航拍制作正射影像圖用于油田規劃用地實踐研究

董錦輝

大慶油田有限責任公司土地資源管理部

大慶油田是世界上為數不多的特大型砂巖油田之一,經過近60余年的開發建設,具有使用權的土地面積己經達到1 317.01 km2(相當于1.2個香港土地面積).大慶油田土地分布在黑龍江、吉林、遼寧等11個省(自治區、直轄市),土地總量占中國石油天然氣集團有限公司土地總量的1/3,在大慶市區土地面積為946.53 km2,為大慶市區國有土地的1/5.油田產能建設征用土地以平均6 km2/a的增量在持續增長,如此大規模的存量土地為大慶油田持續保持油氣當量4000X104t高產、穩產提供了強有力保障,但也給企業土地管理工作提出更高的要求.

航空攝影測量技術是指通過飛機上用的航空測量儀器對地貌、地形進行連拍,并且要在完成相關測量數據時,結合地面控制點的測量,其基本原理是投影過程中的幾何翻轉[1].大慶油田推進石油滾動開發,為國家貢獻能源,傳統的土地管理手段無法滿足土地信息及時更新的要求.將航空攝影測量技術應用于油田土地管理工作中,一方面可以彌補傳統調查手段的不足,另一方面為土地科學管理提供了新的途徑與技術支持.

1 項目概況

大慶油田土地來源復雜多樣,主要呈"耳"狀集中分布在大慶市讓胡路、薩爾圖、紅崗三個行政區,外圍主要為油田滾動開發逐年征用的土地,點多、線長、面廣,離散分布.2016年大慶油田土地資源管理部對大慶油田主產能區實施了土地航拍制作正攝影像圖項目,航攝范圍涵蓋采油一廠至采油八廠,按照成果精度劃分為2個項目區(圖1).項目區Ⅰ:成圖比例尺1∶500,主要為82萬畝、20萬畝主力油區用地,北起82萬畝界線北端,南至杏六路,設計面積800 km2;項目區Ⅱ:成圖比例尺1∶2 000,主要為外圍油田,范圍北起杏六路、南至庫里泡,包含采油五廠、采油七廠、采油八廠,面積約900 km2.

圖1 項目測區范圍Fig.1 Range of project surveying area

2 正攝影像圖的生產

數字正射影像圖(Digital Orthophoto Map)是利用數字高程模型對數字化的相片,經逐像元進行糾正,再進行影像鑲嵌,根據成圖要求圖幅范圍裁切生成的影像數據.影像地圖把遙感圖像和線劃地形圖兩者的優點綜合起來,既包含了遙感圖像豐富的內容信息,又保證了地形圖幾何精度[2].正攝影像圖生產流程如圖2所示.

2.1 航空數字攝影

航攝飛機選用運5型飛機,起降機場選在肇東機場;相機選用UCXp_WA型框幅式數碼航攝儀,UCXp_WA獲取影像幅面大、分辨率高、成像效果好;航攝季節選在春末夏初,油田產能區地勢平坦,高大建構筑物很少,不會出現過大的陰影,主要考慮植被色彩和呈現度.

項目區Ⅰ航攝比例尺大,測區東西窄南北長,航線按平行于測區長軸方向敷設,以提高飛機的飛行效率;項目區Ⅱ航攝比例尺小,航線條數少,按東-西方向敷設;項目區Ⅱ2019號航線以南約176 km2區域采用無人機航空攝影,航線按東-西方向敷設,無人機攝影地面分辨率設定為17 cm.測區共飛行88條航線,航線總長2 311 km,獲取地面真彩色數字像片9 158張.航攝技術參數見表1.

表1 航攝技術參數Tab.1 Technical parameters of aerial photogrammetry

圖2 正射影像圖生產流程Fig.2 Productive flow of ortho-photo map

2.2 像片控制測量

由于像片控制點的精度很重要,是內業大地定向的基礎,點位的好壞及精度的高低直接影響內業成圖的精度[3].本項目采用POS輔助空中三角測量,在UltraCam-Xp WA大幅面廣角數字航攝儀上裝載DGPS和IMU,POS系統是高精度定位定向系統,集差分全球定位系統(DGPS)技術和慣性導航技術于一體,可以獲取運動載體的空間位置和三軸姿態信息,也就是獲取瞬時攝影像片的空間位置和三軸姿態信息.將POS系統和航攝儀集成在一起的航空攝影(POS輔助航攝),通過GPS載波相位差分定位獲取航攝儀的位置參數及慣性測量單元IMU測定航攝儀的姿態參數,經IMU、DGPS數據的聯合后處理,可直接獲得測圖所需的每張像片的6個外方位元素,簡化了航測作業工序[4].就地面控制而言,常規光束法區域網平差的精度主要取決于地面控制點的分布與間距,區域越大所需的地面控制點越多,GPS輔助光束法區域網平差和POS輔助光束法區域網平差只需在區域網的四角布設4個平高地面控制點[5].與常規空三加密相比,POS輔助空三加密能夠大大減少外業控制點數量,縮短作業周期,提高生產效率,降低作業成本.

基于數字攝影測量系統的自動空三加密,可極大地提高控制點間的基線數量[6],本項目沿航線布設像控點,點間航向間距12條基線,區域網周邊不規則的凸凹處加布像控點,四角采用雙點布設,共布設像片控制點879個,POS系統基準站和像片控制點坐標采集均利用大慶市規劃局連續運行參考站(CORS)系統,通過裁取局部影像數據、標注刺點位置和實地拍攝照片的方式制作點之記.像控點布點如圖3所示.

圖3 像控點布點略圖Fig.3 Diagram of image control point position

2.3 空中三角測量

POS輔助空中三角測量可準確獲取航片外方位元素( )

XS,YS,ZS,φ,ω,k ,利用連續攝取的具有一定重疊的航攝像片,依據少量野外控制點,以攝影測量方法建立同實地相應的航線模型或區域網模型,在室內進行控制點加密,從而獲取加密點的平面坐標和高程.

2.3.1 加密區域網劃分

加密區域網可根據像控點的分布、地形條件及軟件處理能力、計算機性能等情況靈活劃分,但不應劃分得過于零碎,各區域網間應有一定數量的公共點進行接邊,項目區Ⅰ空三加密共分9個區域網,項目區Ⅱ空三加密共分4個區域網(其中有人機2個分區,無人機2個分區).加密分區示意圖如圖4所示.

圖4 加密分區示意圖Fig.4 Diagram of encryption partition

2.3.2 空中三角測量內業數據處理

使用GodWork-AT空中三角測量系統進行空三加密,平差方法采用PATB光束法區域網平差,光束法解析空中三角測量是最嚴密的一種平差方法,能最方便地顧及影像系統誤差的影響,便于引入非攝影測量附加觀測值[7],其工作流程如圖5所示.

在GodWork-AT中導入影像數據,建立金字塔影像,導入影像曝光點坐標數據、像片外方位元素、數碼相機參數和控制點成果,通過自動匹配相關影像產生自動匹配點,對于點位不足區域,人工進行添加加密點.在像片上量測外業控制點,通過PATB光束法平差后,輸出加密成果.

圖5 空三加密工作流程Fig.5 Workflow of aerial triangulation encryption

項目區Ⅰ9個空三加密區,基本定向點最大中誤差11.1 cm,檢查點最大中誤差11.6 cm,公共點平面中誤差8.2 cm,高程中誤差±6.3 cm;項目區Ⅱ4個空三加密區,基本定向點最大中誤差±13.5 cm,檢查點最大中誤差±19.6 cm,公共點平面中誤差±6.5 cm,高程中誤差±1.4 cm,精度均符合要求.

2.4 數字高程模型(DEM)生成

利用平差后的定向點三維坐標文件構建不規則三角網,通過高程點內插,生成初始DEM.然后在空三解算環境下手工選擇地形地貌特征點、線,二次加密解算,輸出DEM成果,DEM精度符合要求后,按圖幅坐標的范圍對DEM進行裁切,坐標起始點為左上角坐標格網的中心,圖幅內像素數jg項目區Ⅰ為101X101,項目區Ⅱ為401X401,裁剪后把DEM輸出為 .img格式文件.

2.5 數字正射影像圖(DOM)制作

航空攝影采用的是中心投影,地形起伏和相片傾斜都會帶來一系列的投影差,正射影像制作即是通過已結算得到相片的內外方位元素以及高精度的數字高程模型,逐像元微分糾正重采樣得到平行投影的過程[8].

在GodWork多源地理數據綜合處理系統中,將影像數據、加密成果導入該系統,由系統自動完成模型定向,加入DEM數據,生成單幅正射影像,采用數學微分糾正技術糾正原始影像的幾何變形;城區及礦區分別按0.05、0.2 m的地面分辨率生成單片正射影像(圖6、圖7).

圖6 1:500單片正射影像Fig.6 1:500 monolithic orthophoto map

圖7 1:2 000單片正射影像Fig.7 1:2 000 monolithic orthophoto map

選擇圖幅范圍內需要鑲嵌的所有單片正射影像,利用EOS模塊對其完成鑲嵌、圖幅裁切和正射影像輸出,單片正射影像間拼接時,應檢查和適當編輯拼接線,合理選擇平滑參數,使拼接效果最佳,拼接線應盡量避開成片居民區和明顯地物,圖面應保證無明顯拼接縫,最后對影像成果進行陰影和密度處理,使影像清晰,色彩柔和,反差適中,幅與幅之間無明顯色差.

拼接DOM形成全測區DOM拼接成果(圖8),拼接完的DOM數據文件非常大,可以在ArcMap中創建柵格目錄,將分片的柵格數據集加載到柵格目錄,通過設定閾值重采樣將所有柵格數據顯示為一個無縫的拼合圖層[9].

圖8 正射影像圖拼接成果(局部)Fig.8 Orthophoto map mosaic(part)

2.6 質量評定

項目區Ⅰ共13 512幅影像圖,抽樣檢測1 020幅,點位較差最大83.9 cm、中誤差±23.3 cm(允許±30 cm);項目區Ⅱ共1 011幅影像圖,抽樣檢測75幅影像圖,點位較差最大230.4 cm、中誤差±57.13 cm(允許±120 cm),DOM平面精度均達到要求.

3 成果應用與展望

正射影像圖成果是同時具有幾何精度和影像特征的地圖,具有精度高、現實性強、信息豐富直觀等優點,在油田土地管理和用地規劃方面具有重要應用價值.

(1)為強化油田用地基礎管理提供條件.土地資源管理部近年實施"權籍管理信息化"、"土地監管責任化"兩化工作,正攝影像圖為兩個項目提供了直觀的基礎底圖,使信息系統建設和責任區劃分工作順利進行,對提升土地管護水平和基礎管理工作水平產生了直接效益.將正射影像圖與油田規劃用地管理信息系統數據進行疊置分析,能快速獲取土地的權屬、地類、位置、面積等屬性信息,為土地利用現狀調查、規劃利用、處置經營、執法監察、稅費測算等工作提供基礎數據,有利于推進以圖管地工作的開展,提高土地管理部門的科學管理和決策能力.

(2)為優化產能建設征地方案提供依據.在產能建設征用土地過程中對各類站址,進站、進井道路,通信、電力、油水管線敷設等借助正射影像數據進行合理布局,再利用中國石油地理信息系統(A4)地面數據和土地管理信息系統已征權籍數據,分析產能區塊內井、站、路和土地信息,采取聯合建站,進井路搭接鄰近鄉間路或井排路,多管同溝敷設方式,優化征地方案設計,充分利用已征的存量土地,避免重復征地,控制新增用地總量,減少用地成本.

(3)為油田礦建配套項目選址提供保障.正射影像具有可量測特性,設計人員基于航測圖在室內即可獲取區域地形地貌、建筑物分布、安全距離、可規劃利用面積,甚至水文地質信息等,通過整理和分析,有針對性地進行項目用地選址,減少實地勘察任務,快速提高項目選址效率.如果進一步加載土地權籍數據庫,還可以快速提取價值高的出讓土地數據,在出讓土地中選擇空閑地或者容積率低的地塊內規劃項目,可以大大縮減用地手續,還能節省大量出讓用地費用.

(4)利用正射影像生產過程產品數字高程模型能解算土地整理填挖土方,繪制縱橫斷面圖,評估工程預算;數字高程模型與數字正射影像融合可生成三維景觀,輔助用地規劃設計等.