低空航攝系統開展地理國情外業調查研究

王文龍，黃中和，喬 煒，單 靜，劉 濤

（1.武漢市測繪研究院，湖北 武漢430022）

低空航攝系統開展地理國情外業調查研究

王文龍1，黃中和1，喬 煒1，單 靜1，劉 濤1

（1.武漢市測繪研究院，湖北 武漢430022）

針對地理國情外業調查工作中現有方法存在一些不足，通過無人機低空航攝來提高外業調查的工作質量和效率，并利用無人機開展地理國情監測深化研究。

低空航攝；地表覆蓋分類；地理國情；解譯樣本采集；外業調查

當前，世界主要發達國家為了應對氣候變化、公共安全、糧食安全以及資源安全，都將地理國情監測作為國家可持續發展的重要舉措[1-6]。英國倫敦大學建立了全球干旱監測網，以空間分辨率100 km的數據發布全球旱情[1]；歐洲發布分辨率為300 m的全球土壤覆蓋圖[2]，圖中展示了22種不同的土地覆蓋類型；歐盟等組織擴大對糧食危機地區的地理監測，構建了一個以衛星數據和農業氣候模型為基礎的監測與預測系統[2]；歐盟的“全球環境與安全監測計劃”，主要目的是獲取影響地球和氣候變化的各類環境信息[3]；美國建立國家生態觀測網，開展全面、綜合的生態環境觀測，預測環境變化趨勢，保證美國的生物和生態安全[3]；美國地質調查局啟動了“地理分析和動態監測計劃”，主要研究土地覆蓋現狀與趨勢、氣候和生態系統變化[3]；日本地理信息局開展災害監測，尤其是在地殼形變方面做了大量工作[4]；日本牽頭開展亞太地區環境革新戰略項目環境綜合監測子項目[5]，旨在建立和發展一個綜合性的環境監測系統，對亞太地區的環境破壞、環境退化和生態脆弱區進行長期有效的監測。我國正處于全面建設小康社會的關鍵期，經濟發展與資源環境之間存在重重矛盾。為了摸清地理國情家底，準確把握國情國力，準確掌握、科學分析資源環境的承載能力和發展潛力，我國開展了第一次全國地理國情普查，建立地理國情監測本底數據庫[6]。

本次地理國情普查對象是我國陸地國土范圍內的地理國情要素和地表覆蓋分類的信息內容。如果內業資料不能全面、客觀反映各種地理國情要素和地表覆蓋分類的信息，地理國情外業調查就是保證地理國情普查數據質量的關鍵環節[7]。

1 地理國情外業調查問題分析

外業調查應嚴格遵循走到、看到、記到的原則，客觀真實地反映出可到達工作區域內各種地理國情要素和地表覆蓋分類的信息內容[8]。針對這一原則，本次地理國情外業調查實施方案如下：每個外業小組配備2名作業人員和1名司機，攜帶一幅外業調查區域的紙質底圖和一個具有導航、拍照、電子地圖功能的IPAD，駕車對行進線路兩側的要素、圖斑進行核對，并觀察沿途周邊的地表特征，遇需要重點關注或特殊的覆蓋類型、要素時，及時開展遙感影像解譯樣本數據采集工作。

按照實施方案，在調查實踐中存在以下問題：1） 車輛無法到達區域的圖斑，只能采用同類地物類比、地理相關分析及調查、詢問和參照相關資料等方法進行核查。2）車輛在行進過程中，隨車調查人員的視野范圍有限，且容易疏漏對一些地物的觀察。在整個調查過程中，調查人員工作強度較高，每行駛2～ km還需要甄選各類典型地物，多次下車拍攝解譯樣本。3）有些規劃的調查路線路面狹窄，路基松軟，路邊沒有安全護欄，車上普查人員有一定的人身安全風險。4）有些外業調查區域被鐵路、高等級公路、河流等地物分割，調查路線規劃時要設計額外繞行路線；在城市調查時，常常會遇到交通堵塞；在鄉鎮調查時，窄小的道路有時還被農用車輛或人工障礙物阻擋。這些情況都影響到外業調查效率。5）導航信號容易受到大面積水面、高密度高層建筑物、茂密的樹林等地物的干擾，造成調查路徑定位不準，為后續的調查成果內業整理造成諸多不便。6）調查底圖采用的是往年的航空或衛星影像，存在現勢性滯后、有些區域被云遮擋的問題。

2 高效地理國情外業調查

通過分析本次外業調查方案的幾個不足，提出用無人機航攝系統開展地理國情外業調查的新作業方案。無人機系統為云下作業，能夠獲取分辨率更高、質量更好、現勢性強的影像。有利于對地理環境的正確認知，提高對遙感影像的正確解譯能力，提高地表覆蓋分類和地理國情要素外業調查的效率。如果在測區內適量地布置了控制點，還能補測大面積新增或變化的圖斑和要素。

2.1 作業規劃

本次無人機外業調查選擇位于武漢市江夏區金口一個8 km×8 km的任務區域。該區域內道路密度低，一些調查區域可達性差；許多地面調查道路為機耕路和碎石路等低等級道路，影響地面調查通行速度；調查區域為丘陵地形，地面調查人員的可視范圍不大；調查區域被高速公路和鐵路割裂，地面調查必須增加許多迂回路線。

根據無人機續航時間、飛行速度、機載傳感器作業特性等參數，針對外業調查區域設計飛行軌跡以及航拍作業計劃。無人機作業區域和時間計劃報航空管理部門審批，獲得測區空管部門的批準后合法作業。

為了能夠獲得覆蓋64 km2區域，滿足地理國情普查外業調查需要的高分辨率影像，航拍參數設置如圖1所示。航攝相機選用了Nikon D800，主要參數設置如下：焦距35 mm、像元大小4．76 μm、航向重疊度80%、旁向重疊度60%、攝影基線長度78．6 m、航線間距235．5 m、巡航速度35 m/s、最小盤旋半徑216．5 m。

圖1 航拍參數設置

無人機完成64 km2目標測區的航攝任務耗時2．5 h，飛行了34條航線，共拍攝3 468張照片，如圖2所示。

2.2 地表覆蓋分類和地理國情要素調查

一組無人機影像通過快速糾正、鑲嵌等處理，能夠拼接出調查區域的高分辨率影像圖，如圖3所示。影像中的地物細節清晰，色彩基本平衡，層次分明。室內作業人員結合無人機高分辨率快拼影像圖，能夠快速分析出地表覆蓋類型和采集地理國情要素數據，如圖4所示。在日后的地理國情監測應用中還能夠發現變化區域，方便開展地理國情數據更新。

圖2 航線示意圖

圖3 無人機影像拼接結果（局部）

圖4 內業采集地理國情信息

2.3 解譯樣本數據采集

低空航拍能夠提供非常完美的采集遙感解譯樣本視角，尤其是對于房屋建筑區類等地面視角難以完整表達的樣本采集具有很大的優勢。低空視角拍攝的解譯樣本影像能夠完整反映出地類要素的特征。室內作業人員能夠非常直觀地在測區范圍內，為各個地物類別選擇主體明確清晰、分布均勻的解譯樣本。

圖5 房屋建筑區樣本

2.4 與傳統外業調查對比

常規地理國情外業調查，由于受到視野范圍的限制，調查人員只能隨車輛行駛調查沿線兩邊視野能及范圍內的地理情況。為了能夠盡可能地全面調查，需要車輛行駛軌跡密集分布于調查區域，作業人員在車輛行駛途中，還需要按照規定頻繁下車，選擇合適的拍攝角度采集解譯樣本。為了讓調查軌跡合理分布于測區，因為高速公路、鐵路或其他障礙物的阻擾，難免會有一些重復通過的路段。有些車輛無法通達、視野也不可及的區域，就屬于外業調查盲區。這些因素都會影響外業調查的效率和調查準確性。如圖6a所示，該圖實地面積為64 km2，圖上黃色軌跡、紅色軌跡，綠色軌跡、玫紅色軌跡分別為4個工作日外業調查行駛路徑。圖6b為圖6a上A區的放大，一條路有大量的重復軌跡，說明車輛反復經過了該路段。圖6c為圖6a上B區的放大，有大片區域沒有地面車輛調查軌跡覆蓋。以江夏區國情外業調查為例，當地的公路密度為1．66 km/km2，每個外業調查小組每日平均有效調查距離約為50 km，64 km2任務區域約需要2 d，而無人機調查僅僅需要2．5個h。

圖6

從上述分析來看，車輛調查法耗時多，且存在許多重復路徑，調查人員頻繁下車采集解譯樣本，還要通過一些影響行車速度的難走路段。在這些因素綜合影響下，傳統外業調查的效率比無人機調查效率低。另外，由于一些區域地面車輛無法通達，只能采用多分辨率、多時相遙感資料和有關專業資料，結合可到達區域采集的遙感解譯樣本和相應的調查成果，通過比對的方法進行外業調查。這樣處理沒有利用無人機獲取現勢性強、分辨率高的影像調查的質量高。車輛調查法外業時間更長，成本也比無人機調查高。

3 結 語

地理國情外業調查應嚴格遵循走到、看到、記到的原則，客觀真實地反映出可到達工作區域內各種地理國情要素和地表覆蓋分類的信息內容。利用無人機開展地理國情外業調查，避免自然和人為障礙，能夠高效、準確地完成任務，并且減少了外業調查人員的工作量，降低了外業調查人員的安全風險。無人機拍攝的影像地物分辨能力極強，且能夠獲得比地面拍攝更佳的解譯樣本。下一步還會利用無人機擴展新的應用，例如對于地理國情監測中發現的新增地物的快速補充測繪，或者高效生產外業調查區域的高分辨率、高品質正攝影像。

[1] 中國科學院資源環境科學與技術局．科學研究動態監測快報[EB/OL]． http://www．rcees．ac．cn,2013-03-29/2015-10-06

[2] 喬朝飛．國外地理國情監測概況與啟示[J]．測繪通報,2011(11):81-83

[3] Gmes． info[EB/OL]． http://www．gmes．info/,2011-04-06/2015-11-06

[4] GSI． Disaster Prevention Activities by GSI[EB/OL]． http://www．gsi．go．jp, 2011-04-06/2016-11-06

[5] 渡邊正孝,王勤學,林誠二,等． 亞太地區環境綜合監測的研究方法[J]．地理學報,2004,59(1):3-12

[6] 羅名海．武漢市地理國情普查的基本思路[J]．地理空間信息,2013,11(6):1-2

[7] GDPJ11-2013．地理國情普查外業調查技術規定[S]．

[8] 李博．地理國情普查外業調查技術要求[J]．測繪與空間地理信息,2014,37(6):188-189

P231.5

B

1672-4623（2017）10-0024-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.10.007

2015-10-14。

王文龍，博士，工程師，研究方向為計算機視覺、遙感數據處理。