無人機傾斜攝影測量技術在墾造水田項目中的應用

符 利

(廣東水電二局股份有限公司，廣州 511340)

1 概述

為了加強耕地保護和改進占補平衡，堅決遏制耕地“非農(nóng)化”、防止耕地“非糧化”，加強國土空間規(guī)劃管控，嚴格控制新增建設占用耕地，引導各地不占或少占水田等優(yōu)質耕地，在省內(nèi)開展了墾造水田項目建設。墾造水田項目涉及范圍廣、工期緊、精度高，在建設過程中需要是三維實景模型、數(shù)字線劃圖、正射影像圖、坡度分級圖等多種成果，以滿足不同階段的項目建設工作需求。而傳統(tǒng)的測量方式存在投入大，效率低，測繪成果單一的問題，無法滿足項目建設在不同階段的需要。

無人機傾斜攝影測量技術是運用無人機航攝儀野外一次性飛行航拍，獲取項目范圍內(nèi)的多個角度的高質量影像數(shù)據(jù)，通過影像數(shù)據(jù)處理軟件建立高精度、高分辨率的三維實景模型，輸出數(shù)字線劃圖、正射影像圖及坡度分級圖等。

2 飛馬D2000無人機傾斜攝影測量系統(tǒng)簡介

本項目選用的是深圳飛馬公司D2000無人機攝影測量系統(tǒng)(見圖1，表1)，是一款小型、長續(xù)航同時能滿足高精度測繪遙感的多旋翼無人機系統(tǒng)。該款無人機飛行平臺搭載D-OP3000傾斜攝影測量模塊(見表2)，可安全、穩(wěn)定、高效地完成項目區(qū)域內(nèi)航拍片的獲取工作。

圖1 飛馬D2000飛行平臺搭載D-OP3000傾斜攝影測量系統(tǒng)示意

表1 飛馬D2000無人機飛行平臺系統(tǒng)參數(shù)

表2 D-OP3000攝影測量模塊

3 無人機傾斜攝影測量技術的優(yōu)勢

3.1 無人機傾斜攝影測量的特點

1) 低空靈活。無人機飛行高度在100～1 000 m范圍內(nèi)，受空氣云層和高空管制的影響比較小，如有特殊情況發(fā)生，航攝儀也可以及時降落，同時在測量前，可以根據(jù)項目范圍內(nèi)衛(wèi)星影像，對飛行方案進行調整，提前避開障礙危險物。

2) 周期短效率高。無人機傾斜攝影測量分內(nèi)業(yè)和外業(yè)，外業(yè)工作內(nèi)容前期為像控點布設及測量和野外航拍，后期為補充調繪，大大縮減了人工成本，縮短了野外作業(yè)時間；內(nèi)業(yè)根據(jù)項目大小，影像數(shù)據(jù)的數(shù)量，合理調配計算機服務器和內(nèi)業(yè)人員數(shù)量，利用Smart3D Capture Context、EPS、PIX-4D mapper等數(shù)據(jù)處理軟件對航拍影像和像控數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理，輸出各項測繪成果[1]。

3) 成果多元化、精度高[2-3]。無人機傾斜攝影測量通過低空多角度航拍獲取地面多角度高分辨率影像，處理生成三維實景模型、數(shù)字線劃圖、正射影像圖、坡度分級圖等成果，圖形精度可達到1∶500比例尺地形圖要求，影像分辨率可以達到3 cm，完全滿足項目建設的需要。

4) 適用性強。無人機傾斜攝影測量外業(yè)航拍是在空中作業(yè)，與GPS野外測圖相比，不會出現(xiàn)因衛(wèi)星遮擋無法定位的情況，同時空中航拍可以獲取更全面完整的數(shù)據(jù)，成果更加真實的反映出項目區(qū)域內(nèi)的地形地貌。

3.2 無人機傾斜攝影測量技術應用流程

本研究選用的是飛馬D2000無人機搭載D-OP3000傾斜攝影測量模塊，其主要工作和技術流程見圖2。

圖2 飛馬無人機傾斜攝影測量技術應用流程示意

4 基于飛馬.2000無人機傾斜攝影測量技術在墾造水田中的應用實例

4.1 測區(qū)概況

2019年度肇慶市懷集縣冷坑(等3個)鎮(zhèn)墾造水田項目是廣東省墾造水田項目之一，位于肇慶市懷集縣冷坑鎮(zhèn)水口村，測區(qū)南北長約為1 000 m，東西寬約為1 100 m，成三角形狀，最高海拔為101.7 m，最低海拔為72.3 m，平均高程為87 m，面積約為56.13 hm2。項目的地形地貌主要以地山丘陵及谷間平地為主，地表植被多為荒地和桉樹，分布有少量魚塘。

4.2 無人機航測飛行方案的設計

本項目航線規(guī)劃是在飛馬無人家管家制作，以天地圖為設計底圖，選用飛馬D2000飛行器搭載D-OP3000傾斜攝影測量系統(tǒng)進行航線規(guī)劃(見圖3)，分別設置航線重疊度為80%，旁向重疊度75%，綜合考慮成圖比例尺(1∶500)和航攝儀的基本參數(shù)，依據(jù)《低空數(shù)字航空攝影測量外業(yè)規(guī)范》(CH/Z3004-2010)，設定了2.8 cm地面分辨率(GSD)，同時確定了相對飛行高度為180 m，為了保證航拍質量，航線設計在覆蓋紅線范圍的前提下，在航向上外擴180 m，在旁向上外擴兩條航線，整個飛行任務覆蓋面積為0.531 km2，預計飛行時間37 min，共計1個架次(見圖4)。

圖3 航線規(guī)劃示意

圖4 飛行任務詳情示意

4.3 像控點的布設與獲取

依據(jù)《低空數(shù)字航空攝影測量外業(yè)規(guī)范》(CH/Z 3004—2010)進行像控點布設。采取先內(nèi)后外的布設方式，先在天地圖影像上，初步確定像控點的位置，像控點分布必須覆蓋整個項目范圍，相鄰像控點之間的距離控制在600～800 m范圍內(nèi)，特殊情況下可以適當放寬一定距離，同時像控點應盡量選取特征地物或者突出目標，布設標志應該擁有較好的對空視角，不得被樹木或建筑物遮擋，像控標志須與背景形成較為明顯的色彩對比，標志形狀必須有明顯的角點，以作為像控點坐標采集點，以保證在內(nèi)業(yè)刺點的精度[4-5]。本項目的像控點布設依據(jù)規(guī)范要求，結合現(xiàn)場實際情況，選取了“L”形像控標志進行布設，共在測區(qū)范圍內(nèi)均勻布設了7個像控點，3個檢查點(見圖5)，并采用GD-CORS網(wǎng)絡RTK方法測量獲取像控點、檢查點的外角坐標(見圖6)。

圖5 像控點分布示意

圖6 像控點測量示意

4.4 影像數(shù)據(jù)獲取

該項目航拍利用飛馬無人機管家智飛行功能模塊對航拍過程進行全程實時監(jiān)控，可實時可視化顯示飛行軌跡、飛機狀態(tài)、風速地速、電池狀態(tài)、機身溫度以及GPS定位狀態(tài)，本項目實際航拍時長40 min，飛行里程共計32 km，五個航拍鏡頭共獲取航拍片5 970張。

4.5 無人機傾斜攝影測量成果生成及應用

1) 三維實景模型的生成及應用

將外業(yè)獲取的五視影像圖和POS數(shù)據(jù)導入自動建模軟件中進行影像匹配，再加入目標坐標系下的地面控制點進行影像關聯(lián)完成空三解算，最后通過軟件全自動構建三維實景模型，模型多角度反映出了測區(qū)范圍內(nèi)的地形走勢、道路交通、河流分布和房屋村落的情況[6-8](見圖7)。

圖7 墾造水田項目中的三維實景模型示意

三維實景模型位為項目建設初期設計人員和現(xiàn)場勘查人員開展工作提供了重要資料，它完整反映了建設項目內(nèi)的真實情況，項目參建人員可以通過三維實景模型反映出來植被、道路、水溝、魚塘等信息進行項目詳細選址和進場道路規(guī)劃。

2) 數(shù)字線劃圖(DLG)的生成及應用

利用清華山維三維測圖軟件(EPS)對三維實景模型直接加載轉換生成DSM實景表面模型，通過裸眼測圖的方式，在加載好的表面模型上進行各種線劃圖要素的提取[9]，結合現(xiàn)場調繪、補測后，對數(shù)字線劃圖進行整飾和數(shù)據(jù)檢查，合格后輸出符合設計規(guī)范要求數(shù)字線畫圖(見圖8)。

圖8 墾造水田項目中的數(shù)字線劃示意

為設計人員開展設計工作提供保障，設計人員以數(shù)字線劃圖為底圖進行項目的詳細設計與規(guī)劃，根據(jù)數(shù)字線劃圖內(nèi)提供的地形地貌信息，詳細的規(guī)劃出新的田塊、機耕路、灌溉渠、蓄水池等項目建設信息。

3) 正射影像圖(DOM)的生成及應用

將該項目的正射航拍片和對應的POS數(shù)據(jù)導入PIX-4D mapper軟件新建項目中，在完成相控點關聯(lián)后，選擇在目標坐標系下全自動處理，自動處理過程中，無需人工干預，全自動生成高精度點云、紋理和正射影像圖[10](見圖9)。

圖9 墾造水田項目正射影像示意

通過正射影像圖與數(shù)字線劃圖的疊加分析，相關參建人員可以了解到項目建設實際情況，是否存在不符合設計規(guī)劃的情況。建設完成的項目則可以通過正射影像圖制作出反映新建水田的種植情況的專題地圖。

4) 坡度分級圖的生成及應用

坡度分級圖是反映地形的重要因子，是描述地形的常用參數(shù)。在ArcGIS軟件下，對DEM數(shù)據(jù)進行坐標系、完整性等檢查和轉換，然后按照項目范圍紅線進行DEM拼接和坡度計算，并按照規(guī)定的坡度分級標準進行坡度分級，在坡度分級的基礎上，生成坡度分級圖[11-13](見圖10)。

圖10 坡度分級示意

墾造水田項目建設對耕地坡度有著嚴格的要求，對于坡度超過25°地區(qū)，嚴禁進行墾造水田建設，設計人員在前期可以通過坡度分級圖，合理規(guī)避剔除不符合坡度過于陡峭的區(qū)域，項目建設完成后，通過坡度分級圖檢查項目建設是否符合坡度設計要求。

5 結語

無人機傾斜攝影測量技術打破了傳統(tǒng)測量手段的局限性，極大減少了外業(yè)工作量的同時更加提高了內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的自動化和人工干預，基于無人機傾斜攝影測量技術在墾造水田項目中的應用，更是滿足項目建設工期緊、精度高、階段多，測量成果需求種類多的要求，“一飛多用”的作業(yè)特點，通過一次外業(yè)航拍飛行，為墾造水田項目建設提供了三維實景影像、數(shù)字線劃圖、正射影像圖、坡度分級圖多種測繪成果，滿足了項目建設在不同階段時期對測繪成果的不同需要，對廣東省墾造水田項目建設提供了堅實的測繪保障。