無人機航空攝影測量在土地復墾測量中的應用

劉福春，朱 微

(1.江蘇星月測繪科技股份有限公司 江蘇 鹽城 224000;2.常州市測繪院 江蘇 常州 213002)

1 引言

土地復墾是指將未利用的土地改造成為可以利用的農(nóng)用地，并加以利用的行為。積極開展土地復墾工作是緩解人地矛盾、改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件和生態(tài)環(huán)境的有效途徑，是實現(xiàn)耕地總量動態(tài)平衡、增加有效土地面積的有力措施，是提高土地質(zhì)量、促進土地集約化利用的重要手段。土地復墾后要求對被復墾地重新進行測量以便計算出新增加的復墾土地和新增加的農(nóng)業(yè)設施，例如道路、水渠等。

土地復墾的常用測量方法是數(shù)字化測圖，就是利用RTK 結(jié)合全站儀進行測量。數(shù)字化測圖適用于小面積的土地復墾測量，但對大面積的復墾測量效率則比較低。數(shù)字化測圖無法對土地復墾前、后圖形進行比較，不能直觀反映復墾前后的變化。飛機航空攝影能夠提供直觀的正射影像圖DOM，從圖上就更能夠直觀，但是對面積僅僅只有十幾平方公里的土地復墾測量用大飛機的航空攝影顯然不是一個明智的選擇。此時可以將小型無人機的低空攝影測量有效利用起來。目前微型無人機航空攝影測量具有輕小、續(xù)航時間長、成本低、機動靈活等優(yōu)點，是衛(wèi)星遙感與有人機航空遙感的有力補充。

本文以射陽鹽場萬頃良田建設一期工程1 ∶2000 土地復墾項目為例，利用無人機航空攝影測量的方法，通過對該工程實測后的精度分析得出無人機能夠滿足土地復墾的測量要求。同時通過幾個方面的比較得出無人機航空攝影測量在土地復墾測量中比數(shù)字化測圖更為先進。

2 無人機航空攝影測量

2.1 任務概述

射陽鹽場萬頃良田建設一期工程土地復墾已經(jīng)竣工，項目區(qū)約5.7 km2，利用無人機對測區(qū)進行航攝，制作1∶2000 彩色數(shù)字正射影像圖(DOM)和數(shù)字地形圖(DLG)。

2.2 數(shù)學基礎

(1)平面坐標系統(tǒng)是1980年西安坐標系;

(2)投影方式采用高斯－ 克呂格投影，按3°分帶;

(3)高程基準采用1985 國家高程基準;

(4)成圖比例:DOM 和DLG 按1∶2000 進行設計要求。

2.3 產(chǎn)品規(guī)格

(1)DOM:數(shù)字正射影像為真彩色影像，采樣分辨率為0.2 m，采用雙線性或雙三次卷積內(nèi)插法采樣，圖幅內(nèi)缺少影像數(shù)據(jù)區(qū)域以白色填充。

(2)DLG:按50 cm×50 cm 矩形分幅DLG 編輯生產(chǎn)，比例尺為1∶ 2000，數(shù)據(jù)格式為DWG。

2.4 數(shù)據(jù)格式

(1)DOM 數(shù)據(jù)文件格式:為非壓縮的TIFF 格式，坐標信息文件為.tfw。

(2)DLG 數(shù)據(jù)文件格式:為DWG 格式。

2.5 成圖精度

(1)DOM 精度，如表1 所示。

表1 DOM 數(shù)據(jù)中地面明顯地物點對最近野外控制點的圖上點位中誤差

(2)DLG 精度，如表2 所示。

2.6 測繪生產(chǎn)

2.6.1 航空攝影

本項目利用無人機進行航攝，利用數(shù)碼相機Canon 5D MarkII(焦距24.378039 mm，像元大小0.00641 mm)實現(xiàn)定點曝光，根據(jù)CH/Z 3005－2010 要求，像片航向重疊度設計一般為60%～80%，最小不少于53%;像片旁向重疊度設計一般為15%～60%，最小不少于8%。而數(shù)碼相機像片每處分辨率均一樣，不存在邊緣模糊圈，只要有重疊能辨清地物均可選點、測圖?；诒敬魏綌z任務的實際情況確定航向重疊度為80%，旁向重疊度為50%。像片傾斜角一般不大于5°，最大不超過12°，出現(xiàn)超過8°的片數(shù)不多于總數(shù)的10%。像片旋偏角一般不大于15°，在確保像片航向和旁向重疊度滿足要求的前提下，個別最大旋角不超過30°，在同一條航線上旋角超過20°像片數(shù)不應超過3 片，超過15°旋偏角的像片數(shù)不得超過分區(qū)像片總數(shù)的10%。像片傾斜角和像片旋偏角不應同時達到最大值。航線彎曲度不大于3%。同一條航線上相鄰像片的高差應不大于30 m，同一條航線上最大和最小航高差應不大于50 米。攝影分區(qū)內(nèi)實際航高和設計航高之差應不大于50 m。最終攝區(qū)共8 條航線，飛行方向為南北向。航線間結(jié)合良好，重疊符合規(guī)范要求，沒有絕對漏洞和相對漏洞。

2.6.2 像控點測量

像控點一般應布設在航向及旁向6 片或5 片重疊范圍內(nèi)，使布設的像控點盡量公用，點位距像片邊緣不應小于150 像素?？刂泣c平面精度對基礎控制點平面位置中誤差不應超過地物點位置中誤差的1/5，高程不超過基本等高距的1/10，通過換算可知控制點平高精度為0.1 m。

最終測區(qū)利用JSCORS 到外業(yè)實測控制點12個，平面坐標為1980 西安坐標系，高程為1985 國家高程基準，外業(yè)實測控制點分布略圖，如圖1 所示。

圖1 外業(yè)控制點分布略圖

2.6.3 空中三角測量

本項目采用影像處理系統(tǒng)PixelGrid 對無人機數(shù)碼影像進行畸變糾正，然后利用PixelGridAAT +PATB 小數(shù)碼自動空三加密模塊，以小數(shù)碼航片作為空三加密的原始數(shù)據(jù)，運用PATB 平差軟件進行光束法區(qū)域網(wǎng)平差。通過航測內(nèi)業(yè)方法(包括內(nèi)定向、相對定向、公共連接點的轉(zhuǎn)刺)構(gòu)建空中三角網(wǎng)，并將外業(yè)控制點成果導入系統(tǒng)按嚴密的數(shù)字模型進行區(qū)域整體平差，得到優(yōu)化后的外方位元素和加密點成果。

通過對測區(qū)范圍以及航片數(shù)量分析，項目不需進行加密分區(qū)。整個測區(qū)作為一個整體進行光束法區(qū)域網(wǎng)空三加密，在加密過程中遇到了約9 張航片少點情況，通過人工在標準點位加點的方法進行解決。部分自動連接點視差較大，通過輸出相對定向精度報告人工找出超限點經(jīng)行改正。通過對加密結(jié)果的分析，空三成果能精度滿足設計要求。

2.6.4 數(shù)字正射影像圖制作

在空三成果基礎上建立測區(qū)工程文件，導入作業(yè)生產(chǎn)區(qū)域DEM 數(shù)據(jù)。利用DEM 數(shù)據(jù)對原始影像進行數(shù)字微分糾正，編輯自動生成的鑲嵌線對整個測區(qū)的模型正射影像進行無縫拼接，使用PhotoShop軟件對影像進行整飾，并最終完成數(shù)字正射影像圖。最后按矩形圖廓對影像進行分幅裁切，形成DOM 數(shù)據(jù)成果。

本項目測區(qū)以平地為主，DEM 的制作主要是使用空三加密點做編輯去除明顯非地面點后按區(qū)域插值生成大范圍區(qū)域DEM，按2.5 m ×2.5 m 格網(wǎng)間距建立數(shù)字高程模型即DEM。

使用PixelGrid 系統(tǒng)自帶的勻色模塊對影像進行勻色工作。針對部分像片顏色不均勻情況本項目主要使用小波低通濾波法進行單幅影像內(nèi)勻光，結(jié)果表明像片顏色不均情況得到了很好的抑制。在影像拼接過程中，為了防止出現(xiàn)房屋、高壓塔等高程等變化較大地物要素出現(xiàn)倒向嚴重情況，最多只進行隔片拼接，而不進行隔多張像片拼接。最終檢查影像整體清晰，明暗度、對比度適中，色調(diào)柔和，影像無明顯變形。

2.6.5 數(shù)字地形圖繪制

利用全數(shù)字攝影測量工作站VirtuoZo 測圖模塊導入空三加密成果恢復航攝數(shù)字影像的立體模型。采用內(nèi)業(yè)判讀進行各地形要素的數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過轉(zhuǎn)碼、初步編輯后將符號化的地物數(shù)據(jù)疊加正射影像輸出調(diào)繪片。結(jié)合內(nèi)外業(yè)成果進行編輯整理，生成圖形文件。

外業(yè)調(diào)繪時，在內(nèi)業(yè)采集的基礎上對調(diào)繪面積范圍內(nèi)的區(qū)域進行野外核實和補調(diào)。因影像時效性極好，故實地區(qū)域幾無變化。

地形圖內(nèi)業(yè)編輯在基于AutoCAD 及開發(fā)的測圖軟件CASS 7.1 工作環(huán)境中進行。

2.7 質(zhì)量檢查

控制點質(zhì)量檢查中誤差為0.17 m，DOM 中誤差為0.37 m，DLG 中誤差為0.31 m，符合質(zhì)量要求。

3 傳統(tǒng)測量與低空攝影的比較

在土地復墾測量中，從精度比較上來說，兩種測量方法得到的DLG 精度都符合規(guī)范要求，但無人機在土地復墾中的作用明顯比數(shù)字化測圖具有優(yōu)勢。

3.1 測圖效率性

從測圖效率上來說，無人機攝影測量明顯快于傳統(tǒng)的測量手段，十幾平方公里的土地復墾項目測量最多10 幾天就能夠完成，且大部分工作在內(nèi)業(yè)就能夠完成，幾乎很少受天氣因素的影響，外業(yè)調(diào)繪幾乎不需要做什么，這是由復墾測量的特點來決定的。

3.2 用人成本

在整個測繪生產(chǎn)中，最大的成本就是人力成本。無人機航空攝影測量可以將參加測繪的人員數(shù)量大大降低，使工作的辛苦程度也降低。

3.3 產(chǎn)品的豐富性

在數(shù)字化測圖中只能夠提供一套最終的DLG圖形，而無人機攝影測量，不但能夠提供DLG，而此能夠提供DOM。雖然DLG 是一個完備的圖形，但在土地復墾測量中DOM 顯的更直觀、直接。

4 結(jié)束語

無人機在土地復墾中體現(xiàn)出輕便靈活、反應迅速、成本低廉等優(yōu)點，可以使測量工作更加高效、快捷，極大地節(jié)省了人力，縮短了測量周期。

但需要說明的是無人機航攝系統(tǒng)也有諸多缺陷，例如單幅影像覆蓋面積小，正射影像圖接縫工作量變大;像對模型變多，增加了模型切換和模型接邊工作量;系統(tǒng)姿態(tài)不穩(wěn)定，使得空中三角形不穩(wěn)定，從而引起高程精度損失，無法滿足1∶ 500 測圖精度。

因此，如何將無人機的優(yōu)勢發(fā)揮到極致，使它更好地為測量使用是一個值得探究的問題。

［1］國家測繪局.CH/Z 3005－2010 低空數(shù)字航空攝影規(guī)范［S］.北京:測繪出版社，2010.

［2］國家測繪局.CH/Z 3003－2010 低空數(shù)字航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范［S］.北京:測繪出版社，2010.

［3］吳正鵬.無人機載雙相機低空遙感系統(tǒng)應用初探［J］.遙感信息，2010(2):114－118.

［4］谷國濤，吳良才.無人機遙感技術(shù)數(shù)據(jù)特點及其應用［J］.科技致富向?qū)В?011(35):57－58.

［5］雷雙友，尹向紅，李軒宇.無人機遙感技術(shù)在城鎮(zhèn)土地集約利用監(jiān)測評價中的應用［J］.測繪通報，2011(7):34－36.