无人机倾斜摄影技术在水利工程地形测绘中的精度分析与优化

一、引言

水利工程的规划、设计与施工，高度依赖高精度地形测绘数据。传统测绘方法在复杂地形与大面积测区作业时，暴露出效率低、成本高、精度不足等问题。无人机倾斜摄影技术凭借机动灵活、数据获取全面等优势，为水利工程地形测绘提供新方案。但在实际应用中，其精度受多因素制约，因此对该技术进行精度分析与优化研究，对推动水利工程建设发展意义深远。

二、无人机倾斜摄影技术原理与数据处理流程

2.1 技术原理

无人机倾斜摄影技术借助同一飞行平台搭载垂直正射相机及多台倾斜相机（常见倾斜角度 45^∘ 或 60^∘ °），飞行中同步采集影像，从多视角获取地物顶部与侧面纹理，弥补传统正射影像信息局限。其测量原理基于摄影测量共线方程，通过同名像点匹配与计算，确定物点三维坐标，构建实景三维模型。

2.2 数据采集

数据采集前需综合测区范围、地形，选适配无人机与高分辨率、低畸变相机。规划航线时，确保航向重叠度 gtrsim60% 、旁向重叠度 gtrsim30% ，依相机焦距与地面分辨率设飞行高度，按曝光需求控飞行速度。采集时选晴好天气，沿航线飞行，在测区均匀布设像控点，用 GPS 接收机测其三维坐标作数据处理基准。

三、无人机倾斜摄影技术在水利工程地形测绘中的精度分析

3.1 精度评估指标

在水利工程地形测绘中，无人机倾斜摄影技术的精度主要通过平面精度和高程精度量化评估，同时结合模型纹理清晰度、地物完整性综合判断。

平面精度以平面中误差衡量。实际操作时，先在实景三维模型中选取分布均匀、特征明显的检查点，用高精度全站仪或 RTK 设备测量其真实平面坐标，再从模型提取对应点坐标，对比计算二者差值，统计这些差值的离散程度，就能得出平面中误差，直观反映模型地物平面位置与实际位置的偏差。

高程精度采用高程中误差评估。与平面精度评估类似，对比检查点在模型中的高程值和真实高程值，计算二者差值并统计离散程度，得到高程中误差，这一指标对水利工程堤坝高程测量、河道断面分析等工作意义重大。而模型纹理清晰度影响地物细节识别，地物完整性决定模型地形要素是否完备，二者是重要的辅助评估指标。

3.2 影响精度的因素

无人机倾斜摄影技术在水利工程地形测绘中的精度，受飞行参数、相机性能、地形条件多因素制约。

飞行高度与地面分辨率负相关，高度过高会使影像分辨率降低，像点位移增大，地形起伏处误差更明显；飞行速度过快易导致影像模糊，影响同名像点匹配，降低三维建模精度。相机分辨率低难以捕捉地物细节，畸变差大会造成影像几何变形，影响像点坐标准确性。此外，地形起伏导致影像比例尺不一致，产生像点位移；茂密植被遮挡地面，使地形数据失真，都对测绘精度产生不利影响。

3.3 案例分析

为了验证无人机倾斜摄影技术在水利工程地形测绘中的精度，选取某水利工程区域进行实际案例分析。该区域地形较为复杂，包括山地、河流、平原等多种地形类型。

采用某型号的无人机搭载 5 镜头倾斜相机进行数据采集，设置飞行高度为100m ，飞行速度为 ，航向重叠度为 70% ，旁向重叠度为 40‰ 。在测区内均匀布设了 20 个像控点，通过 GPS 接收机测量其三维坐标。

数据采集完成后，按照上述数据处理流程进行处理，生成实景三维模型。从模型中选取了 50 个检查点，将其在模型中的坐标与已知的真实坐标进行比较，计算得到平面中误差为 ±0.15m ，高程中误差为 ±0.20m 。通过对模型的观察，发现模型的纹理清晰度较高，地物完整性较好，能够清晰地反映出测区内的地形地貌和地物分布情况。

根据水利工程地形测绘的精度要求，对于1:500 比例尺的地形图，平面中误差应不超过 ±0.15m ，高程中误差应不超过 ±0.20m. 。本次案例中，无人机倾斜摄影技术生成的模型精度满足该要求，说明该技术在该水利工程地形测绘中具有较高的应用价值。

四、精度优化策略

4.1 飞行参数优化

根据测区的地形特点和精度要求，合理调整飞行高度。在地形平坦的区域，可以适当提高飞行高度，以提高工作效率；在地形起伏较大的区域，则应降低飞行高度，以保证地面分辨率和精度。同时，要根据相机的曝光时间和飞行高度，合理控制飞行速度，确保相机在曝光时无人机的移动距离在允许范围内，减少像点位移的影响。例如，在本次案例中，如果将飞行高度降低到 80m ，飞行速度调整为 4m/s ，经过重新计算和测试，平面中误差可降低至 ±0.12m ，高程中误差可降低至 ±0.18m ，精度得到了明显提升。

4.2 相机选择与标定

选择高分辨率、低畸变的相机，以提高影像的质量和精度。在使用相机前，要进行严格的标定，获取准确的相机内参数（如焦距、主点坐标、畸变系数等）。相机标定可以采用专业的标定设备和方法，如张正友标定法。通过准确的标定，可以有效校正影像中的畸变差，提高测量精度。例如，采用一款分辨率为 2 亿像素、畸变差较小的相机，并经过精确标定后，在相同的测区条件下进行数据采集和处理，模型的平面精度和高程精度都有了显著提高，平面中误差可达到 ± 0.10m ，高程中误差可达到 ±0.15m 。

4.3 地形适应性处理

对于地形起伏较大的区域，可以采用分层飞行的方式进行数据采集。即根据地形的起伏情况，将测区分成若干层，在不同的高度层上进行飞行拍摄，然后将各层的数据进行融合处理，以提高模型的精度。针对植被覆盖问题，可以采用激光雷达与无人机倾斜摄影相结合的方法。激光雷达能够穿透植被，获取到真实的地形数据，与无人机倾斜摄影获取的地物纹理信息相结合，可以生成更加准确的三维模型。例如，在某植被茂密的水利工程区域，采用激光雷达与无人机倾斜摄影相结合的方式进行测绘，通过对激光雷达数据和影像数据的融合处理，有效解决了植被遮挡问题，生成的三维模型精度满足工程要求，平面中误差为 ±0.13m ，高程中误差为 ±0.18m_⨀ 。

五、结论

无人机倾斜摄影技术在水利工程地形测绘中应用前景广阔，能满足精度要求，但受多因素影响。通过优化飞行参数、合理选标相机、适应地形处理、改进数据处理，可有效提升精度，为水利工程提供精准地形数据。未来应探索多技术融合，满足更高精度测绘需求。

参考文献

[1]吴仰锋.倾斜摄影技术在水利工程中的应用研究[J].水利科学与寒区工程,2023,6(8):136-138.

[2]胡军辉.基于无人机倾斜摄影的水利工程三维实景数据重构研究[J].地下水,2024,46(3):292-293,309.

[3]缪靖.无人机倾斜摄影测量技术在水利工程中的应用[J].智能建筑与工程机械,2023,5(9):86-88.

作者简介：秦显鹏（1988 年 5 月 1 日）性别：男、民族：汉，籍贯：山东省滕州市，现供职单位全称：，职称：副高级，学历：本科，研究方向：测绘专业。