無人機(jī)技術(shù)在農(nóng)村地籍測繪中的應(yīng)用分析

陳小歌 ，毛 川

（河南測繪職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450000）

1 農(nóng)村地籍測繪的目的和要求

農(nóng)村地籍測繪主要是為了進(jìn)一步明確和查清土地的權(quán)屬問題，包含每一塊土地精準(zhǔn)的位置邊界、具體面積大小、實(shí)際用途、數(shù)量、等級(jí)等基本信息，保證農(nóng)村土地權(quán)屬合法、位界精準(zhǔn)、面積清楚。數(shù)據(jù)精準(zhǔn)且詳細(xì)的農(nóng)村地籍測繪成果既保護(hù)了土地所有者和土地使用者的合法權(quán)益，又可作為解決農(nóng)村土地產(chǎn)權(quán)糾紛的重要憑證。對(duì)于農(nóng)村土地類型、土地使用情況以及土地分布和數(shù)量的精準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)與測繪，是國家進(jìn)一步建立科學(xué)的土地管理體系，實(shí)現(xiàn)國家土地資源合理分配和充分利用的基礎(chǔ)。但是，由于我國農(nóng)村地區(qū)的幅員遼闊、地形復(fù)雜，測繪任務(wù)量非常大。再加上農(nóng)村地區(qū)村民的外出率比較高、戶外測繪受天氣等因素的影響明顯，一方面，不能保證農(nóng)村地籍測繪的進(jìn)度；另一方面，戶外地籍測繪的精準(zhǔn)度也難以保證。

2 無人機(jī)航測系統(tǒng)在農(nóng)村地籍測繪中的應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著我國科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，無人機(jī)技術(shù)逐漸趨于成熟。由于無人機(jī)航測技術(shù)的作業(yè)效率高、精準(zhǔn)度高、受外界天氣等因素的影響小，無人機(jī)逐漸被大眾所接受和認(rèn)可，并應(yīng)用于地形測量領(lǐng)域。農(nóng)村地區(qū)地籍測量的基本比例尺是1∶500，屬于較小比例尺范疇，但是農(nóng)村地區(qū)地籍測繪直接關(guān)系到農(nóng)民的切身利益，所以對(duì)測繪的精準(zhǔn)度要求比普通的1∶500還要更加嚴(yán)格[1]。

2.1 無人機(jī)航測技術(shù)的發(fā)展

無人機(jī)在我國最早出現(xiàn)于20世紀(jì)50年代后期，其經(jīng)歷了一個(gè)由簡單到復(fù)雜、從軍用到民用的過程。無人機(jī)的攝影測量主要是通過在無人機(jī)平臺(tái)搭載攝像機(jī)來進(jìn)行航空作業(yè)，利用GPS技術(shù)自動(dòng)導(dǎo)航，快速實(shí)現(xiàn)地理位置的獲取。隨著無人機(jī)飛行器的更新?lián)Q代，遙測遙控技術(shù)和通信技術(shù)的不斷發(fā)展，GPS差分定位、POS（Position and Orientation System）定位定姿與遙感應(yīng)用技術(shù)的不斷升級(jí)，無人機(jī)的航測系統(tǒng)越來越完善，航測能力越來越強(qiáng)。傳統(tǒng)的地籍測繪技術(shù)與計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)完美結(jié)合，形成了先進(jìn)的數(shù)字?jǐn)z影技術(shù)。

目前，無人機(jī)的航測系統(tǒng)應(yīng)用成為基礎(chǔ)的地籍測繪技術(shù)，可以達(dá)到國家的地籍測量標(biāo)準(zhǔn)和戶外測量規(guī)范。無人機(jī)航測有兩種方式：正射影像和傾斜影像。無人機(jī)航測系統(tǒng)可以快速實(shí)現(xiàn)正射影像，成像清晰、分辨率高、精準(zhǔn)度高。傾斜影像是通過三維立體實(shí)景建模實(shí)現(xiàn)的，能夠快速進(jìn)行多角度的圖像采集，迅速實(shí)現(xiàn)實(shí)景還原。

2.2 無人機(jī)航測技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢

2.2.1 提升工作效率，改進(jìn)工作流程

無人機(jī)航測技術(shù)能夠快速實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的收集、整理、分析和應(yīng)用，提升了地籍測繪工作的效率。同時(shí)，也大幅度減少了工作人員的工作量，提升了工作便捷度，降低人工成本，推動(dòng)了農(nóng)村地籍測繪信息化和自動(dòng)化的進(jìn)程。工作形式和內(nèi)容的自動(dòng)化和信息化，將戶外的工作逐漸向室內(nèi)轉(zhuǎn)移，逐步優(yōu)化和升級(jí)了工作流程，使得測繪方案的制定以及方案具體實(shí)施更加便捷，能夠明顯減少地籍測繪工作受天氣氣候的影響。

2.2.2應(yīng)用范圍更廣，數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度更高

無人機(jī)航測技術(shù)的高精準(zhǔn)度程度比衛(wèi)星成像高出了一倍。衛(wèi)星成像目前很難展現(xiàn)更大影像圖，但航空拍攝可以根據(jù)需要的成像比例直接調(diào)整航攝比例，也就意味著航攝可以實(shí)現(xiàn)想要的比例成像圖。在地形復(fù)雜、幅員遼闊的農(nóng)村地區(qū)應(yīng)用范圍更廣，數(shù)據(jù)攝取更精準(zhǔn)[2]。

3 無人機(jī)的航測系統(tǒng)和技術(shù)分析

無人機(jī)設(shè)計(jì)飛行導(dǎo)航和控制系統(tǒng)。主要包含GPS導(dǎo)航系統(tǒng)、飛行控件、GPS接收器和傳感器，主要作用是無人機(jī)的飛行導(dǎo)航和定位以及自主控制。可以采用遙控、自飛和半自飛的模式，實(shí)現(xiàn)飛行高度、飛行模式和飛行速度的自由控制和平穩(wěn)把控。無人機(jī)航攝系統(tǒng)在測繪作業(yè)時(shí)按照飛行設(shè)計(jì)和航線平穩(wěn)飛行，作業(yè)過程中可以更改飛行路線和目標(biāo)航點(diǎn)，可以即時(shí)接收地面遙控指令，并實(shí)現(xiàn)收集數(shù)據(jù)的自動(dòng)、即時(shí)回傳。GPS導(dǎo)航系統(tǒng)可以獲取精準(zhǔn)曝光航點(diǎn)的位置、高度和飛行狀態(tài)，根據(jù)這些回傳的精準(zhǔn)數(shù)據(jù)判定此次航攝的位置和數(shù)據(jù)質(zhì)量。地面會(huì)有完整的監(jiān)控系統(tǒng)，包含無線遙控、RC接收器、計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、供電系統(tǒng)等等，隨時(shí)實(shí)現(xiàn)無人機(jī)工作狀態(tài)和工作效能的監(jiān)控。地面的操控人員根據(jù)對(duì)無人機(jī)飛行狀態(tài)、飛行高度和飛行位置的實(shí)時(shí)監(jiān)控，做出相應(yīng)的遙控操作和任務(wù)調(diào)整，以保證無人機(jī)測繪工作的順利進(jìn)行。

傳統(tǒng)的地籍測繪方式一般有兩種：一種是工程外業(yè)實(shí)測，一種是載人飛機(jī)航測。工程外業(yè)實(shí)測不能實(shí)現(xiàn)測量地區(qū)整體的影像成圖，并且需要耗費(fèi)大量的人力、物力資源，成本高，受天氣氣候、地形等外界環(huán)境影響大，測量的進(jìn)度和質(zhì)量都難以保證。載人飛機(jī)航測，在進(jìn)行載人航測之前要申請飛行空域，還要與機(jī)場等相關(guān)部門協(xié)調(diào)。測量的成本高，而且測量工作流程相對(duì)復(fù)雜。無人機(jī)航測技術(shù)能夠規(guī)避以上兩種測量方式的弊端，不僅成本低、操作簡單，而且自動(dòng)化程度高、精準(zhǔn)度高。所以，現(xiàn)階段的農(nóng)村地籍測繪主要采用無人機(jī)航測來實(shí)現(xiàn)。

4 無人機(jī)航測技術(shù)在農(nóng)村地籍測繪中的實(shí)際應(yīng)用

常用的無人機(jī)航測傾斜攝影技術(shù)對(duì)拍攝物的精度要求會(huì)比較高。如果在航攝過程中出現(xiàn)實(shí)地遮擋物，比如樹木、叢林，航攝精度就會(huì)受到一定的影響。所以，無人機(jī)航攝也不是“獨(dú)立”進(jìn)行地籍測繪工作的，需要一定程度的人工實(shí)測進(jìn)行補(bǔ)測、檢驗(yàn)和修正。整體的無人機(jī)航測地籍主要是通過無人機(jī)在空中實(shí)現(xiàn)的三角測量，完成三角模型構(gòu)建，再通過房屋的界點(diǎn)采集，完成圖解成圖。最后結(jié)合外調(diào)繪制成圖，精度對(duì)比，實(shí)測為基準(zhǔn)調(diào)整，完成基本的地籍測繪[3]。

4.1 無人機(jī)設(shè)置相關(guān)參數(shù)

在農(nóng)村地籍測繪中，首先要根據(jù)實(shí)際的測量需要設(shè)置相關(guān)參數(shù)。比如農(nóng)村的具體測量范圍坐標(biāo)、成像比例等。并且，飛行路線的設(shè)計(jì)和安排要盡量按照風(fēng)向設(shè)計(jì)，避免逆風(fēng)飛行。正常情況下農(nóng)村地區(qū)宅基地的長和寬基本在8 m～20 m之內(nèi)，為了進(jìn)一步的保證成像的精準(zhǔn)性和清晰度，無人機(jī)的飛行高度一般在80 m左右，影像的重疊率一般在70%左右。也就是說，在可實(shí)現(xiàn)的技術(shù)范圍內(nèi)要做好無人機(jī)航攝的基本參數(shù)設(shè)置，參數(shù)的設(shè)置和具體的比例要有嚴(yán)格的配比。

4.2 起降的準(zhǔn)備工作

起降周邊的100 m～200 m范圍內(nèi)不能存在影響起降的遮擋物。起飛之前必須全面排查無人機(jī)的航攝性能和整體的遙控和監(jiān)控系統(tǒng)，以免無人機(jī)在工作過程當(dāng)中出現(xiàn)自身性能的失控或者是數(shù)據(jù)信息傳輸不到位，做好影像預(yù)處理和影像拼接設(shè)置。

4.3 控制點(diǎn)布置

在無人機(jī)航攝系統(tǒng)做好設(shè)置的同時(shí)，飛行航攝前要進(jìn)行航攝點(diǎn)的定位和布置。一般的航攝控制點(diǎn)都在比較平坦和空曠的地區(qū)，點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離一般在500 m～1 000 m范圍內(nèi)。運(yùn)用RTK自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)控制點(diǎn)具體位置信息的獲取，并用白色油漆涂抹的十字架進(jìn)行控制點(diǎn)標(biāo)注。野外控制點(diǎn)的誤差要求一般是1∶500比例，誤差小于0.4 m；1∶1 000比例，誤差小于0.8 m；1∶2 000比例，誤差小于1.6 m[4]。

4.4 航測過程中影像的控制

在無人機(jī)航攝過程中要保證航攝資源、資料與導(dǎo)航定位信息的完美結(jié)合。地面的實(shí)際測量數(shù)據(jù)要與無人機(jī)的航攝數(shù)據(jù)信息進(jìn)行精準(zhǔn)的換算，以保證測繪資料的精準(zhǔn)和真實(shí)，如果出現(xiàn)特殊情況要精準(zhǔn)記錄并反映具體情況。嚴(yán)格依據(jù)地面的特殊控制點(diǎn)范圍和定位進(jìn)行數(shù)據(jù)影像測量，通過GPS定位獲取精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)信息。

4.5 三角測量

三角測量是通過航空數(shù)碼攝像器材操作的，航空數(shù)碼攝像器材的使用和運(yùn)行不需要人工控制、設(shè)置和調(diào)節(jié)，它可以自動(dòng)根據(jù)系統(tǒng)的指令計(jì)算和換算。但空中三角測量的前提是要人工選定連接點(diǎn)，完成測量模型和測量航帶的連接，并且要反復(fù)調(diào)試連接點(diǎn)和像控點(diǎn)比例，以達(dá)到最合適的航攝比例，保證航攝數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性和清晰性。

三角測量定向的參數(shù)要反復(fù)調(diào)試?yán)碚撝担O(shè)定誤差為0。模型連接點(diǎn)的分布要均勻，并且影像的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位置要設(shè)置一定數(shù)量的連接點(diǎn)，以確保連接的強(qiáng)度[5]。如果是植被覆蓋率比較高、對(duì)影像成像有一定影響的地區(qū)，更要保證連接點(diǎn)的數(shù)量，以確保定位成功。如果定位存在一定的難度，要人工進(jìn)行定位地點(diǎn)的命名和標(biāo)注，確保連接點(diǎn)發(fā)揮正常的效用。

4.6 三維建模

三維建模使用的軟件是Smart3D Capture自動(dòng)建模系統(tǒng)，其基于圖形運(yùn)算單元，能快速實(shí)現(xiàn)場景運(yùn)算，無需人工干預(yù)[6]。根據(jù)一定數(shù)量的人工控制點(diǎn)，將簡單的影像控制點(diǎn)連接變成逼真的三維立體模型。三維立體模型建立必須能夠真實(shí)地“再現(xiàn)”原地實(shí)景效果，要檢查三維立體模型的精度和效果，調(diào)整相應(yīng)參數(shù)。要達(dá)到連村民的實(shí)際房屋形狀、棱角，墻面是否平整等情況都清晰可見，還原度高[7]。三維立體模型的平面誤差必須控制在2.9 cm范圍內(nèi)，高度誤差必須控制在3.4 cm范圍內(nèi)，并且能夠滿足地籍測量5 cm的精度要求，才能用于具體的繪圖測量。根據(jù)Smart3D Capture自動(dòng)建模形成的三維模型按1∶500的比例進(jìn)行數(shù)字線的畫圖，完成地籍圖繪制。天際航景三維測圖系統(tǒng)DP-Mapper利用傾斜攝影模型高精度大比例尺地形數(shù)據(jù)的矢量采集工作，無需佩戴立體眼鏡，根據(jù)影像自動(dòng)空三生成的三維模型直接定位地物要素的三維信息。DP-Mapper可以導(dǎo)出．cas和．dat格式的交換文件，然后整理成1∶500的數(shù)字化地形圖。DP-Mapper裸眼測圖如圖1所示。

圖1 DP-Mapper裸眼測圖

4.7 立體采編測量和人工補(bǔ)測

以上步驟都按要求完成之后，要統(tǒng)一采編航測的立體信息。無人機(jī)航攝過程中，對(duì)地形結(jié)構(gòu)以及現(xiàn)狀物線節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)把握能夠提升立體采編的精準(zhǔn)性[8]。內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集一般使用ARCGIS 軟件對(duì)正射影像進(jìn)行線編輯，會(huì)對(duì)房屋的屋檐畫線，對(duì)房屋周邊的耕地、土丘、水塘等有明顯地形特征的地區(qū)進(jìn)行地物標(biāo)注。也就是，測繪范圍內(nèi)獲取的數(shù)據(jù)信息越精準(zhǔn)，立體采編的質(zhì)量也就越高。這里必須強(qiáng)調(diào)，等高線和水準(zhǔn)線要人工手動(dòng)添加。沒有辦法獲取數(shù)據(jù)信息的位置要人工標(biāo)注，做好標(biāo)記。以便在后續(xù)的測繪工作中通過人工補(bǔ)測獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)一步保證地籍測繪工作的精準(zhǔn)性和全面性[9]。

5 結(jié)語

由此可見，無人機(jī)航測技術(shù)在農(nóng)村地籍測繪中的應(yīng)用相比傳統(tǒng)的農(nóng)村地籍測繪方式有著明顯的優(yōu)勢，在簡化農(nóng)村地籍測繪流程、提高農(nóng)村地籍測繪的精準(zhǔn)度、降低人工成本、提升工作效率方面有明顯的優(yōu)勢[10]。