖然在過(guò)去幾十年中取得了發(fā)展，但在帶狀長(zhǎng)距離、地形起伏大、高落差、茂密植被的高速公路地形測(cè)量作業(yè)中仍存在效率低、難度大、施測(cè)條件要求高等局限性，已無(wú)法滿足現(xiàn)代公路施工進(jìn)度與質(zhì)量要求，近年來(lái)，無(wú)人機(jī)航空攝影技術(shù)與無(wú)人機(jī)三維激光掃描（LiDAR）技術(shù)的興起為公路地形測(cè)量帶來(lái)新的解決方案。

在現(xiàn)代公路工程中，無(wú)人機(jī)航空攝影技術(shù)使用航攝儀從空中采集地面影像，通過(guò)航片重建的三維傾斜模型仍存在紋理貼圖錯(cuò)位、拉花變形、Mesh破洞等問(wèn)題，后期修模難度大、時(shí)間久，影響內(nèi)業(yè)判讀地物、地貌要素信息，導(dǎo)致繪圖精度下降甚至無(wú)法采集，而無(wú)人機(jī)三維激光掃描技術(shù)以其高效率、高精度、時(shí)效性強(qiáng)、植被穿透能力強(qiáng)的特點(diǎn)成為公路地形測(cè)量的熱點(diǎn)技術(shù)。

盡管已有許多研究關(guān)注兩項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用效果，但針對(duì)其在公路地形測(cè)量中的應(yīng)用與分析仍不充分[3-6]。鑒于此，該文以兩項(xiàng)技術(shù)在公路工程應(yīng)用案例，分析其對(duì)山區(qū)植被茂盛區(qū)域地形測(cè)量的精度準(zhǔn)確性，以期為此類項(xiàng)目的實(shí)施提供技術(shù)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(zhì)復(fù)雜、植被豐富，測(cè)區(qū)內(nèi)地物要素包括道路、鄉(xiāng)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(biāo)系為2 000國(guó)家大地坐標(biāo)系，中央子午線107°10′，投影高程抵償面230 m，高程基準(zhǔn)為1985國(guó)家高程，成圖比例尺1∶500，方格間距0.5 m，研究區(qū)衛(wèi)星影像如圖1所示。

2 實(shí)施技術(shù)路線

2.1 控制點(diǎn)布設(shè)

該文研究使用廣西連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GXCORS）和中海達(dá)A40GPS-RTK設(shè)備，采集滿足公路工程需求的控制點(diǎn)信息，坐標(biāo)系為國(guó)家2000大地坐標(biāo)系，通過(guò)CORS中心模型將大地高數(shù)據(jù)精化為1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。

2.2 外業(yè)數(shù)據(jù)獲取

2.2.1 航空攝影影像獲取

無(wú)人機(jī)航空攝影技術(shù)通過(guò)搭載感測(cè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)影像采集，由無(wú)人飛行器、機(jī)載傳感器和地面控制系統(tǒng)組成。該技術(shù)具有靈活性高、成本效益好和適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，相比傳統(tǒng)航空攝影有顯著優(yōu)59i/1Scw0Y8Cl5c7vAygTA==勢(shì)。

該研究使用搭載Share102SV3五鏡頭相機(jī)的DJIM300-RTK無(wú)人機(jī)，有效像素超1.25億，進(jìn)行山區(qū)地帶狀公路地形測(cè)繪。像控點(diǎn)統(tǒng)一布設(shè)于固定、平整、清晰區(qū)域，構(gòu)成“Z”形均勻分布，使用GPS-RTK和GXCORS賬號(hào)進(jìn)行靜態(tài)測(cè)量。飛行參數(shù)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(shù)據(jù)采集，技術(shù)流程如圖2所示。

2.2.2 三維激光點(diǎn)云獲取

機(jī)載激光雷達(dá)集成了三維激光掃描、GPS和INS技術(shù)，安裝在無(wú)人機(jī)上，通過(guò)發(fā)射和接收激光束，實(shí)時(shí)確定飛行器和地表物體的三維信息，廣泛應(yīng)用于地表空間信息數(shù)據(jù)收集。

該次作業(yè)使用SF1200四旋翼無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)掛載SA130雨燕激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)，該激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)具備1 500 m有效測(cè)距、7次反射回波、200萬(wàn)點(diǎn)每秒、相對(duì)精度優(yōu)于3 cm、絕對(duì)精度優(yōu)于5 cm等卓越性能，面對(duì)山勢(shì)陡峭、地質(zhì)復(fù)雜、植被茂密的帶狀長(zhǎng)距離公eU5O/fTlBKz/EDoT1es9uQ==路工程項(xiàng)目，航飛設(shè)計(jì)采用RTK作業(yè)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(yè)時(shí)間約50 min，共作業(yè)6架次，一天時(shí)間完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，航飛作業(yè)的同時(shí)RTK采集檢查點(diǎn)用于檢查解算點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量，技術(shù)流程如圖3所示。

2.3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

2.3.1 三維傾斜模型重建

此次外業(yè)航空攝影作業(yè)共采集39 104張傾斜航片，使用DJITerra集群軟件智能化協(xié)同處理傾斜航片，完成空三前航片影像、POS、相機(jī)參數(shù)預(yù)設(shè)置后，運(yùn)行首次空三加密提取連接點(diǎn)，接著導(dǎo)入像控點(diǎn)，自動(dòng)刺點(diǎn)優(yōu)化空三，最后設(shè)置輸出坐標(biāo)系、興趣區(qū)域范圍、分塊尺寸、模型原點(diǎn)，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(cè)三維測(cè)圖軟件uFeature3D自動(dòng)提取地表高程點(diǎn)，對(duì)于植被大面積遮擋高程推測(cè)區(qū)域，通過(guò)實(shí)地調(diào)繪計(jì)算樹(shù)高平均值，并參考周邊裸露平坦地面內(nèi)插高程，對(duì)提取的樹(shù)冠表層高程扣除樹(shù)高平均值后，經(jīng)過(guò)人工裸眼三維編輯核查，創(chuàng)建不規(guī)則三角網(wǎng)TIN，構(gòu)建輸出DEM。

2.3.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

此次外業(yè)三維激光掃描作業(yè)共采集103 GB原始數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)SouthLidarPro軟件聯(lián)合POS、姿態(tài)、軌跡、可見(jiàn)光照片解算點(diǎn)云，如圖5所示。

通過(guò)控制點(diǎn)計(jì)算參數(shù)完成工程坐標(biāo)系坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，自動(dòng)航帶平差優(yōu)化點(diǎn)云高程，導(dǎo)入點(diǎn)云檢查點(diǎn)核查原始點(diǎn)云質(zhì)量，使用Lidar360-UAV軟件激光雷達(dá)地形模塊功能完成數(shù)據(jù)處理：（1）點(diǎn)云MLS法平滑減少噪聲和測(cè)量誤差，使數(shù)據(jù)更加規(guī)則和平滑；（2）點(diǎn)云均勻重采樣改善點(diǎn)云的質(zhì)量和處理效率；（3）點(diǎn)云鄰域標(biāo)準(zhǔn)差去噪消除數(shù)據(jù)中的錯(cuò)誤或噪聲點(diǎn)；（4）點(diǎn)云自動(dòng)分類AI識(shí)別高中低植被、建筑物、地面點(diǎn)等地物類別；（5）人工手動(dòng)點(diǎn)云分類核查修正軟件自動(dòng)分類的錯(cuò)誤類別；（6）創(chuàng)建不規(guī)則三角網(wǎng)TIN，構(gòu)建輸出DEM，如圖6所示。

3 成果精度驗(yàn)證與分析

根據(jù)《基礎(chǔ)地理信息數(shù)字成果1∶500、1∶1 000、1∶2 000數(shù)字高程模型》（CH/T 9008.2—2010）、《機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取技術(shù)規(guī)范》（CH/T 8024—2011）、《工程測(cè)量通用規(guī)范》（GB 55018—2021）中規(guī)定的1∶500數(shù)字高程模型中誤差精度，具體要求如表1所示。

結(jié)合高速公路施工技術(shù)要求，其高程中誤差應(yīng)不大于該表“一級(jí)”指標(biāo)要求。使用GXCORS基站GPS-RTK動(dòng)態(tài)測(cè)量法或全站儀極坐標(biāo)法在研究區(qū)視野開(kāi)闊的硬化路面、變坡處、林下地面等場(chǎng)景均勻采集247個(gè)野外85高程控制點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，使用Arcgis軟件分別提取檢查點(diǎn)所在位置，并使用無(wú)人機(jī)航空攝影技術(shù)與無(wú)人機(jī)三維激光掃描技術(shù)數(shù)據(jù)處理生成的DEM高程值，如圖7所示，將檢查點(diǎn)與DEM逐個(gè)比對(duì)高程差值并統(tǒng)計(jì)差值區(qū)間個(gè)數(shù)。

基于無(wú)人機(jī)航空攝影技術(shù)生產(chǎn)的DEM高程差值在0.6～0.8之間占比最高達(dá)31.2%；基于無(wú)人機(jī)三維激光掃描技術(shù)生產(chǎn)的DEM高程差值在0～0.2之間占比最高達(dá)82.2%。

精度比較情況如表2所示。基于無(wú)人機(jī)航空攝影技術(shù)生產(chǎn)的DEM高程中誤差為0.86 m，基于無(wú)人機(jī)三維激光掃描技術(shù)生產(chǎn)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(cuò)位、拉花變形、Mesh結(jié)構(gòu)不完整、破洞等問(wèn)題影響內(nèi)業(yè)判讀提取高程點(diǎn)精度；（2）傾斜三維模型在密林原始地貌高程推測(cè)區(qū)無(wú)法準(zhǔn)確估算扣除樹(shù)高獲取林下地面高程；（3）帶狀高速公路測(cè)區(qū)航空攝影航片質(zhì)量易受光照條件影響，導(dǎo)致傾斜三維模型精度下降，而激光雷達(dá)得益于高點(diǎn)頻、多次回波數(shù)、光斑尺寸小、植被穿透能力強(qiáng)的特點(diǎn)，其生產(chǎn)的DEM達(dá)到1∶500數(shù)字高程模型“一級(jí)”指標(biāo)精度。

4 結(jié)論與展望

該文以山勢(shì)陡峭、地形環(huán)境復(fù)雜、植被茂密的30 km高速公路施工段作為研究區(qū)，分別應(yīng)用無(wú)人機(jī)航空攝影技術(shù)與無(wú)人機(jī)三維激光掃描技術(shù)獲取外業(yè)數(shù)據(jù)，通過(guò)內(nèi)業(yè)處理生成DEM數(shù)字高程模型并分析比對(duì)兩者高程精度誤差，結(jié)果表明：無(wú)人機(jī)三維激光掃描技術(shù)滿足1∶500數(shù)字高程模型精度要求，能提供高精度數(shù)字化地形模擬數(shù)據(jù)用于公路工程縱、橫斷面勘察設(shè)計(jì)、填挖方量測(cè)算、施工進(jìn)度監(jiān)測(cè)管理等業(yè)務(wù)場(chǎng)景。

后續(xù)的研究需要深入探討無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)（LiDAR）在各種環(huán)境條件下的適用性和可靠性。這包括考慮極端天氣，如風(fēng)暴、雪、雨，以及復(fù)雜地形，如山脈、森林、城市區(qū)域，對(duì)測(cè)量精度的可能影SGkga+Y4gvIu7kCR5tP5+mRNq7w8Bmt/FtATt1lQhDU=響，此外隨著人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的不斷進(jìn)步，如何將這些技術(shù)融入點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理過(guò)程，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別和分類，也將是后續(xù)研究的關(guān)鍵領(lǐng)域。同時(shí)，設(shè)備的小型一體化，性能提升和成本控制仍將是技術(shù)發(fā)展的主要趨勢(shì)，這將使這項(xiàng)技術(shù)更加普及和便捷。最后，集成多傳感器系統(tǒng)以獲取更全面的地形信息，將是提升公路工程地形測(cè)繪整體解決方案的關(guān)鍵。

綜上所述，無(wú)人機(jī)搭載的三維激光掃描技術(shù)已經(jīng)成為公路工程地形測(cè)量的重要工具。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用的深化，這一領(lǐng)域?qū)⒗^續(xù)拓展新的邊界，推動(dòng)傳統(tǒng)測(cè)繪向更高精度、更高效率和智能化方向發(fā)展。

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收稿日期：2024-06-20

作者簡(jiǎn)介：李旭（1971—），男，本科，高級(jí)工程師，主要從事高速公路施工、項(xiàng)目管理及數(shù)字化研究應(yīng)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(cè)繪工作。