無人機低空遙感系統在土地復墾中的應用

吳正鵬,王琳,奚歌

(1.天津市測繪院,天津 300381； 2.國家海洋信息中心,天津 300171)

無人機低空遙感系統在土地復墾中的應用

吳正鵬1?,王琳1,奚歌2

(1.天津市測繪院,天津 300381； 2.國家海洋信息中心,天津 300171)

簡單介紹無人機低空遙感系統組成、特點及數據處理流程；以天津市示范小城鎮建設項目為背景，依據土地復墾工作要求，建議使用無人機低空遙感系統獲取遙感影像資料；結合津南區葛沽鎮示范小城鎮建設土地復墾項目詳細論述其具體應用；針對土地資源開發、利用、保護現狀對其應用前景進行展望。

無人機；低空遙感；土地復墾；空中三角測量；DEM；DOM

1 引 言

1988年國務院頒布的《土地復墾規定》將土地復墾定義為“對在生產建設中因挖損、塌陷、壓占等造成破壞的土地,采取整治措施,使其恢復到可供利用狀態的活動”。其廣義定義是指對被破壞或退化土地的再生利用及其生態系統恢復的綜合性技術過程；狹義定義是專指對工礦業用地的再生利用和生態系統的恢復。

為改善農民生產、生活環境,促進城鄉統籌發展,天津市啟動了以宅基地換房建設示范小城鎮工作,并出臺了相應管理辦法。示范小城鎮建設旨在依據土地利用總體規劃,將擬復墾為耕地的農村建設用地地塊(包括宅基地)和用于小城鎮建設的地塊共同組成建新拆舊項目區,通過建新拆舊和土地復墾,最終實現項目區內建設用地的總量不增加,耕地面積不減少、質量不降低,用地布局更加合理的目標。管理辦法要求復墾土地檢查驗收時,區縣應提供項目區實施前后1∶10 000或更大比例尺的土地利用現狀圖和遙感影像資料。

2 無人機低空遙感系統組成、特點及數據處理流程

2.1 無人機低空遙感系統組成

無人機低空遙感系統以無人機為飛行平臺,搭載高檔民用相機,基于地面控制系統實施航跡規劃、監控,借助飛行控制系統實現高分辨率遙感影像的自動拍攝,從而快速獲取目標區域基礎地理信息數據；是具備高智能化、高集約度,穩定可靠,低空作業能力優勢突出的航空攝影測量系統[1]。與常規航空攝影測量系統類似,其組成部分主要包括:飛行平臺、遙感傳感器、飛行控制、地面控制及遙感數據處理軟件系統。

2.2 無人機低空遙感系統特點

與衛星遙感、載人航空遙感平臺相比,無人機低空遙感平臺具有以下幾個獨特的優勢:①平臺構建容易、維護成本極低；②受天氣的影響較小,作業方式機動靈活；③飛行高度低,能夠獲得大比例尺高精度影像,在局部信息獲取方面有巨大優勢；④不受重訪周期限制,可在云下飛行,能有效避免云的影響,獲取高時間分辨率影像；⑤能夠獲取高重疊度的影像,增強了后續處理的可靠性；⑥受空域限制較小[2]。此外,無人機遙感平臺還具有便于攜帶,轉移方便等優點。

2.3 無人機低空遙感系統數據處理流程

與傳統航空攝影數據相比,無人機低空遙感數據具有以下幾個特點:①由于采用了非量測數碼相機,鏡頭畸變較傳統航攝儀大；②低空寬視角,因視點變化的原因,影像四周地物幾何變形大,特征匹配難度大,有效匹配率低；③低空、窄像幅且高重疊度,影像數據量大；[2]④無人機遙感平臺穩定向較差,雖采取了積極防范措施,仍避免不了受高空風力影響出現的大傾角、大旋偏角及由航跡偏離引起的航向重疊度、旁向重疊度不規則問題。因此,無人機低空遙感影像數據處理手段較傳統航片在某些環節上算法有其特殊之處；總體來說,其數據處理流程與傳統航空攝影測量基本一致,具體流程如圖1所示:

圖1 無人機低空遙感數據處理流程

3 土地復墾應用案例

3.1 飛行情況簡介

2011年9月下旬,采用天津市測繪院CK-GY04型無人機機載雙相機低空遙感系統對天津市津南區葛沽鎮示范小城鎮建設項目區內土地復墾區域實施航空攝影,獲取了約4.0 km2的影像數據。航攝當天,當地風力4級左右,航高400 m,影像地面分辨率0.1 m,航片的航向重疊度70%、旁向重疊度40%；通過檢查雙相拼接影像(如圖2所示),認為該系統所拍攝的影像在像片重疊、傾斜角、旋偏角及航線彎曲度、航高保持等方面均能滿足內業數據處理要求。

圖2 雙像拼接示意圖

3.2 無人機低空遙感數據處理

由于無人機低空遙感系統獲取的影像數據存在像幅小、畸變大、數量多、基線短、重疊度不規則且傾角、旋偏角過大等問題,該項目采用中國測繪科學研究院研發的高分辨率遙感影像數據一體化測圖系統Pixel Grid(該系統支持非量測相機的畸變差校正,能針對無人機影像重疊度不規范、像幅較小、相片數量多、傾角過大且傾斜方向沒有規律,攝區地形起伏大、高程變化顯著等特點快速拼接生成大范圍遙感影像圖,高效完成基于無人機遙感影像的測量和觀測任務[3])、ERDAS及Photoshop等軟件進行后期遙感數據處理。其中:

區域網空中三角測量像控點布設方案采用周邊布點法；平差所需像控點及檢查點的平面與高程均采用網絡RTK測量方法,直接測量像控點WGS84坐標并依據要求將WGS84大地坐標換算至天津90地方坐標系。具體參考如下要求:①衛星高度角:≥15°；②有效觀測衛星數:≥5；③數據采樣時間:3 min；④點位幾何圖形強度(PDOP值)≤6。

空中三角測量是無人機低空遙感影像數據處理的關鍵,也是整個處理流程中的難點問題,對最終產品的精度有直接影響。采用Pixel Grid系統的無人機影像快速處理模塊作業,相對定向和模型連接完成后,針對由航飛不穩造成模型連接不可靠的區域,定義航帶初始偏移量時適當增加偏移點個數,以提高模型間轉點的成功率和精度；對于部分自動連接失敗的模型,通過人工干預增強連接強度。

DEM數據生產,采用Pixel Grid系統基于多基線/多重匹配特征的高精度DSM匹配算法[4],自動提取整個測區的高密度DSM數據；利用坡度法對建筑區和樹林進行濾波[4],生成高密度高精度DEM,對于誤匹配區域通過觀測立體像對進行編輯、修復。

DOM制作方面,正射糾正采用Pixel Grid軟件完成；影像鑲嵌及分幅裁剪則采用ERDAS一次性完成,能避免大量圖幅接邊工作；色調調整分兩步進行,首先使用專業勻光、調色軟件對原始影像進行勻光處理,消除“燒餅”效應等問題并依據“標準片”分航線將測區內的影像色調統一處理使之接近標準色調,最后使用Photoshop調整整體色調,從而保證最終成果顏色整體一致性。

3.3 土地復墾情況對比分析

鑒于示范小城鎮建設項目土地復墾面積小、作業區分散且對遙感影像數據現勢性、地面分辨率要求較高的特點,常規航空攝影與衛星遙感手段由于其數據采集周期長、數據起拍價格高等原因無法滿足該類項目需求。因此,采用無人機低空遙感系統獲取遙感影像資料,從而掌握復墾區域土地利用現狀是保障項目順利實施的最佳方案。

為方便核查土地復墾前后土地利用狀況,通過綜合對比分析天津市津南區葛沽鎮辛莊子村不同地面分辨率、多源、多時相存檔遙感影像數據,確定將能全面反映土地復墾前辛莊子村土地利用狀況且地面分辨率較高的2010年10月遙感影像數據(如圖3所示)作為對比核查的基礎數據。

圖3 津南區葛沽鎮辛莊子村土地復墾對比圖

經對比分析辛莊子村2010年10月和2012年9月兩期遙感影像數據,有如下結論:土地復墾前該村用地性質為村莊建設用地(主要包括居住用地和工業用地),土地復墾后用地性質轉變為耕地；截止2012年9月土地復墾工作基本完成,復墾總面積約521 500 m2；土地復墾后生態系統恢復狀況有待進一步監測。

4 結 語

我國正處于工業化快速發展階段,大規模的生產建設活動挖廢、塌陷、壓占了大量土地資源,使原本就十分緊張的耕地保護形勢更為嚴峻。因此,為貫徹“十分珍惜和合理利用每寸土地,切實保護耕地”的基本國策,實現社會可持續發展、土地資源可持續利用,加快建設資源節約型社會,土地復墾作為切實有效的耕地保護措施已越來越得到政府和社會的認可與重視[5]。以無人機低空遙感、常規航空攝影及衛星遙感為代表的對地觀測技術與基礎地理信息系統相結合的技術體系是進行土地資源監管的最高效手段,可以快速、有效地對土地資源開發、利用、復墾情況進行及時、準確地動態監測,具有宏觀、快速、準確、直觀等特點。同時,運用定量檢測和定性分析相結合的手段,可以增強土地資源開發利用監測的科學性和精確性,從而為土地資源的科學管理和合理開發提供依據。

[1] 王峰，吳云東.無人機遙感平臺技術研究與應用[J].遙感信息，2010(2)：114～118.

[2] 吳正鵬.無人機載雙相機低空遙感系統應用初探[J].城市勘測，2011(1)：76～80.

[3] 谷國濤，吳良才.無人機遙感技術數據特點及其應用[J].科技致富向導，2011(35)：57～58.

[4] 周曉敏，趙力彬，張新利.低空無人機影像處理技術及方法探討[J].測繪與空間地理信息，2012，35(2)：182～184.

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

Application of UAV Low-altitude Remote Sensing System in Land Reclamation

Wu Zhengpeng1,Wang Lin1,Xi Ge2
(1.Tianjin Institute of Surveying and Mapping,Tianjin 300381,China；2.National Marine Data Information＆Service,Tianjin 300171,China)

The composition,features and data processing of UAV low-altitude remote sensing system was introduced in brief.On the background of small town construction demonstrative project in Tianjin,UAV low-altitude remote sensing system was recommended while obtain remote sensing image information in order to meet the land reclamation requirements.The specific application was expounded in detail combine with land reclamation for the small town construction demonstrative project in Jinnan District Gegu Town.Prospect its application against the present situation of land resource exploitation,utilization and protection.

UAV；low-altitude remote sensing；land reclamation；aerotriangulation；DEM；DOM

1672-8262(2013)06-82-04

P237

B

2013—01—31

吳正鵬(1981—),男,注冊測繪師,高級工程師,主要從事攝影測量與遙感數據處理、應用研究工作。