倾斜摄影测量技术在软基换填收方中的应用研究

摘要 随着科技的快速发展，倾斜摄影测量技术在工程领域的应用越来越广泛，该文旨在研究无人机摄影测量技术在公路工程软基换填收方中的应用。通过对该技术的基本原理、应用流程以及实际应用案例分析，探讨其在提高工作效率、减少人力成本、提升数据成果可视化等方面的优势。研究结果表明：倾斜摄影测量技术在公路工程软基换填收方中的应用具有显著的经济和技术优势，具有广阔的应用前景。

关键词 摄影测量；公路工程；软基换填

中图分类号 TU312; TU313.3 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2024）19-0081-04

0 引言

公路工程中的软基换填是一个复杂且耗时的过程，传统的测量方法需要大量的人力和时间投入，并且在精度和效率方面存在一定的局限性。近年来，无人机摄影测量技术因其快速、高效、精确的特点，逐渐在工程测量领域崭露头角[1-4]。该文将详细探讨无人机摄影测量技术在公路工程软基换填收方中的应用，通过实际案例分析，展示其在提高工作效率、减少人力成本、提升数据成果可视化等方面的优势。

1 倾斜摄影测量技术基本原理

与传统的摄影测量相比，倾斜摄影测量提供了更多角度的影像数据，使得地物的外观、位置、高度等属性信息更加丰富，能够更全面地反映地物的真实情况。在处理倾斜影像时，涉及的关键技术包括多视影像联合平差算法、多视影像密集匹配算法、影像纠正算法等。多视影像联合平差的核心思想是基于由粗到精的金字塔分层匹配策略，结合多视影像的外方位元素，在每一级影像上进行影像同名点的自动匹配和自由网光束平差[5]。带共线条件的多片最小二乘多视影像密集匹配算法（Multiphoto Geometrically Constrained Matching，MPGC）是经典的密集匹配算法，通过对多张影像进行匹配，基于共线条件方程计算物点的坐标。在摄影测量中，共线条件方程是一个重要的基本公式[6]，可用于求解像点坐标、方位元素和地面点坐标等，公式如下公式（1）所示。

x=−f a1（X−XS）+b1（Y−YS）+c1（Z−ZS） a3（X−XS）+b3（Y−YS）+c3（Z−ZS） （1）

y=−f a2（X−XS）+b2（Y−YS）+c2（Z−ZS） a3（X−XS）+b3（Y−YS）+c3（Z−ZS）

（XS，YS，ZS）——地面点地面空间坐标系中的坐标位置；（X，Y，Z）——投影中心在地面空间坐标系中的坐标位置；f——焦距（mm）；（a1、a2、a3，b1、b2、b3，c1、c2、c3）——外方位元素矩阵参数。

2 实施技术路线

利用倾斜摄影测量技术，采集现场高精度影像数据，然后进行三维重建形成实景三维模型，根据现场实际情况对模型进行修饰及剔除施工器械等杂物后，提取横断面线，将横断面线与设计横断面套合，通过横断面法即可得到软基换填方量[7]，具体技术流程如下图1所示。

3 应用案例

3.1 项目概况

宜州高速公路是《广西高速公路网规划（2018—2030）》中“1环12横13纵25联”规划的一部分，是列入广西壮族自治区政府制定的《县县通高速公路建设工作方案》中新开工重点推进项目中的一条。宜州高速某分部沿线靠近国道、燃气管道及通信光缆等，地方关系及情况错综复杂。主线范围内设计有K65+500互通、K74+160枢纽互通，主要路基桥涵工程量有：路基土石方填方496.7万立方米，挖方492万立方米；桥梁共15座，其中大桥9座，分离式立交桥1座，匝道桥4座，跨线桥1座，盖板涵45道，盖板通道16道。宜州西高速公路按四车道高速公路标准建设：设计速度120 km/h；路基宽度整体式为26.5 m，分离式路基为13.25 m；汽车荷载等级为公路-I级；设计洪水频率特大桥为1/100，大、中、小桥、涵洞及路基为1/100。

3.2 外业数据采集

首先确定需要测量的软基换填范围为桩号K47+260～K47+400，在测区范围内用标记纸现场铺设像控点，如下图2所示，由于测区范围较小，在测区四周共布设4个像控点。布置好像控点后，用项目已知点校准后的GPS测量仪测出每个像控点的坐标值，将GPS设备的测量天线准确放置在L形控制点标记的内角位置，进行坐标数据采集。每个控制点的坐标采集时应为固定解和保持设备对中，以确保数据稳定和精度，采集到的数据结果如下表1所示，该次像控点布设及采集耗时约0.2 h。

该次无人机外业数据采集所用无人机型号为大疆精灵4RTK，飞行时航线参数设置分别为：飞行高度保持在120 m定高飞行，航向重叠率为75%，旁向重叠率为70%，相机角度为45°斜向下，等距间隔拍照，飞行速度为8 m/s。航迹规划界面如下图3所示，此次数据采集耗时约0.3 h。

3.3 内业数据处理

采集完地形数据后，将原始影像数据导入到专业的摄影测量软件Smart3D中，先进行空中三角测量，打开各航拍图像，找到每个控制点在影像中的位置。根据标记的几何形状，确定控制点的位置，然后在软件中使用刺点工具，逐一点击各影像中的控制点位置，记录控制点在每张影像中的像素坐标，每个控制点的刺点影像不少于4张。刺点完成后，将预先测量的控制点精确坐标输入软件中，与刺点操作记录的像素坐标进行关联。最后利用输入的控制点坐标对图像进行几何校正，调整影像的位置、方向和比例，确保影像的地理参考精度，如图4所示。

对生成的三角网格进行优化，减少多边形数量，以降低模型的复杂度，提高渲染效率。同时对网格表面进行平滑处理，消除模型表面的细小瑕疵和不规则，提升模型的视觉效果。然后从原始影像中提取纹理信息，映射到三维模型的三角网面上，生成带有真实纹理的三维模型，然后对模型中的漂浮物、施工器械等进行清除和压平。得到可用于下一步算量的模型成果。然后提交生产项目生成三维模型如图5所示。

3.4 方量计算

通过实景三维模型提取点云数据，将LAS格式的点云数据经点云处理软件转换成txt格式，然后经Excel编辑成.dat格式数据，导入南方CASS软件中，建立三角网，根据设计道路中心线提取生成横断面线如下图6。

按中心点高程定位将生成的横断面线套合至设计横断面，对横断面线进行编组，设计原断面线为第一期数据，实测横断面线为第二期数据。调用软件土方计算功能，设定计算的起止桩号为K47+260～K47+400，即可计算得到软基换填方量，具体结果如下表2所示。

3.5 结果精度验证

为验证该方法的精度[8]，在现场用RTK采集了开挖后的横断面线坐标数据，该次数据采集耗时约1.5 h。然后与设计横断面数据结合，以设计原地面线为第一期数据，RTK实测横断面线为第二期数据，计算得到软基换填方量如下表3所示。

由以上结果可知，RTK实测软基换填方量为填方8 834.1 m3、挖方1 469.3 m3；而通过无人机摄影测量方法得到的软基换填方量为填方8 739.4 m3、挖方1 460.6 m3，

两种方式的填方量偏差为1.07%，挖方量偏差为0.59%。偏差在合理范围内，说明无人机摄影测量方法用于软基换填收方，精度满足使用要求。

从效率上来看，无人机外业数据采集总耗时约0.5 h，而RTK采集横断面数据耗时约1.5 h，可知无人机摄影测量方式可有效提升外业数据采集效率，且对于地形环境越复杂的测区，无人机的优势越明显。

4 总结

无人机摄影测量技术在公路工程软基换填收方中的应用，具有显著的经济和技术优势。通过实际案例分析，证明了该技术在提高工作效率、减少人力成本、提升数据可视化等方面的优越性。然而，该技术在应用过程中也面临一些挑战，如施工前期的植被覆盖对数据结果有较大影响，需要在实际操作中不断总结经验，完善技术手段，以更好地服务于公路工程建设。随着无人机技术的不断发展和完善，其在工程测量领域的应用前景将更加广阔。

参考文献

[1]吕凤华，张志华，赵亚波，等.无人机空地一体航测技术在天桥设施施工中的应用[J].工程勘察，2022：50（7）：66-70.

[2]李雍友，林广泰.无人机技术在平南三桥建设中的应用[J].西部交通科技，2020（11）：70-73+80.

[3]程振庭，杨茗钦，林广泰.BIM技术在龙门大桥智慧建造中的应用[J].西部交通科技，2022（11）：5-7.

[4]林广泰，陈孝强，欧晨丰.超500 m级钢管拱桥施工管理BIM关键技术[J].西部交通科技，2020（11）：50-54.

[5]王凯，王莹，常勤慧.无人机倾斜摄影测量在矿山监测中的应用策略分析——以河南A矿山为例[J].装备制造技术，2023（5）：240-243.

[6]李锦通，焦龙，陈思远.无人机摄影测量在工程中的应用[J].广东土木与建筑，2021（9）：4-7.

[7]马小东.无人机航测技术在道路测量中的应用[J].测绘与空间地理信息，2023（12）：147-150.

[8]王成，施宇军，权菲，等.无人机倾斜摄影测量土方量测算及精度评价[J].测绘通报，2022（8）：139-142+159.

收稿日期：2024-06-26

作者简介：高山（1981—­），男，本科，高级工程师，主要从事高速公路建设管理、项目数字化及绿色低碳研究应用

等工作。

通讯作者：赵志强（1992—­），男，本科，助理工程师，主要从事公路工程无人机应用研究工作。