無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在土地整治中的應(yīng)用研究

袁士才　唐忠?！?shū)婷

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展及工程行業(yè)的更高要求，傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)逐漸不能滿(mǎn)足土地規(guī)劃項(xiàng)目的具體要求，因此以無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)為代表的先進(jìn)測(cè)量技術(shù)，以其技術(shù)優(yōu)勢(shì)在工程中的應(yīng)用愈加廣泛。本文以重慶地區(qū)土地整治項(xiàng)目需求入手，詳細(xì)分析了無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在土地整治項(xiàng)目中的具體優(yōu)勢(shì)，并通過(guò)設(shè)計(jì)具體實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了其測(cè)量精度滿(mǎn)足項(xiàng)目需求。無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)既能體現(xiàn)企業(yè)自身的技術(shù)實(shí)力，又能為項(xiàng)目的具體實(shí)施節(jié)約一定的成本，因此有很廣泛的技術(shù)應(yīng)用前景和市場(chǎng)推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī);航測(cè)技術(shù);土地整治;應(yīng)用研究

Research on Application of UAV Aerial Survey Technology in Land Remediation

YUAN Shicai TANG Zhonghai LIU Shuting

（Yangtze Normal University， Chongqing， 408100 China ）

Abstract： With the rapid development of technology and the higher requirements of the engineering industry， traditional measurement technologies are gradually unable to meet the specific requirements of land planning projects. Therefore， advanced measurement technology represented by UAV aerial survey technology has become more and more widely used in engineering， due to its technical advantages. Based on the demand of land remediation project in Chongqing， this article analyzes in detail the specific advantages of UAV aerial survey technology in land remediation projects， and verifies that its measurement accuracy meets the project needs through specific experiments. UAV aerial survey technology can not only reflect the company's own technical strength， but also save a certain amount of cost for the specific implementation of the project， so it has a wide range of technology application prospects and market promotion value.

Key Words： UAV; Aerial survey technology; Land remediation; Application research

重慶地區(qū)多為山地、丘陵地貌，地形起伏多變，降水較多，且地面水系豐富，由于早期存在邊坡盲目開(kāi)墾種植農(nóng)田、非法砍伐樹(shù)木、非法開(kāi)采等現(xiàn)象，以及邊坡風(fēng)化失穩(wěn)等不良地質(zhì)，再加上惡劣天氣條件影響，常發(fā)生滑坡、泥石流、堰塞湖等地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題。為治理上述問(wèn)題，國(guó)家發(fā)展改革委、水利部和重慶市財(cái)政下?lián)軐?zhuān)項(xiàng)經(jīng)費(fèi)進(jìn)行土地整治工作，主要開(kāi)展坡耕地水土流失綜合治理項(xiàng)目和農(nóng)村小水電扶貧項(xiàng)目，前期開(kāi)展的測(cè)量項(xiàng)目主要是全野外數(shù)字測(cè)圖工作，通過(guò)數(shù)字地形圖的更新，為后續(xù)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工等工作開(kāi)展打下堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)^[1]。

在傳統(tǒng)的土地整治項(xiàng)目中，主要采用全站儀、水準(zhǔn)儀、皮尺等常規(guī)工程測(cè)量?jī)x器，測(cè)量技術(shù)落后，且受地形影響，勞動(dòng)強(qiáng)度極大。后來(lái)隨著測(cè)量設(shè)備的更新?lián)Q代，衛(wèi)星定位技術(shù)逐漸在該領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，如采用自行架設(shè)單基站GNSS-RTK或利用市地理信息中心提供的CORS網(wǎng)絡(luò)GNSS-RTK等形式，避免了站點(diǎn)間的通視問(wèn)題，極大提高了工作效率，但是由于山區(qū)地形復(fù)雜，衛(wèi)星信號(hào)及手機(jī)信號(hào)均收到不同程度的影響，尤其是在中午11點(diǎn)～14點(diǎn)之間，CORS信號(hào)極易斷線(xiàn)，因此工作中不能時(shí)時(shí)提供坐標(biāo)數(shù)據(jù)，往往影響施工進(jìn)度。不論是全站儀，還是GNSS衛(wèi)星定位設(shè)備，都是接觸式測(cè)量方式，必須要人員到相應(yīng)點(diǎn)位才能得到具體坐標(biāo)信息，原始地面起伏較大，爬坡下坎比較消耗體力，且易發(fā)生人身安全問(wèn)題這都是不利因素，同時(shí)，這些測(cè)量方法，僅能測(cè)量點(diǎn)的三維坐標(biāo)，生成二維線(xiàn)劃圖，高程以等高線(xiàn)來(lái)表示，不能直觀反映地形起伏變化情況，給設(shè)計(jì)、施工帶來(lái)一定的不便，因此目前所用測(cè)量技術(shù)和方式逐漸不能滿(mǎn)足當(dāng)前土地整治中規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工的具體需求。

隨著測(cè)量技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，衛(wèi)星遙感技術(shù)、無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)、三維激光掃描技術(shù)、激光雷達(dá)等非接觸式測(cè)量技術(shù)逐漸嶄露頭角，它們以非接觸式測(cè)量方式，直接獲得高精度的掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以高效地對(duì)真實(shí)世界進(jìn)行三維建模和虛擬重現(xiàn)，并在文物數(shù)字化保護(hù)、土木工程、工業(yè)測(cè)量、自然災(zāi)害調(diào)查、數(shù)字城市地形可視化、城鄉(xiāng)規(guī)劃等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用^[2]，特別是無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)，在地形條件復(fù)雜，高差起伏很大的地域，基本代替了傳統(tǒng)的人工測(cè)量^[3]。

1.無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在土地整治項(xiàng)目應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)

遙感技術(shù)根據(jù)遙感平臺(tái)的不同，可分為地面遙感、航空遙感和航天遙感三種形式^[4]，無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)屬于航空遙感中的一種。航天遙感，主要是指衛(wèi)星遙感，具有測(cè)量面積大、范圍廣、不受?chē)?guó)界和地理?xiàng)l件限制的優(yōu)點(diǎn)，適于大面積地形測(cè)繪。地面遙感，主要指地面架設(shè)遙感設(shè)備，具備大面積的同步觀測(cè)，獲得資料的速度快，周期短，時(shí)效性強(qiáng)特點(diǎn)，但受到遙感平臺(tái)高度和視角廣度影響。航空遙感中，傳統(tǒng)的航空攝影測(cè)量方法，受空域申請(qǐng)、航攝周期等影響，在快速響應(yīng)的應(yīng)急保障和小區(qū)域的精準(zhǔn)測(cè)繪中無(wú)法滿(mǎn)足快速更新的需求^[5]，隨著低空遙感技術(shù)的發(fā)展，使得低空無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)成為一個(gè)嶄新應(yīng)用方向。無(wú)人機(jī)具有機(jī)動(dòng)靈活、生產(chǎn)周期短等特點(diǎn)，可為復(fù)雜地形區(qū)的測(cè)量項(xiàng)目提供有效的技術(shù)支持，可有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)測(cè)量手段的不足^[6]，在土地整治項(xiàng)目中具有明顯優(yōu)勢(shì)。

1.1 數(shù)據(jù)成果齊全，便于后續(xù)工作開(kāi)展

傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)，如全站儀、GNSS-RTK等由于技術(shù)的局限性，測(cè)量數(shù)據(jù)成果單一，二維線(xiàn)劃圖（DLG）識(shí)讀性不佳，且在繪制中會(huì)舍棄大量要素信息，對(duì)設(shè)計(jì)施工不利。而無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)可生成DOM、DEM、DSM、DLG等4D產(chǎn)品，可見(jiàn)航測(cè)成果信息更加齊全，直觀性強(qiáng)，對(duì)后續(xù)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、管理維護(hù)也有很好的指導(dǎo)意義。

1.2 工作效率高，勞動(dòng)強(qiáng)度低

在土地整治項(xiàng)目中，傳統(tǒng)測(cè)繪方法以實(shí)地踏勘測(cè)量為主，受地形影響，視角不足，因此需要集中大量的人力物力，耗費(fèi)較多的時(shí)間完成測(cè)量任務(wù)，而通過(guò)無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)，只需讓無(wú)人機(jī)航飛覆蓋整個(gè)待測(cè)區(qū)域，觀測(cè)人員布設(shè)少量像控點(diǎn)，即可完成外業(yè)工作，之后回到室內(nèi)，以Context Capture Master、Pix4D、PhotoScan、Inpho等專(zhuān)業(yè)航測(cè)軟件處理數(shù)據(jù)，得到4D成果，很大程度上縮短了工作周期，提高了工作效率，保證了工作人員的安全。

1.3 成果可讀性好，便于匯報(bào)及交接工作

利用無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)可以獲得規(guī)劃前、施工中及竣工后等多階段的工程影像資料，而工程項(xiàng)目的竣工驗(yàn)收、資料存檔材料中，工程影像資料是非常重要的一項(xiàng)。由于影像資料的可讀性極好，不需要專(zhuān)業(yè)技能的積累，就可清晰的了解整個(gè)工程項(xiàng)目的進(jìn)展歷程，在向上級(jí)部門(mén)匯報(bào)、竣工驗(yàn)收以及向使用單位交接能很好地體現(xiàn)出公司具備的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

2.無(wú)人機(jī)土地整治測(cè)量精度實(shí)驗(yàn)

為充分利用無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的項(xiàng)目?jī)?yōu)勢(shì)，為驗(yàn)證其精度，以某區(qū)域土地整理規(guī)劃為例，采用大疆精靈4Pro無(wú)人機(jī)進(jìn)行航測(cè)工作，航測(cè)實(shí)驗(yàn)實(shí)施流程如圖1所示。

2.1實(shí)驗(yàn)規(guī)劃

根據(jù)實(shí)驗(yàn)區(qū)域地形情況分析，地勢(shì)為北高南低，東高西低，最大高差不超過(guò)30m。根據(jù)航高計(jì)算公式

（1）

式中，H-相對(duì)航高，m;f-鏡頭焦距，mm;a-像元大小，μm;GSD-地面分辨率，cm。

為盡可能提高測(cè)量精度，以最低點(diǎn)起飛，按照地面分辨率為2cm進(jìn)行航線(xiàn)規(guī)劃，設(shè)定航向重疊度為80%，旁向重疊度為70%，經(jīng)計(jì)算起飛點(diǎn)相對(duì)航高為73m，同理，計(jì)算山頂點(diǎn)（區(qū)域最高點(diǎn)）飛行參數(shù)，可見(jiàn)數(shù)據(jù)滿(mǎn)足規(guī)范規(guī)定，航測(cè)具體參數(shù)如表1所示。

按照計(jì)算參數(shù)進(jìn)行航線(xiàn)規(guī)劃，并現(xiàn)場(chǎng)布置像控點(diǎn)及檢驗(yàn)點(diǎn)，像控點(diǎn)大致均勻布設(shè)于區(qū)域四周及中心，檢核點(diǎn)基本以方格網(wǎng)形式布設(shè)，為充分檢核精度，檢核點(diǎn)位較多，因此點(diǎn)位布設(shè)工作量較大，點(diǎn)位布設(shè)如圖2所示。

2.2航飛及實(shí)地測(cè)點(diǎn)

利用深圳大疆公司研發(fā)的DJI GS Pro航飛軟件控制無(wú)人機(jī)，使其根據(jù)設(shè)置航線(xiàn)自主飛行。由于本次采集點(diǎn)位較多，所以采用后采法采集像控點(diǎn)及檢查點(diǎn)，利用高精度GNSS-RTK多次采集取均值，并且測(cè)量過(guò)程中，應(yīng)采用三角支撐桿固定，使其氣泡居中，確保點(diǎn)位數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2.3內(nèi)業(yè)處理

本次采用Pix4D軟件進(jìn)行內(nèi)業(yè)處理工作。首先，新建工程，將像片加載至軟件中，設(shè)置影像屬性;其次，快速檢查處理，檢查像片重疊度及相機(jī)參數(shù)等情況;再次，加入像控點(diǎn)，并在圖像上進(jìn)行刺點(diǎn)工作，一般每點(diǎn)刺3～8張圖像，并設(shè)置輸出坐標(biāo)系;最后，設(shè)置本地處理參數(shù)，之后就按照初步處理、空三加密以及數(shù)字表面模型和正射影像圖 全自動(dòng)處理。質(zhì)量分析報(bào)告中，像控點(diǎn)中誤差僅為5mm，可見(jiàn)數(shù)據(jù)處理過(guò)程滿(mǎn)足要求。

2.4成果分析

根據(jù)數(shù)據(jù)處理成果，將檢核點(diǎn)坐標(biāo)實(shí)地測(cè)量值和軟件量測(cè)值進(jìn)行分析，計(jì)算誤差如表2所示。

由于點(diǎn)位過(guò)多，為更加清晰的展示點(diǎn)位誤差的分布的離散情況，如圖3所示。

通過(guò)比較實(shí)地測(cè)量值和軟件上的量測(cè)值獲得平面和高程方向的真誤差，計(jì)算出三維模型三個(gè)方向的中誤差及平面中誤差，計(jì)算公式為

（2）

式中，m_i為中誤差，[Δ_iΔ_i]= Δ₁²+Δ₂²+……+Δ_n²，Δ_i為提取值與觀測(cè)值之差，n為檢查點(diǎn)個(gè)數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，x方向中誤差為3.2cm，y方向中誤差為4.3cm，h方向中誤差為6.8cm，即檢查點(diǎn)平面中誤差5.3cm，高程中誤差為6.8cm?？梢?jiàn)，除去少量幾個(gè)錯(cuò)誤的離散點(diǎn)需要進(jìn)一步分析外，點(diǎn)位精度符合1：500地形圖測(cè)量精度要求。

3.結(jié)論

通過(guò)利用無(wú)人機(jī)開(kāi)展區(qū)域土地整治航測(cè)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了其測(cè)量精度的可靠性，在土地整治項(xiàng)目中，可以利用其優(yōu)勢(shì)，快速高效率的獲取4D成果以及影像視頻資料，為后續(xù)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、管理提供基礎(chǔ)資料和過(guò)程數(shù)據(jù)。在航測(cè)成果中，能夠直觀地展示原始地物地貌，在項(xiàng)目實(shí)施上，能有效反映現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)成果齊全，展示性極好，能夠反映企業(yè)自身的技術(shù)實(shí)力，為項(xiàng)目匯報(bào)、成果展示提供一個(gè)很好的技術(shù)支撐，因此有很廣泛的技術(shù)應(yīng)用前景和市場(chǎng)推廣價(jià)值。但是，無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)受天氣影響較大，且在地面植被覆蓋較密時(shí)無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量植被下地面情況，因此，在實(shí)際應(yīng)用中還可以結(jié)合機(jī)載激光雷達(dá)等技術(shù)，進(jìn)一步的探索研究。

參考文獻(xiàn)

[1]安天杭.云南打造小流域坡耕地水土流失綜合治理“昌寧經(jīng)驗(yàn)”[J].中國(guó)水利，2018（24）：220-223.

[2]董學(xué)海.三維激光掃描技術(shù)在土石方計(jì)算中的應(yīng)用研究[D].西安理工大學(xué)，2017.

[3]張寧，楊潤(rùn)書(shū)，甘淑.無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)針對(duì)山區(qū)高速公路帶狀測(cè)區(qū)的應(yīng)用研究[J].公路，2018，63（07）：245-249.

[4]張穎. 論我國(guó)商業(yè)遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)的歸屬[D].華中科技大學(xué)，2018.

[5]厲芳婷，閔天，堯志青.無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)對(duì)影像空三精度的影響[J].測(cè)繪通報(bào)，2017（S1）：75-78.

[6]滿(mǎn)亞洲，朱蘭艷，呂文雅.低空無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)在高原復(fù)雜地形量測(cè)中的應(yīng)用[J].激光雜志，2019，40（08）：22-25.