基于CORS系統(tǒng)與無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的大比例尺測(cè)圖

林選妙

摘 要：文章以廈門(mén)市鼓浪嶼為例，在對(duì)其人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、地名數(shù)據(jù)庫(kù)等資料分析的基礎(chǔ)上，介紹了利用無(wú)人機(jī)系統(tǒng)和FJCORS系統(tǒng)進(jìn)行航拍、控點(diǎn)測(cè)量及影像精度評(píng)定，解譯制作建筑分布圖，將數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建，制作地籍?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)的技術(shù)方法與工作流程。研究表明，無(wú)人機(jī)大比例測(cè)圖的精度高，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，操作方便快捷，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)測(cè)圖方法，可為工程項(xiàng)目和測(cè)圖提供可靠參考。

關(guān)鍵詞：CORS系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)RTK；無(wú)人機(jī)；遙感；大比例尺測(cè)圖

中圖分類(lèi)號(hào)：TP75 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）29-0158-04

Abstract： Taking Gulangyu in Xiamen as an example， based on the analysis of its demographic data and toponymic database， this paper introduces the aerial photography， control point measurement and image accuracy evaluation using UAV system and FJCORS system. The technical method and work flow of building layout map interpretation， 3D reconstruction of data and cadastral database production. The research shows that the large scale mapping of UAV has the advantages of high precision， strong maneuverability， convenient and quick operation， which is obviously superior to the traditional mapping method， and can provide reliable reference for engineering projects and mapping.

Keywords： CORS system； network RTK； UAV； remote sensing； large scale mapping

引言

無(wú)人機(jī)技術(shù)經(jīng)過(guò)幾十年的快速發(fā)展，從技術(shù)角度看已經(jīng)相對(duì)成熟。近年來(lái)民用無(wú)人機(jī)產(chǎn)品在全球個(gè)人消費(fèi)市場(chǎng)的銷(xiāo)售規(guī)模出現(xiàn)幾何式的發(fā)展[1]。無(wú)人機(jī)在各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用快速發(fā)展起來(lái)，未來(lái)將廣泛的被應(yīng)用起來(lái)。在測(cè)繪中，無(wú)人機(jī)的出現(xiàn)改變了傳統(tǒng)測(cè)繪的費(fèi)時(shí)耗力，在突發(fā)災(zāi)害應(yīng)急測(cè)繪[2]，國(guó)土地質(zhì)資源監(jiān)測(cè)，資源調(diào)查[3]，快遞物流[4]等方面得到廣泛應(yīng)用。

與傳統(tǒng)測(cè)繪相比較，無(wú)人機(jī)測(cè)圖具有大尺度性、宏觀性、處理速度快、快捷方便等優(yōu)勢(shì)。可極大地節(jié)省人力物力，使常規(guī)地形測(cè)量能夠高效，快速地實(shí)現(xiàn)。雖然目前國(guó)內(nèi)無(wú)人機(jī)測(cè)圖技術(shù)并沒(méi)有形成一套完善的標(biāo)準(zhǔn)與制度，但已經(jīng)比較成熟了。如江西省煤田地質(zhì)局2015年eBee無(wú)人機(jī)農(nóng)村土地經(jīng)營(yíng)權(quán)確權(quán)中的應(yīng)用[5]、武漢市城區(qū)1：500、1：2000大比例尺航測(cè)數(shù)字化測(cè)圖[6]，中山市航空攝影1：2000地形圖[7]。因此，文章以廈門(mén)鼓浪嶼為例，闡述無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在大比例尺測(cè)圖中的應(yīng)用，探討其應(yīng)用的可行性，對(duì)相關(guān)高精度測(cè)圖數(shù)據(jù)獲取具有重要參考意義。

1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集

（1）人口數(shù)據(jù)。《廈門(mén)市人口增長(zhǎng)及分布與土地功能之間關(guān)系研究》（2012年）報(bào)告顯示，截止2012鼓浪嶼內(nèi)厝社區(qū)含戶籍與非戶籍總?cè)丝诠?849人，龍頭社區(qū)總?cè)丝诠?105人。并利用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)繪制鼓浪嶼社區(qū)分界線，得到鼓浪嶼社區(qū)人口與面積統(tǒng)計(jì)圖。

（2）建設(shè)用地?cái)?shù)據(jù)。本次采用鼓浪嶼2014年全國(guó)第二次土地調(diào)查數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)計(jì)好的建設(shè)用地分類(lèi)，如表1所示。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得出：鼓浪嶼城市用地和沿海灘涂地面積最大，都占總面積的29%，其次為港口碼頭用地，占18%，有林地占到9%，裸地與沙地面積最小占到總面積的4%，其中裸地主要為巖石地表。

2 基于FJCORS的像控點(diǎn)測(cè)量及影像精度評(píng)定

2.1 基于CORS系統(tǒng)的像控點(diǎn)測(cè)量

2.1.1 CORS及FJCORS概況

CORS系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)，其簡(jiǎn)要原理為在一定范圍內(nèi)建立若干連續(xù)運(yùn)行永久性基準(zhǔn)站。CORS系統(tǒng)的構(gòu)成由參考站子系統(tǒng)、控制中心子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)、用戶應(yīng)用子系統(tǒng)等四部分組成[8]。

2009年5月，國(guó)務(wù)院原則通過(guò)了《關(guān)于支持福建省加快建設(shè)海峽西岸經(jīng)濟(jì)區(qū)的若干意見(jiàn)》[8]，海峽西岸經(jīng)濟(jì)區(qū)東臨臺(tái)灣，北接長(zhǎng)江三角洲，南承珠江三角洲，在全國(guó)經(jīng)濟(jì)布局中位置至關(guān)重要，福建省作為經(jīng)濟(jì)區(qū)的主體，面臨著重大的發(fā)展機(jī)遇，F(xiàn)JCORS系統(tǒng)的建成給城市的發(fā)展帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。為加快海西經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)提供強(qiáng)有力的支柱。

2.1.2 像控點(diǎn)測(cè)量

基于無(wú)人機(jī)航拍的影像數(shù)據(jù)沒(méi)有相對(duì)坐標(biāo)，直接應(yīng)用毫無(wú)意義，所以必須進(jìn)行像控點(diǎn)的測(cè)量與校正，才能得到具有相對(duì)坐標(biāo)的影像，像控點(diǎn)測(cè)量的傳統(tǒng)方式為導(dǎo)線測(cè)量方式，若測(cè)區(qū)面積廣，則工作量大，工作條件艱苦，而且效率低，作業(yè)周期長(zhǎng)。FJCORS系統(tǒng)的建成為像控點(diǎn)測(cè)量帶來(lái)極大的方便，省CORS卡涵蓋范圍為整個(gè)福建省區(qū)域，只需一名測(cè)量人員，一臺(tái)RTK流動(dòng)站就可完成廣大測(cè)區(qū)內(nèi)整個(gè)像控點(diǎn)測(cè)量任務(wù)，極大地方便了測(cè)量數(shù)據(jù)的采集。

RTK測(cè)量技術(shù)具有以下主要特點(diǎn)，測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)度高、作業(yè)速度快、實(shí)時(shí)測(cè)定測(cè)站坐標(biāo)、生產(chǎn)組織靈活、資料整理便捷、內(nèi)業(yè)計(jì)算工作量小，外業(yè)儀器攜帶方便，只需一臺(tái)RTK流動(dòng)站即可。其主要作業(yè)流程為：將流動(dòng)站連入CORS網(wǎng)絡(luò)，找當(dāng)?shù)氐目刂泣c(diǎn)進(jìn)行檢驗(yàn)，如精度達(dá)到要求及固定解，即可進(jìn)行測(cè)量。

2.2 影像精度評(píng)定

2.2.1 RTK技術(shù)要求

RTK設(shè)備在作業(yè)時(shí)，應(yīng)避免雨水淋濕、暴曬。在工作期間，測(cè)量人員應(yīng)間隔一段時(shí)間檢查參考站工作狀態(tài)，及時(shí)處理不正常情況。在RTK測(cè)量時(shí)，固定解要求如表2所示。

2.2.2 基于徠卡GS15的像控點(diǎn)測(cè)量

本次通過(guò)徠卡GS15接入FJ CORS系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)地測(cè)量。像控點(diǎn)應(yīng)選在影像中易于辨別尋找對(duì)應(yīng)點(diǎn)位的地方，一般選在路口等顯著地標(biāo)位置。在像控點(diǎn)測(cè)量的同時(shí)將像控點(diǎn)測(cè)量位置進(jìn)行拍照取景，照片要根據(jù)像控點(diǎn)點(diǎn)號(hào)一一對(duì)應(yīng)，便于內(nèi)業(yè)影像校正時(shí)辨認(rèn)尋找像控點(diǎn)。實(shí)地測(cè)量像控點(diǎn)后，通過(guò)對(duì)照影像找到所測(cè)量點(diǎn)位，在像控點(diǎn)中選擇十組均勻分布在測(cè)區(qū)四周邊界的點(diǎn)，將影像上像控點(diǎn)點(diǎn)位的坐標(biāo)導(dǎo)出，利用點(diǎn)位中誤差公式計(jì)算出點(diǎn)位中誤差。點(diǎn)位中誤差公式如下：

m=±（1）

利用以上公式求得點(diǎn)位中誤差為29.09，單位為cm，符合精度要求。

3 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成和數(shù)據(jù)采集

3.1 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)與遙感技術(shù)的結(jié)合即為無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)（UAV-Unmanned Aerial Vehicle Remote Sensing technology）。低空無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的結(jié)構(gòu)可以分為飛行器系統(tǒng)、飛行控制器系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)和信息獲取系統(tǒng)等。本次測(cè)圖使用eBee固定翼小型迷你無(wú)人機(jī)，它是由瑞士最新研發(fā)生產(chǎn)的全自動(dòng)型智能測(cè)繪級(jí)無(wú)人機(jī)，主要構(gòu)成部分有泡沫塑料機(jī)身、高清晰度相機(jī)、尾部螺旋槳、便攜式運(yùn)輸箱等硬件以及飛行控制軟件eMotion 2和后處理軟件postflight 3D Terra等。

3.2 野外數(shù)據(jù)采集

（1）野外數(shù)據(jù)獲取流程

無(wú)人機(jī)航拍攝影數(shù)據(jù)獲取的主要流程包括任務(wù)及需求分析、收集整理資料、起飛場(chǎng)地選擇、飛行方案設(shè)計(jì)、起飛前和著落后飛行設(shè)備系統(tǒng)檢查、飛行質(zhì)量和數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查、飛行資料整理等步驟，其中飛行方案設(shè)計(jì)應(yīng)包括航行方式、云臺(tái)攝影角度、無(wú)人機(jī)最佳航攝路線的設(shè)計(jì)。

（2）航行及像控點(diǎn)選擇注意事項(xiàng)

在利用eBee無(wú)人機(jī)進(jìn)行測(cè)圖前，需挑選合理的天氣，要求天氣晴朗且能見(jiàn)度高；在測(cè)圖時(shí)，需控制好飛行姿態(tài)，確保平臺(tái)穩(wěn)定，以獲取高精度影像。此外，像控點(diǎn)的選取可以用石灰或者油漆在測(cè)區(qū)空曠顯要的位置噴涂像控點(diǎn)，形狀為十字絲狀，然后用RTK精準(zhǔn)測(cè)得十字絲中心點(diǎn)坐標(biāo)；或者在拍攝所得的影像中選擇突出顯要的像控點(diǎn)，然后在實(shí)地用RTK測(cè)量。本次測(cè)圖選擇第二種方式，在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)均勻選擇四角設(shè)四個(gè)像控點(diǎn)。

3.3 測(cè)圖數(shù)據(jù)后處理

運(yùn)用postflight 3D Terra將前期野外采集的測(cè)圖數(shù)據(jù)，包括航拍影像數(shù)據(jù)及控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，對(duì)航拍影像進(jìn)行影像校正，得到廈門(mén)市鼓浪嶼校正后的航拍影像圖，其分辨率為0.08m。在無(wú)人機(jī)航攝影像中，房屋輪廓清晰完整，地物可視化明顯，房屋建筑等無(wú)明顯扭曲變形。相反，在衛(wèi)星影像中，房屋輪廓界限模糊，難以辨認(rèn)，地物不明顯，且都有不同程度的扭曲變形。因此，兩者相較，無(wú)人機(jī)航攝影像可用度明顯高于衛(wèi)星遙感影像。

4 大比例尺建筑分布圖制作與分析

4.1 建筑要素解譯

基于像控點(diǎn)校正后的無(wú)人機(jī)航攝影像，精度高，地面分辨率為0.08m，可清晰的分辨地面上64cm2的像素點(diǎn)，能精準(zhǔn)解譯包括地面臺(tái)階、房屋建筑、路面邊界、地物分類(lèi)界等要素。在無(wú)人機(jī)航攝影像上進(jìn)行測(cè)區(qū)內(nèi)房屋建筑物的矢量化，勾繪建筑、房屋邊界，將建筑物構(gòu)面，構(gòu)面過(guò)程中，面與面之間不能重疊，相交。內(nèi)業(yè)處理是整個(gè)工程流程中最為重要的部分，決定著實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的精準(zhǔn)度。用ArcGIS對(duì)遙感影像進(jìn)行目視解譯，解譯方法參考第一次全國(guó)地理國(guó)情普查準(zhǔn)則，不區(qū)分測(cè)區(qū)內(nèi)高低層房屋，對(duì)影像上明顯高層采用先摳圖，在拖移到房屋地基的方式，避免了高層累計(jì)的誤差，經(jīng)驗(yàn)證明解譯圖斑與實(shí)地測(cè)量套合，符合精度要求。利用ArcGIS軟件對(duì)處理好的影像進(jìn)行矢量化，通過(guò)新建數(shù)據(jù)庫(kù)，新建要素集，設(shè)置坐標(biāo)系，添加面要素等過(guò)程，最后完成整個(gè)鼓浪嶼房屋建筑的解譯，如圖1所示。

4.2 建筑分布制圖制作

基于鼓浪嶼遙感影像解譯成果，新建線要素，勾繪鼓浪嶼社區(qū)分界線，新建點(diǎn)要素，繪制社區(qū)名稱(chēng)，并為各要素添加字段及屬性，設(shè)置標(biāo)注要素的大小，顏色字體符號(hào)等屬性，添加地圖要素，最后得到鼓浪嶼建筑分布圖，如圖1所示。

4.3 三維建模

基于無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)獲取的高分辨率航攝影像，不僅可應(yīng)用于大比例尺測(cè)圖以及數(shù)據(jù)分析，還可應(yīng)用于各種場(chǎng)景的三維建模。通過(guò)無(wú)人機(jī)航攝影像以及smart 3D capture軟件，運(yùn)用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，可通過(guò)航攝影像生成精細(xì)可量測(cè)的三維模型。

4.3.1 基于無(wú)人機(jī)高清影像的三維建模

在無(wú)人機(jī)航攝影像和smart 3D capture軟件的支持下，選擇測(cè)區(qū)房屋建筑進(jìn)行三維建模。通過(guò)新建工程，導(dǎo)入影像數(shù)據(jù)，輸入相片相機(jī)傳感器信息，提交空三任務(wù)進(jìn)行重建三維操作，輸出三維模型，最后生成三維模型圖，如圖2所示。

4.3.2 添加建筑物屬性

根據(jù)Smart 3D capture得到的三維模型獲取實(shí)體建筑的詳細(xì)屬性數(shù)據(jù)，在Smart 3D view窗口中打開(kāi)三維模型數(shù)據(jù)，量測(cè)建筑高度、面積等數(shù)據(jù)。基于三維模型量測(cè)的數(shù)據(jù)，在鼓浪嶼矢量化建筑面中添加三維模型的建筑屬性，樓層高度以及樓層層數(shù)，如圖2所示。

4.4 統(tǒng)計(jì)專(zhuān)題圖分析

基于鼓浪嶼建筑分布圖，與《廈門(mén)市人口增長(zhǎng)及分布與土地功能之間關(guān)系研究》數(shù)據(jù)，利用ArcGIS軟件對(duì)鼓浪嶼建筑用地與人口關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，鼓浪嶼上的內(nèi)厝社區(qū)住房面積為172370.72m2，人均住房面積為18.93

1m2/人，龍頭社區(qū)住房面積為170506.25m2，人均住房面積為21.723m2/人。查閱資料得知廈門(mén)市人均住房面積為26.84m2/人，對(duì)比鼓浪嶼人均住房面積數(shù)據(jù)，鼓浪嶼人均住房面積更小。鼓浪嶼作為國(guó)家級(jí)景區(qū)，每天接待游客眾多，2013年鼓浪嶼開(kāi)始每天最多3萬(wàn)人次的游客限制，由于游客眾多導(dǎo)致鼓浪嶼住房緊張，大多數(shù)民房改造為家庭旅館進(jìn)行營(yíng)利，價(jià)格不合理、宰客等現(xiàn)象成為景區(qū)管理人員迫切解決的問(wèn)題。

4.5 地籍?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與基礎(chǔ)建設(shè)，城市和農(nóng)村土地屬性正在發(fā)生劇烈的變化，在此基礎(chǔ)上農(nóng)村土地確權(quán)與宅基地確權(quán)顯得尤為重要，基于鼓浪嶼建筑物矢量化圖層，可通過(guò)矢量圖層導(dǎo)出至CAD、添加注記、設(shè)置宗地基本屬性、繪制權(quán)屬線、修改宗地屬性、修改界址線屬性、繪制宗地圖、生成界址點(diǎn)坐標(biāo)、生成界址點(diǎn)成果表、輸出調(diào)查表等一系列步驟進(jìn)行鼓浪嶼房地產(chǎn)地籍?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)eBee無(wú)人機(jī)和福建CORS系統(tǒng)完成了鼓浪嶼大比例尺測(cè)圖，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法可行且實(shí)用，為鼓浪嶼的島嶼規(guī)劃與數(shù)字島嶼建設(shè)提供了數(shù)據(jù)分析，并得出以下結(jié)論：

（1）論證了低空無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的可行性，為廈門(mén)市鼓浪嶼航攝影像測(cè)圖的數(shù)據(jù)采集提供堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)。

（2）基于福建CORS系統(tǒng)與徠卡CS15RTK進(jìn)行像控點(diǎn)測(cè)量，對(duì)無(wú)人機(jī)航攝影像進(jìn)行像控點(diǎn)校正，中誤差解算，評(píng)定影像精度，證明了中誤差精度完全符合測(cè)量要求。

（3）依據(jù)成果數(shù)據(jù)對(duì)鼓浪嶼人口、建筑面積、人均住房面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析表明，運(yùn)用CASS7.0軟件，基于鼓浪嶼矢量化數(shù)據(jù)進(jìn)行地籍?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建，繪制鼓浪嶼房地產(chǎn)宗地圖，可將無(wú)人機(jī)大比例尺測(cè)圖技術(shù)應(yīng)用到實(shí)踐當(dāng)中。

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