基于高精度无人机航测数据的数字高程图、三维模型构建与土方量精准测算

摘要：本文围绕高精度无人机航测技术在工程领域的应用展开深入研究，阐述其在数字高程图、三维模型构建以及土方量精准测算方面的关键技术、流程与优势。验证该技术的可靠性与高效性，为地形测绘、土木工程等众多行业提供精准的数据支持，推动工程建设的精细化、智能化发展。

关键词：高精度无人机航测；数字高程图构建；三维模型构建；土方量精准测算

一、引言

（一）研究背景

在现代工程建设、地质勘查、城市规划等诸多领域，精确的地形信息是项目顺利推进的基础。传统的地形测绘手段如全站仪测量、卫星遥感等，在面对复杂地形、小范围高精度需求时存在一定局限性。高精度无人机航测技术凭借其灵活机动、高分辨率、低成本等优势逐渐崭露头角，成为获取高精度地形数据的重要手段，为数字高程图绘制、三维模型构建以及土方量测算带来了全新的解决方案。

（二）研究目的与意义

旨在深入探讨基于无人机航测数据的处理流程与关键技术，实现高精度的数字高程图、逼真的三维模型构建以及精准的土方量测算。这不仅能够满足工程建设前期的规划设计需求，如场地平整、道路选线、建筑物布局，还可为工程施工过程中的土方调配、工程量核算提供精确依据，有效节约成本、提高工程质量，推动行业数字化转型。

二、无人机航测数据采集与处理技术

（一）无人机航测系统组成

1.飞行平台

多旋翼无人机、固定翼无人机是常用类型。多旋翼无人机操控灵活，可实现低空、低速飞行，适用于小区域、复杂环境的精细测绘；固定翼无人机飞行速度快、航程远，适合大面积地形快速测绘。根据不同项目需求选择适配的飞行平台，确保数据采集的全面性与高效性。

2.传感器

搭载高精度的光学相机、激光雷达等传感器。光学相机可获取高分辨率的影像数据，为数字高程图和三维模型构建提供丰富的纹理信息；激光雷达能直接测量地物的三维空间坐标，不受光照、天气等因素影响，尤其在植被覆盖区或地形起伏剧烈区域，可穿透植被获取地面真实高程信息，提升数据精度。

3.飞控与导航系统

先进的飞控系统保障无人机稳定飞行，按照预设航线、高度、速度自动巡航，确保数据采集的均匀性与完整性。导航系统结合 GPS、北斗等卫星定位技术，实现无人机精准定位，实时记录飞行轨迹，为后续数据处理提供基准。

（二）数据采集流程

1.测区规划

根据项目范围、地形特征、精度要求，利用专业软件规划无人机飞行航线。合理设置航线间距、旁向重叠率、航向重叠率等参数，一般航向重叠率控制在 60% - 80%，旁向重叠率在 30% - 40%，确保影像数据的连续性与冗余度，满足后续三维建模需求。

2.飞行作业

操作人员在现场按照规划航线放飞无人机，实时监控飞行状态，确保飞行安全。无人机按照设定参数自动采集影像、激光点云等数据，同时记录飞行姿态、位置、时间等信息，为数据后处理提供元数据支撑。

3.数据质量检查

飞行作业完成后，立即对采集的数据进行初步检查。查看影像清晰度、色彩一致性，检查激光点云的密度、完整性，剔除因飞行抖动、遮挡等原因造成的无效数据，确保进入后续处理流程的数据质量可靠。

（三）数据处理关键技术

1.影像预处理

对采集的光学影像进行畸变校正、辐射校正等处理。畸变校正消除镜头光学畸变对影像几何精度的影响，使影像符合真实的地形空间关系；辐射校正调整影像亮度、色彩一致性，还原地物真实的反射特征，为后续特征提取、匹配奠定基础。

2.点云处理

对于激光雷达获取的点云数据，进行滤波、分类处理。滤波去除地面点云噪声，如飞鸟、灰尘反射产生的噪点，提取真实地面点云；分类将地面点云与建筑物、植被等非地面点云区分开，便于构建数字高程图时准确表征地形起伏，同时为三维模型构建提供不同地物类别的分层信息。

3.数据融合

将处理后的影像与点云数据进行融合。以点云数据的高精度空间坐标为基础，将影像纹理映射到三维模型表面，生成既有精确几何形状又有逼真纹理的地形模型，提升模型可视化效果与应用价值。

三、数字高程图与三维模型构建

（一）数字高程图构建

1.基于点云生成

利用滤波后的地面点云，通过内插算法生成数字高程图（DEM）。常用的内插算法有克里金法、反距离加权法等，根据点云分布密度、地形复杂程度选择合适算法。克里金法考虑点云空间相关性，适用于地形变化平缓区域，能生成光滑连续的 DEM；反距离加权法简单直观，依据周边点云距离加权计算待定点高程，在地形突变区域有较好适应性。

2.DEM 精度评定

采用检查点法、与已知高精度 DEM 对比等方法评定生成的 DEM 精度。在测区内均匀布设检查点，利用全站仪等高精度测量仪器获取检查点真实高程，与 DEM 对应点高程比较计算误差，一般要求中误差控制在一定范围内，如平坦地区小于 0.3m，山区小于 0.5m，确保 DEM 满足工程精度需求。

（二）三维模型构建

1.基于多视影像的建模

利用预处理后的多视影像，通过摄影测量软件进行三维建模。采用特征提取、影像匹配技术，自动识别影像中的同名点，构建密集的点云模型；再经过三角网构建、纹理映射等步骤，将点云模型转化为具有真实纹理的多边形网格模型，直观展现地形地貌与地物外观。

2.模型优化与精简

初始构建的三维模型可能存在数据冗余、三角网不规则等问题，需进行优化。通过拓扑重建、二次曲面拟合等技术，优化三角网结构，提高模型几何精度；采用模型精简算法，在不影响模型视觉效果前提下，去除冗余面片，减小模型数据量，便于存储、传输与后续应用。

四、土方量精准测算

（一）基于 DEM 的测算方法

1.断面法

在 DEM 上按一定间距生成垂直于设计方向的断面线，分别计算每个断面的填挖面积，再根据相邻断面间距，利用棱柱体体积公式累加计算土方量。该方法原理简单，适用于地形较规则、线性工程如道路、渠道的土方量计算，计算结果直观，便于工程量分段核算。

2.方格网法

将测区划分成等间距的方格网，根据 DEM 确定每个方格顶点的高程，对比设计高程计算填挖方量。方格网法计算速度快，适合大面积场地平整等项目的土方量估算，可结合计算机编程实现自动化批量计算，提高工作效率。

（二）考虑地形变化的动态测算

1.实时更新 DEM

在工程施工过程中，利用无人机定期航测，实时获取地形变化数据，更新 DEM。如遇大型挖填方区域，及时反映地形改变，为后续土方调配提供动态数据支持，避免土方超挖超填，有效控制成本。

2.结合施工进度的精准测算

根据施工进度安排，分阶段、分区域进行土方量测算。将施工区域细分为已完成区、正在施工区、待施工区，针对不同区域特点采用不同测算方法，对已完成区进行土方量复核，正在施工区实时监控调整，待施工区提前规划，确保土方工程全程精准管控。

五、结论与展望

（一）研究结论

本论文系统阐述了基于高精度无人机航测数据的数字高程图、三维模型构建与土方量精准测算的技术方法与实践应用。通过优化无人机航测系统配置、数据采集与处理流程，能够高效获取高精度地形数据，进而构建精确的数字高程图、逼真的三维模型，并实现土方量的精准测算，为工程建设提供全方位、精细化的数据支持，具有显著的经济效益与应用价值。

参考文献

[1] 刘畅，陈晨，王强，等.基于无人机航测的数字高程模型构建及土方量计算精度分析[J].测绘通报，2023（07）：126-130.

[2] 张宇，李阳，赵刚.无人机倾斜摄影测量技术在三维模型构建与土方量测算中的应用[J].地理信息世界，2022，29（04）：108-112.