無(wú)人機(jī)航測(cè)在土地復(fù)墾驗(yàn)收中的應(yīng)用

楊 振 張家春

（1、上海交通大學(xué)，上海200000 2、上海市自然資源確權(quán)登記事務(wù)中心，上海200000）

1 概述

隨著民用無(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。在科技飛速發(fā)展的今天，無(wú)人機(jī)慢慢的走入人們的視野之中，現(xiàn)正朝著模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、多樣化和系列化的趨勢(shì)發(fā)展，其應(yīng)用范圍廣泛，前景喜人。[1]無(wú)人機(jī)使用時(shí)不光精準(zhǔn)度高，而且能夠快速的響應(yīng)，可操作空間大并且成本也不高。土地復(fù)墾驗(yàn)收外業(yè)測(cè)繪主要目的是為了復(fù)核已復(fù)墾地塊面積與地類(lèi)情況。全野外數(shù)字化測(cè)圖在野外用全站儀、RTK (Real -time kinematic，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài))載波相位差分技術(shù)等按照測(cè)圖范圍采集數(shù)據(jù)，這種測(cè)圖方法測(cè)量需要投入大量人力、物力和時(shí)間，并且在地形破碎、地勢(shì)險(xiǎn)要的地區(qū)難以測(cè)量。[2]無(wú)人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用可以為現(xiàn)有的土地測(cè)繪帶來(lái)新的格局。本文通過(guò)分析無(wú)人機(jī)航測(cè)攝影測(cè)量的特點(diǎn)，結(jié)合上海市松江區(qū)天馬山區(qū)域進(jìn)行無(wú)人機(jī)航測(cè)測(cè)量的實(shí)際案例，研究了無(wú)人機(jī)航測(cè)在土地復(fù)墾驗(yàn)收中的應(yīng)用。

2 無(wú)人機(jī)航測(cè)攝影測(cè)量的特點(diǎn)

無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)是綜合利用先進(jìn)的無(wú)人駕駛飛行器、遙感傳感技術(shù)、遙控程控技術(shù)、通信技術(shù)、GPS 差分定位技術(shù)的遙感應(yīng)用技術(shù)[3],具有自動(dòng)化、智能化、專(zhuān)用化快速獲取國(guó)土、資源、環(huán)境等空間遙感信息的特點(diǎn),并可以完成遙感數(shù)據(jù)處理、建模和應(yīng)用分析的應(yīng)用技術(shù), 是繼衛(wèi)星遙感和普通航空攝影測(cè)量技術(shù)之后,發(fā)展起來(lái)的一種新型航空遙感技術(shù)手段,該技術(shù)具有以下幾種獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。[4]

2.1 使用成本低、操作簡(jiǎn)單

其自動(dòng)化程度高、操作培訓(xùn)簡(jiǎn)單, 可根據(jù)任務(wù)需要隨時(shí)工作。

2.2 機(jī)動(dòng)快速的響應(yīng)能力

在接到航攝任務(wù)后,可以做到快速出動(dòng)、快速獲取、快速處理、快速分析判別,具有成圖周期短、時(shí)效性強(qiáng)的特點(diǎn),能完成突發(fā)性 的緊急任務(wù)。

2.3 高分辨率航空影像的獲取能力

高分辨率航空影像，影像色彩豐富、清晰、直觀(guān)、準(zhǔn)確,滿(mǎn)足地類(lèi)判別、土地監(jiān)測(cè)需求,可作為重要的決策依據(jù)。[5]

3 作業(yè)流程和內(nèi)容

對(duì)土地復(fù)墾監(jiān)測(cè)范圍區(qū)域內(nèi)利用無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量進(jìn)行航測(cè),獲取1∶500 數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)(DOM)。結(jié)合上海市詳查層和第二次全國(guó)土地調(diào)查資料與檢測(cè)范圍內(nèi)地類(lèi)地塊面積做對(duì)比，生成地類(lèi)流向并制作土地整理復(fù)墾地類(lèi)調(diào)查技術(shù)報(bào)告書(shū)。無(wú)人機(jī)航測(cè)復(fù)墾內(nèi)外業(yè)具體作業(yè)流程圖，如圖1 所示。

圖1 無(wú)人機(jī)航測(cè)復(fù)墾內(nèi)外業(yè)具體作業(yè)流程圖

3.1 測(cè)區(qū)踏勘、收集資料

測(cè)區(qū)概況: 松江天馬山位于佘山西南10 公里，距松江區(qū)府11 公里。天馬山山勢(shì)陡峭，山體脊線(xiàn)近東西方向，山形如一匹展翅欲飛的天馬，今稱(chēng)天馬山。天馬山是佘山九峰十二山中山林面積最大、海拔最高的一座山，山林面積1433 畝，海拔高度99.8米。

3.2 布置像控點(diǎn)

因?yàn)榫`4-RTK 只能直接獲取WGS84 或CGCS2000 坐標(biāo)系下的POS 數(shù)據(jù), 影像直接處理只能生成CGCS2000 或者WGS84 坐標(biāo)下的正射[6]。如果需要xian80 坐標(biāo)系下的正攝,則需要采用像控點(diǎn)糾正或者提前轉(zhuǎn)換POS 坐標(biāo)為xian80 坐標(biāo),對(duì)于無(wú)千尋覆蓋區(qū)域和復(fù)雜的地形, 可以在使用UBase 的同時(shí)添加少量像控點(diǎn),使精度進(jìn)一步提高,進(jìn)而滿(mǎn)足測(cè)圖精度要求。像控的目的是為了更好地獲取高精度的影像數(shù)據(jù)[7]。1:500 的話(huà)建議間隔500-800 米一個(gè)像控點(diǎn)，1:1000,1:2000 可以間隔1 公里一個(gè)點(diǎn)，小范圍的話(huà)以控制住測(cè)區(qū)為宜，適量布設(shè)像控點(diǎn)。[8]如圖星標(biāo)為此次航測(cè)的像控點(diǎn)。

圖2 天馬山復(fù)墾區(qū)域驗(yàn)收地塊像控點(diǎn)

3.3 航線(xiàn)設(shè)計(jì)

由于測(cè)區(qū)位于松江天馬山周?chē)钠皆蕸](méi)有特殊的航線(xiàn)要求，只需滿(mǎn)足覆蓋率和精度。在使用無(wú)人機(jī)的時(shí)候，一開(kāi)始需要按照國(guó)際上通用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)定，這樣做的目的是要把無(wú)人機(jī)作為遙感平臺(tái)。當(dāng)開(kāi)始進(jìn)行航空的立體成像時(shí)，選用的無(wú)人飛機(jī)需要將相機(jī)沿飛行線(xiàn)（或條帶）進(jìn)行垂直航空攝像。因?yàn)樵趯?shí)際測(cè)繪中一般多選用航空像片的立體像對(duì)，所以一次成功的飛行，需要航向重疊達(dá)到80%，旁向重疊達(dá)到70%。像片的重疊的意義在于，在相隔一定的范圍內(nèi)的不同的位置拍攝同一各目標(biāo)時(shí)會(huì)存在視差，這樣就構(gòu)成了立體像對(duì)，并能夠進(jìn)一步的獲得立體模型[9]。最終運(yùn)用一些內(nèi)業(yè)的數(shù)字測(cè)圖軟件繪制成高精度地形圖。

3.4 自動(dòng)飛行拍攝采集數(shù)據(jù)

飛行正射時(shí)選擇關(guān)閉畸變校正，后期相機(jī)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算輸入PIX4D（處理軟件）。飛行前首先測(cè)區(qū)KML 導(dǎo)入，規(guī)劃航線(xiàn)，飛行高度依據(jù)項(xiàng)目要求，一般重疊率航向80%，旁向70%,如果測(cè)區(qū)顏色單一或者地形起伏較大,可適當(dāng)增加重疊度。本次飛行一共使用6 塊專(zhuān)用電池，耗時(shí)2 個(gè)小時(shí)。相比傳統(tǒng)手持RTK 作業(yè)，如此復(fù)雜的圖斑一般需要兩天才能完成地類(lèi)界限打點(diǎn)，且還需分別為不同地類(lèi)地塊拍上照片以便內(nèi)業(yè)人員甄別。而無(wú)人機(jī)的高清分辨影像可以輕松識(shí)別地類(lèi)，無(wú)需再拍攝其他角度照片，極大地提升了作業(yè)效率。

3.5 數(shù)據(jù)處理成圖

獲取xian80 坐標(biāo)系下的正攝模型，我們這次采用的是RTK模式數(shù)據(jù)處理，即為應(yīng)用精靈-4 RTK 本身內(nèi)嵌的千尋網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)載波相位差分定位實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的POS 精度達(dá)到厘米級(jí)精度。隨后提取照片POS 數(shù)據(jù)（POS 數(shù)據(jù)主要包括GPS 數(shù)據(jù)和IMU 數(shù)據(jù)，即傾斜攝影測(cè)量中的外方位元素：（緯度、經(jīng)度、高程、航向角（Phi）、俯仰角（Omega）及翻滾角（Kappa））。先轉(zhuǎn)換坐標(biāo)再處理。在無(wú)人機(jī)照片數(shù)據(jù)中每個(gè)文件夾有一個(gè).MRK 的文件，用電子表格打開(kāi)該文件，將經(jīng)緯度三列單獨(dú)復(fù)制出來(lái)。點(diǎn)名按照照片順序，把名稱(chēng)編輯好,點(diǎn)名一定要和照片名稱(chēng)對(duì)應(yīng)，包括.JPG,然后導(dǎo)入坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件通過(guò)RTK 計(jì)算的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)將經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)數(shù)據(jù)。最終運(yùn)用PIX4D 軟件，結(jié)合像控點(diǎn)坐標(biāo)，處理成上海市城市坐標(biāo)的高清影像成果圖形。

圖3 高清影像成果圖

3.6 地類(lèi)構(gòu)圖、生成成果

土地變化信息提取與勾繪。將無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量獲取的影像成果進(jìn)行人工勾繪，并進(jìn)行地類(lèi)判別。與傳統(tǒng)外業(yè)實(shí)測(cè)相比，基于正射影像能實(shí)時(shí)采集地類(lèi)邊界角點(diǎn)，直觀(guān)快速地勾繪地類(lèi)圖斑，并且通過(guò)影像高程信息，自動(dòng)生成2.5D 影像，與傳統(tǒng)內(nèi)業(yè)制圖相比，高清影像成果圖像可旋轉(zhuǎn)識(shí)別高差，可實(shí)現(xiàn)內(nèi)業(yè)輔助判斷溝渠、河流、堆土等，極大地提高了出圖效率。如下圖：

圖4 2.5D 全方位視角圖

最終得到運(yùn)用構(gòu)圖軟件生成dwg 格式文件，然后再進(jìn)行土地復(fù)墾驗(yàn)收的內(nèi)業(yè)環(huán)節(jié)，如圖5 所示。

圖5 CAD 成果圖形

4 結(jié)語(yǔ)與展望

本次飛行航測(cè)試驗(yàn)旨在研究新的測(cè)量手段在土地整理復(fù)墾調(diào)查等項(xiàng)目中的應(yīng)用前景，通過(guò)調(diào)查成果和作業(yè)效率等因素，對(duì)比無(wú)人機(jī)航測(cè)和傳統(tǒng)測(cè)量手段的優(yōu)缺點(diǎn)。而復(fù)墾項(xiàng)目選取了土地復(fù)墾項(xiàng)目中較大規(guī)模的案例，無(wú)人機(jī)航測(cè)作業(yè)時(shí)間短相比傳統(tǒng)手持RTK 野外測(cè)繪極大的提高了作業(yè)效率，但是在一般小型項(xiàng)目時(shí)，無(wú)人機(jī)飛行則需要更多的限制條件，比如：小型復(fù)墾項(xiàng)目設(shè)置像控點(diǎn)比較費(fèi)時(shí)且無(wú)人機(jī)飛行電池續(xù)航時(shí)間較短等。總體來(lái)說(shuō)兩者皆有利弊，但無(wú)人機(jī)的使用為測(cè)繪人員提供了一個(gè)強(qiáng)大的工具，克服了傳統(tǒng)技術(shù)中的諸多不足，使土地測(cè)繪更加科學(xué)精準(zhǔn)，保障了土地規(guī)劃和管理科學(xué)實(shí)用和可操作性。在將來(lái)，無(wú)人機(jī)必將獲得更大的發(fā)展空間，為土地規(guī)劃管理工作帶來(lái)更大的便利條件。