無人機(jī)低空攝影測量技術(shù)在美麗鄉(xiāng)村建設(shè)中的應(yīng)用

（廈門海滄市政建設(shè)管理中心 福建廈門 361026）

1 引言

黨的十八大提出建設(shè)美麗中國的方針，美麗鄉(xiāng)村建設(shè)是生態(tài)文明建設(shè)的重要組成部分，是建設(shè)美麗中國的重要組成部分。在加快新農(nóng)村建設(shè)步伐之中，農(nóng)村土地信息調(diào)查和規(guī)劃設(shè)計(jì)起著至關(guān)重要的作用。在新農(nóng)村規(guī)劃建設(shè)過程中，數(shù)字測繪產(chǎn)品如數(shù)字正射影像、數(shù)字線劃圖等作為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)依據(jù)，是土地信息調(diào)查和規(guī)劃設(shè)計(jì)中的不可或缺的組成部分。

傳統(tǒng)地信息調(diào)查和規(guī)劃設(shè)計(jì)中，采用高空攝影測量或衛(wèi)星遙感的測量手段以獲取大范圍影像數(shù)據(jù)，但具有成本高、分辨率低等缺點(diǎn)。為獲取大比例尺，如比例尺為1:5000、1:2000的地形圖時(shí)，往往采用傳統(tǒng)的工程測量的方式進(jìn)行，但工程測量獲取測繪成果的方式制作周期長、自動化程度低、成本高，具有一定的局限性。無人機(jī)是一種靈活機(jī)動的數(shù)據(jù)采集平臺，采用無人機(jī)進(jìn)行低空攝影測量獲取快速可靠的測量成果已廣泛應(yīng)用于農(nóng)村規(guī)劃和建設(shè)∶文獻(xiàn)[1]中利用無人機(jī)遙感信息提取進(jìn)行用地類型現(xiàn)狀提取用于新農(nóng)村規(guī)劃；文獻(xiàn)[2]中利用無人機(jī)遙感系統(tǒng)進(jìn)行土地復(fù)墾；文獻(xiàn)[3]則針對無人機(jī)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行農(nóng)村宅基地半自動提取。

筆者以廈門市海滄區(qū)東孚鎮(zhèn)美麗鄉(xiāng)村項(xiàng)目為應(yīng)用案例，介紹無人機(jī)航測數(shù)據(jù)采集方法和數(shù)據(jù)處理手段，對所獲取的數(shù)據(jù)成果進(jìn)行精度評定，分析無人機(jī)航測系統(tǒng)的特點(diǎn)和優(yōu)勢，對其應(yīng)用前景進(jìn)行展望。

2 無人機(jī)低空航測系統(tǒng)組成、特點(diǎn)

近年來，無人機(jī)（UAV，Unmmanned Aerial Vehicles）技術(shù)得到了長足發(fā)展，基于無人機(jī)飛行平臺的低空攝影測量技術(shù)已顯示其獨(dú)特優(yōu)勢。無人機(jī)低空航測系統(tǒng)以無人機(jī)為飛行平臺，搭載非量測數(shù)碼相機(jī)，并集成相應(yīng)的飛行控制系統(tǒng)，由地面控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)航跡規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)自動化精的確獲取地面影像數(shù)據(jù)。

相較于傳統(tǒng)航空攝影測量，無人機(jī)低空攝影測量具有如下獨(dú)特優(yōu)勢∶購置和維護(hù)成本極低；隨著國家政策對低空空域的逐漸開放，無人機(jī)的審批流程和作業(yè)方式更加機(jī)動靈活；受天氣影響?。荒芸焖佾@取大比例尺的高精度精細(xì)影像，制作周期短[2]。因此，它彌補(bǔ)了傳統(tǒng)航測和工程測量的不足，是獲取大比例尺地形圖技術(shù)手段的一種有力補(bǔ)充。

但與此同時(shí)，由于無人機(jī)所搭載的相機(jī)為非量測相機(jī)，成像具有較大的畸變差；飛行姿態(tài)容易受風(fēng)力影響，導(dǎo)致其旋偏角過大，匹配難度高、效率低；無人機(jī)所采集的數(shù)據(jù)重疊度高，影像數(shù)據(jù)量大等這些特點(diǎn)，使得無人機(jī)影像數(shù)據(jù)處理具有一定難度。

3 無人機(jī)數(shù)據(jù)處理流程

采用意大利Menci 公司的APS 數(shù)據(jù)處理軟件，可以處理帶有GPS的無人機(jī)數(shù)據(jù)影像，并可用于制作DTM、等高線、正射鑲嵌影像等。其處理流程如下圖1所示。

圖1 無人機(jī)低空攝影測量數(shù)據(jù)處理流程圖

具體處理步驟如下∶

1）相機(jī)內(nèi)定向和畸變糾正。由于無人機(jī)所搭載的相機(jī)為非量測相機(jī)，在成像時(shí)會存在較大的畸變差，必須對影像進(jìn)行畸變差改正，主要是光學(xué)畸變差改正。進(jìn)行光學(xué)畸變差改正的前提是需要獲取相應(yīng)的相機(jī)參數(shù)，基于計(jì)算機(jī)視角的方法，采集區(qū)域內(nèi)的影像樣張，進(jìn)行相機(jī)標(biāo)定，即相機(jī)內(nèi)定向，從而最終得到經(jīng)過相機(jī)畸變糾正后的影像。

2）影像匹配。無人機(jī)具有易受風(fēng)力影響，旋偏角大，飛行姿態(tài)不穩(wěn)定等特點(diǎn)，采用傳統(tǒng)的基于像素匹配的算法很難得到穩(wěn)定可靠的匹配點(diǎn)。APS 采用具有旋轉(zhuǎn)尺度不變性的匹配算子，并能采用基于多線程的GPU 加速算法[4]，快速獲取得到具有魯棒性的密集匹配點(diǎn)。

3）加入相控點(diǎn)的空中三角測量?；跓o人機(jī)所采集的GPS 數(shù)據(jù)，以及影像匹配所得到的密集匹配點(diǎn)，采用光束法區(qū)域網(wǎng)平差算法，解算出相機(jī)曝光時(shí)刻的飛行位置和姿態(tài)。并引入實(shí)際相控點(diǎn)位置進(jìn)行聯(lián)合平差，將測量成果轉(zhuǎn)換為地方坐標(biāo)。

4）DEM 生成。通過空三算解算獲取得到無人機(jī)的飛行姿態(tài)和位置信息，以及密集匹配得到的特征點(diǎn)，獲取到大量的地面加密點(diǎn)坐標(biāo)信息。采用相應(yīng)的坐標(biāo)內(nèi)插方法和濾波算法得到相應(yīng)的DEM數(shù)據(jù)。并將DEM 采用人工交互的方式對其進(jìn)行編輯，修改不滿足空間幾何拓?fù)潢P(guān)系的地物，最終基于修改后的DEM 成果。

5）正射影像糾正和鑲嵌。對生成的DEM 進(jìn)行正射影像糾正，基于拼接線避開房屋斷裂區(qū)域和光照不均勻陰影區(qū)域?qū)φ溆跋耔偳?，并進(jìn)行色調(diào)調(diào)整和勻光處理，使得到的正射影像色調(diào)一致，成像均勻。

6）其他測繪產(chǎn)品生成。在完成空三解算后，將畸變糾正后的影像和空三數(shù)據(jù)導(dǎo)入到適普的立體測圖環(huán)境中，在立體環(huán)境下進(jìn)行測圖，得到相應(yīng)的數(shù)字線劃圖。并生成等高線和高程點(diǎn)。

4 應(yīng)用案例

筆者這次無人機(jī)數(shù)據(jù)采集，采用的Ebee 無人機(jī)是由瑞士傳感器制造商SenseFly 生產(chǎn)的一款輕型無人機(jī)，它采用模塊化設(shè)計(jì)，有可拆卸機(jī)翼，方便攜帶和運(yùn)輸。飛機(jī)采用彈性泡沫制作而成，靜重0.63kg，翼展96cm，巡航速度36-57km/h，續(xù)航時(shí)間45min。飛機(jī)采用手動拋射起飛、機(jī)腹滑降模式，爬升、飛行攝影和降落過程都按照地面控制系統(tǒng)的飛控軟件Emotion2 事先規(guī)劃的路線進(jìn)行自主完成，易于操控，不需要配備專門的飛行操控手。該飛機(jī)搭載了一臺像素為1600萬像素的相機(jī)的卡片相機(jī)，地面分辨率可捕獲3-30厘米地面分辨率的相片。

測區(qū)隸屬于福建省廈門市海滄區(qū)東孚鎮(zhèn)，寨后村、過坂村、洪塘村、山邊村，測區(qū)以居民地為主，人口較密集，地貌以平地為主。以過坂村楊厝、后坑社作為具體案例進(jìn)行分析，共獲取了約0.97 平方公里的影像數(shù)據(jù)。航攝當(dāng)天，風(fēng)力四級左右，光照條件良好。航高約200米，影像分辨率達(dá)到0.1m，航攝過程中的航向重疊度為為70%，旁向重疊度60%。下圖2所示為航攝飛行所獲取的樣張數(shù)據(jù)，從該相片可以看出，影像成像清晰，反差適中，色調(diào)柔和，相點(diǎn)位移小，符合內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理要求[5]。

圖2 低空攝影測量數(shù)據(jù)采集獲取影像樣張

基于區(qū)域網(wǎng)空中三角攝影測量相控點(diǎn)布設(shè)方法在區(qū)域網(wǎng)周邊進(jìn)行布設(shè)相控點(diǎn)。為保證相控點(diǎn)選點(diǎn)要求，采用塑料標(biāo)靶布設(shè)相控點(diǎn)，標(biāo)靶放置于位置開闊、不被陰影遮蔽的平地上。采用網(wǎng)絡(luò)RTK測量方法進(jìn)行測量，并與基站進(jìn)行聯(lián)測，獲取其對應(yīng)的WGS84坐標(biāo)和西安80坐標(biāo)。

基于所獲取的無人機(jī)遙感影像和相控點(diǎn)測量成果采用本文所述的數(shù)據(jù)處理方法，得到相應(yīng)的數(shù)字正射影像、數(shù)字線劃圖。如下圖3所示，分別為生成的正射影像概略圖、以相應(yīng)細(xì)節(jié)的放大圖、數(shù)字線劃圖。

圖3 無人機(jī)低空攝影測量應(yīng)用實(shí)例測繪成果。左圖：數(shù)字正射影像概略圖；右圖上：正射影像細(xì)節(jié)圖；右圖下：細(xì)節(jié)部位數(shù)字線劃圖成果

5 結(jié)果分析

1）質(zhì)量分析。從圖3中可以看出，正射影像的成像清晰，層次豐富，反差適中，色調(diào)柔和，沒有明顯的拼接線痕跡。能夠建立清晰的立體模型，并繪制出相應(yīng)的數(shù)字線劃圖。

2）精度分析。根據(jù)成圖比例尺為1:2000的測量規(guī)范要求，基本定向點(diǎn)平面坐標(biāo)殘差和地物點(diǎn)平面位置中誤差不應(yīng)大于下表1的規(guī)定。

表1 成圖比例尺為1:2000 數(shù)字正射影像基本定向點(diǎn)殘差和平面位置中誤差

在本測區(qū)均勻布設(shè)了8個(gè)相控點(diǎn)，控制點(diǎn)的平面位置中誤差如下表2所示。

從表2結(jié)果可知，其測量精度完全符合相應(yīng)的1:2000 數(shù)字正射影像圖和數(shù)字線劃圖規(guī)范要求[5]。

3）效率分析。采用無人機(jī)低空攝影測量，大大縮短了成圖制作周期。以院前村為例，外業(yè)航飛和相控點(diǎn)的布設(shè)時(shí)間只耗費(fèi)了1個(gè)工日，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理和成圖總共只耗費(fèi)了4個(gè)工日，相較于傳統(tǒng)的航空攝影測量和工程測量，大大提高了成圖效率。并且由于自動化程度高，極大程度上節(jié)省了人力物力。

表2 平面控制點(diǎn)誤差精度

6 結(jié)論

隨著新農(nóng)村建設(shè)步伐的加快，農(nóng)村土地信息調(diào)查和規(guī)劃設(shè)計(jì)起著至關(guān)重要的作用。為獲取得到相應(yīng)的測繪成果，無人機(jī)低空攝影測量技術(shù)作為一種有效的技術(shù)手段，對于傳統(tǒng)航空攝影測量和工程測量而言，它具有如下明顯優(yōu)勢∶①作業(yè)效率高，所花費(fèi)的成本低、自動化程度高；②由于體積小方便攜帶、受空域限制小，受氣候和季節(jié)影響小，作業(yè)方式更加靈活機(jī)動；③內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理成果精度高、制作周期短，數(shù)據(jù)成果直觀、準(zhǔn)確。

綜上所述，采用無人機(jī)航測系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理，能為大比例尺土地信息調(diào)查提供測繪數(shù)據(jù)的輸入，同時(shí)滿足土地規(guī)劃設(shè)計(jì)的需求，從而為我國現(xiàn)階段新農(nóng)村建設(shè)提供快速的測繪數(shù)據(jù)更新成果，為農(nóng)村土地資源的合理規(guī)劃利用和管理提供一種可靠的數(shù)據(jù)采集手段和數(shù)據(jù)支持。

[1]徐麗華.基于無人機(jī)航拍遙感影像的新農(nóng)村規(guī)劃研究[J].上海農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2010(3).

[2]吳正鵬.無人機(jī)低空遙感系統(tǒng)在土地復(fù)墾中的應(yīng)用[J].城市勘測，2013（12）:82～88.

[3]張栩然.顧及紋理和形狀特征的無人機(jī)影像中農(nóng)村宅基地提取研究[J].遙感信息，2013(4).

[4]John D Owens，David Luebke，Naga Govindaraju，et al.A Survey ofGeneral-Purpose Computation on Graphics Hardware[J].Computer Graphics.2007.

[5]CH/Z 3003—2010.低空數(shù)字?jǐn)z影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范[S].