无人机摄影测量在复杂地形测绘中的精度与优化

谢华艳  陈飞  郭春喜

云南省有色地质局三〇六队  云南省昆明市  650216

摘要：复杂地形区域普遍存在地形起伏剧烈、植被遮挡严重、光照条件复杂等问题，传统测绘技术难以满足高精度、全覆盖的测绘需求，无人机摄影测量凭借多角度影像获取、自动化三维建模的技术优势，成为复杂地形测绘的核心技术手段。本文围绕无人机摄影测量在复杂地形测绘中的精度控制与优化展开研究，分析了复杂地形下影响测绘精度的核心因素与误差机理，从航线规划、像控点布设、全流程误差控制等方面提出针对性优化策略，并结合典型山区滑坡体测绘案例完成精度验证。研究表明，经优化后的无人机摄影测量技术可在复杂山区实现 0.05-0.12m 的平面精度和 0.08-0.20m 的高程精度，能够为复杂地形测绘、地质灾害监测及工程规划提供可靠的地理空间数据支撑。

关键词：无人机摄影测量；复杂地形测绘；精度控制；优化策略；三维重建

引言：峡谷断裂带与陡峭斜坡区域往往呈现剧烈的地形起伏，植被分布呈现明显的斑块状特征，太阳光线照射角度多变，各类地物相互遮蔽现象突出，传统测量手段遭遇多重困境，布设控制点难度加大，通视条件难以满足，采集信息密度偏低。无人机摄影测量技术的发展，为复杂地形测绘提供了全新的技术路径，该技术依托无人机平台的灵活性，可实现复杂区域的多角度、高重叠度影像采集，结合三维重建技术能快速生成高密度点云与数字高程模型，大幅提升测绘工作的效率与安全性。但复杂地形的环境特性，仍会给无人机摄影测量带来航线规划难度大、像控点布设受限、多源误差耦合等问题，直接影响测绘成果的精度。

一、复杂地形对无人机摄影测量的精度影响

（一）航线规划不当的精度制约

航拍测绘中，无人机的飞行路线设计直接影响拍摄效果，这种前期准备工作同时关联着后期三维重建的精确程度和地表特征的还原度，陡峭地势呈现急剧起伏，不规则地貌特征显著，常规航线设计采用统一高度与固定间隔时，影像清晰度难以保持均衡遮挡最小化与覆盖连续性。对于坡度大于 45°的高陡区域或深切沟谷区域，固定航线易导致影像视差不足，无法实现有效特征匹配；对于高差200-300m的大高差区域，统一飞行高度会造成不同海拔区域的影像地面分辨率差异过大，低海拔区域分辨率不足、高海拔区域冗余度高^[1]。

（二）像控点布设的精度制约

像控点是保障无人机摄影测量模型整体精度、控制系统误差的核心要素，其布设的合理性直接决定精度传递的效果。复杂地形的陡坡、悬崖、茂密植被，以及有限的交通条件、作业安全限制，给像控点的布设带来诸多阻碍。若像控点仅布设在相对平坦的区域，会出现分布不均、高程方向无明显差异的问题，在空三平差过程中无法形成有效的全局控制框架，不仅会导致模型在陡坡区出现倾斜、扭曲，还会产生高程系统性偏差；滑坡前缘与剪切破裂带等地质突变区，监测点分布不足时，三维重建模型易出现几何失真。这些关键部位的采样密度若未强化，点云数据质量将显著下降。地形剧烈变化处需要加密观测点位，否则数字模型会产生局部变形，岩层裂隙与滑坡断裂带等地质特征的可辨识度受到明显制约，测绘数据用于地质分析时的可信程度随之下降。

（三）多源耦合的误差机理

复杂地形下无人机摄影测量的误差呈现多源耦合、多尺度叠加的特征，与平坦区域的误差机制存在显著差异，误差来源贯穿影像获取、三维重建、点云后处理全流程。在影像获取阶段，地形陡峭区域常因褶皱形态遮挡部分视野，造成航拍影像难以完整捕捉同一地块。阳光照射角度与坡面朝向相互作用，使背阴区域影像纹理模糊、明暗反差降低，显著提升了特征识别工作的复杂度，特征匹配质量不佳可能导致点位偏移，进而干扰空中三角测量的可靠程度。三维重建过程中，MVS稠密匹配常受多重干扰，植被遮蔽与岩壁反光造成匹配点异常，地表纹理突变引发噪声点聚集，深沟峡谷地带飞行器位姿的持续修正进一步加剧了外方位参数偏差，增加束缚调整难度。点云处理过程中，滤波强度的调节面临显著挑战，过度平滑会抹去坡面细微特征和裂隙轮廓，而滤波不足又会使噪声残留，影响模型的几何一致性；植被覆盖区域常因树冠遮蔽导致激光点云数据出现虚高偏差，这直接影响数字高程模型的精度^[2]。

二、无人机摄影测量在复杂地形中的优化策略

（一）自适应航线规划优化

复杂地形环境下，飞行路径的优化设计面临诸多挑战。通过数字高程模型数据结合坡度变化特征，可建立智能化的航线调整机制。这种方案能根据地面起伏状况自动修正飞行轨迹。测区地形特征由坡面倾斜度、方位变化、高程差异及地表粗糙程度共同决定，这些要素综合评估后形成区域地形复杂系数。基于该系数数值区间，飞行作业参数需相应分级优化，特别针对陡峭坡面超过45度或存在显著下切河谷的地带，降低航摄高度可获取更丰富的影像细节，增加旁向重叠度则有助于构建多角度观测体系，这种技术手段能有效改善立体像对中视差不足的缺陷；针对地形起伏超过200-300米的区域，实施分层航摄方案，依据海拔差异划分飞行层次，确保影像质量均衡。海拔较高区域采用较低飞行高度，中海拔区适当调整，低海拔区则提升飞行高度，使各地面分辨率趋于统一。飞行器姿态控制系统融合动态平滑补偿与抗风扰修正，航向角与俯仰角偏差得到有效抑制。激光测距模块持续监测离地间隙，地形跟随算法自动调节飞行高度，避免影像尺度突变；山地环境光照多变，飞行作业宜选光线稳定时段，采用影像均衡方法降低阴影与强光对匹配特征的影响。

（二）像控点布设的科学优化

地形复杂性决定了控制点需分层设置，坡顶区域优先布设基准点，坡腰位置补充过渡控制，坡脚处增设校正点。高程稳定性通过垂直方向控制链实现，这种纵向连接方式有效维持了三维模型的整体精度，地形高差过大会导致模型垂直方向变形。滑坡头部区域地质构造变化显著，剪出口与张裂带形态复杂，需要提高控制点布设频率。密集的几何控制数据能有效抑制三维模型局部变形，确保建模精度；像控点需在平面和高程方向合理布设，平面分布均匀，高程差异显著，从而确保空三平差能有效约束不同地形尺度，相机内外方位元素也得到精确控制，影像姿态解算的稳定性获得增强。山区地形高差突破300米时，采用三层布设方案配合远距离控制点，平面测量误差可缩减15%至32%，高程数据准确度提高20%至40%；岩体节理群与崩滑地表破碎带这类复杂结构区域，通过优化像控点布置方案，结构面倾向和倾角的识别误差能控制在2°至4°之间，为工程地质判读提供可靠依据。

（三）全流程误差的控制优化

针对复杂地形下多源耦合的误差特征，需构建全流程误差识别与控制策略，从影像获取到成果输出的各个环节实现误差管控。在影像获取阶段，除优化航线与光照选择外，将航向重叠度控制在 80%-85%、旁向重叠度控制在 75%-80%，提升影像特征匹配的有效性；在三维重建阶段，采用精细化空三平差算法，对影像外方位元素进行反复校正，减少姿态噪声带来的误差，同时针对遮挡区域的补拍航线数据进行优先融合，弥补特征点不足的问题。在点云后处理阶段，采用分级滤波策略，对高陡岩壁、深切沟谷等区域采用轻度平滑滤波，保留微地形细节，对植被覆盖区采用点云分类算法，剔除树冠虚高点云，还原真实地表形态；对重建空洞区域，结合周边点云的地形特征进行插值补全，保证点云的连续性。

三、结语

无人机摄影测量凭借无人机平台的灵活性与三维重建技术的高效性，突破了传统测绘技术在复杂地形中的应用局限，成为复杂地形测绘的重要技术手段。经优化后的无人机摄影测量技术可实现复杂地形的高精度、全覆盖测绘，其生成的高密度点云与三维模型能为地质结构识别、地质灾害风险评估提供可靠支撑，充分体现了该技术在复杂地形测绘中的工程化应用价值。

参考文献:

[1]亓峰,卢雪玉.无人机航测技术在复杂地形测绘中的应用研究[J].坦克装甲车辆,2025,(16):83-84.

[2]樊冰,胡晓宁,马良,等.无人机LiDAR及倾斜摄影测量技术在复杂河道工程测绘中的融合研究[J].水运工程,2023,(01):11-17+28.

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