無人機(jī)航測技術(shù)在農(nóng)村土地調(diào)查工作底圖制作中的應(yīng)用

畢凱， 黃少林

(1.國家基礎(chǔ)地理信息中心，北京　100083； 2.總參炮兵訓(xùn)練基地，張家口　075000)

無人機(jī)航測技術(shù)在農(nóng)村土地調(diào)查工作底圖制作中的應(yīng)用

畢凱1， 黃少林2

(1.國家基礎(chǔ)地理信息中心，北京100083； 2.總參炮兵訓(xùn)練基地，張家口075000)

摘要：針對農(nóng)村土地調(diào)查工作底圖制作工作的實際需求，提出了將無人機(jī)航測技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)村土地調(diào)查工作底圖生產(chǎn)的方案，分析了無人機(jī)應(yīng)用于農(nóng)村土地調(diào)查工作底圖制作的已有基礎(chǔ)，重點論述了基于無人機(jī)航測技術(shù)的農(nóng)村土地調(diào)查底圖制作的工作流程和需要達(dá)到的技術(shù)要求，可為農(nóng)村宅基地和集體建設(shè)用地確權(quán)登記發(fā)證工作提供新的解決方案。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)； 土地調(diào)查； 工作底圖； 航空攝影； 正射影像圖

0引言

開展農(nóng)村宅基地和集體建設(shè)用地使用權(quán)確權(quán)登記發(fā)證工作的主要任務(wù)是全面查清農(nóng)村范圍內(nèi)包括宅基地、集體建設(shè)用地等每一宗土地的權(quán)屬、位置、界址、面積、用途、地上房屋等建筑物、構(gòu)筑物的基本情況[1]，主要選用國土、測繪等行業(yè)累積的大比例尺(1∶500—1∶2 000)地形圖、正射影像圖或已有地籍圖作為制作工作底圖的基礎(chǔ)圖件[1]。然而，受經(jīng)濟(jì)水平、測繪經(jīng)費投入等的限制，部分農(nóng)村地區(qū)至今沒有大比例尺基礎(chǔ)圖件，這已經(jīng)成為制約農(nóng)村宅基地和集體建設(shè)用地使用權(quán)確權(quán)登記發(fā)證工作的最大障礙。

為了解決土地調(diào)查工作底圖制作時的影像源短缺問題，各地國土和測繪地理信息部門也在積極謀劃，收集滿足1∶500—1∶2 000比例尺工作底圖制作所需的優(yōu)于0.2m分辨率的航空航天遙感影像。對于小范圍大比例尺農(nóng)村土地調(diào)查來說，由于受衛(wèi)星固定軌道、影像分辨率等因素制約，難以快速獲取能滿足于成圖所需的高分辨率影像。近30a來，我國已逐步構(gòu)建起了航空遙感監(jiān)測體系，具有多傳感器、多平臺航空遙感能力，但受空域、天氣、機(jī)場條件、航攝成本等因素限制，航空遙感同樣難以滿足全國農(nóng)村高分辨率遙感數(shù)據(jù)快速獲取的需要。

低空輕小型無人機(jī)遙感系統(tǒng)具有機(jī)動靈活、受天氣影響小、成本低、能獲取高分辨率影像等特點。與衛(wèi)星遙感相比，無人機(jī)獲取影像分辨率高，是滿足小范圍大比例尺調(diào)查底圖制作的理想數(shù)據(jù)源。與有人機(jī)相比，小型無人機(jī)在飛行速度、范圍、條件等方面具有極高的機(jī)動性； 無需專用機(jī)場跑道，起降方便，具有極強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性； 無人機(jī)飛機(jī)購買價格低廉，使用費用便宜，工作效率高，具有極好的經(jīng)濟(jì)性。因此，小型無人機(jī)航攝系統(tǒng)對于農(nóng)村宅基地和集體建設(shè)用地使用權(quán)確權(quán)登記發(fā)證工作具有十分重要的意義[2]。

針對小面積農(nóng)村土地調(diào)查的實際需求，以生產(chǎn)示意工作底圖和正射影像工作底圖為目標(biāo)，本文提出了利用現(xiàn)有無人機(jī)航攝系統(tǒng)進(jìn)行小面積農(nóng)村土地調(diào)查底圖制作的解決方案，重點論述了基于無人機(jī)航測技術(shù)的農(nóng)村土地調(diào)查底圖制作的工藝流程和技術(shù)指標(biāo)，為大規(guī)模開展農(nóng)村土地確權(quán)登記發(fā)證等工作積累經(jīng)驗。

1已有基礎(chǔ)分析

1.1小型無人機(jī)已在多領(lǐng)域廣泛使用

據(jù)科技部不完全統(tǒng)計，僅僅在“十一五”期間，從事測繪遙感工作已備案并在使用的小型無人機(jī)系統(tǒng)近300套，飛行平臺有固定翼無人機(jī)、無人直升機(jī)、旋翼無人機(jī)和無人飛艇等，起飛總重量在30kg以下占據(jù)了裝備總量的87%，使用數(shù)碼相機(jī)作為傳感器的占到了77%，數(shù)百人次參加過各類無人飛機(jī)航攝系統(tǒng)技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)培訓(xùn)班，一個遍布全國的無人機(jī)應(yīng)用隊伍的專業(yè)低空遙感影像獲取服務(wù)網(wǎng)絡(luò)已初步建立。

此外，各地國土、水利、農(nóng)業(yè)、規(guī)劃等部門也相繼裝備了小型無人機(jī)航攝系統(tǒng)，并已在土地整理、水利資源監(jiān)測、農(nóng)業(yè)災(zāi)害評估、城鎮(zhèn)規(guī)劃等方面發(fā)揮了積極作用。

1.2無人機(jī)航測作業(yè)規(guī)范得到推廣使用

2010年底，國家測繪地理信息局相繼發(fā)布了低空無人機(jī)航測作業(yè)內(nèi)、外業(yè)規(guī)范，使得小型無人機(jī)航測技術(shù)得到了快速發(fā)展。特別是《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》、《低空數(shù)字航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》和《低空數(shù)字航空攝影測量外業(yè)規(guī)范》等標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)文件的發(fā)布，進(jìn)一步規(guī)范了無人機(jī)影像獲取、像控測量和數(shù)據(jù)處理等方面的作業(yè)行為。

值得注意的是，無人機(jī)航空規(guī)范改變了數(shù)字航空攝影旋偏角的檢查方法，將旋偏角檢查改為旋角和傾角的分別檢查； 明確了像片控制點航向基線數(shù)跨度和旁向相鄰平面控制點的航線跨度，是輕小型無人機(jī)像控測量等外業(yè)工作的最新指南。

1.3技術(shù)瓶頸不斷突破

近年來，隨著技術(shù)的進(jìn)步和對無人機(jī)研究的深入，小型無人機(jī)航測技術(shù)瓶頸逐步突破。實現(xiàn)了GPS輔助航空攝影，飛行平臺硬件上集成雙頻GPS，在飛行時精確記錄曝光時刻的位置信息，通過事后查分解算，得出每個曝光時刻的攝影中心的X，Y，Z方向的坐標(biāo)，作為帶權(quán)觀測值參與平差計算，以減少攝影測量成圖所需的外業(yè)像控點[3]。各類型手拋無人機(jī)、旋翼無人機(jī)也相繼研制成功并投入使用，特別是手拋起飛傘降回收和垂直起飛降落等無需專業(yè)人員操控的簡單易學(xué)的無人機(jī)的出現(xiàn)，進(jìn)一步降低了小型無人機(jī)的使用難度，使得非專業(yè)人士也能熟練操控?zé)o人機(jī)開展影像獲取工作。

2適用于農(nóng)村土地調(diào)查工作底圖制作的無人機(jī)航攝系統(tǒng)

2.1總體性能

采用輕小型無人機(jī)航攝系統(tǒng)開展農(nóng)村土地調(diào)查需要根據(jù)任務(wù)要求快速規(guī)劃航攝區(qū)域，開展航線設(shè)計，精確計算攝區(qū)內(nèi)的曝光點坐標(biāo)、航攝高度和像控點數(shù)量，據(jù)此估算像控測量、影像處理所需的工期和人員、設(shè)備等的投入。到達(dá)現(xiàn)場后3h內(nèi)完成不小于3km2范圍的影像獲取任務(wù)，包括： 開展優(yōu)于5～20cm分辨率的航空遙感影像獲取，制定像控點布點方案、實施像控測量，開展航攝影像現(xiàn)場質(zhì)量檢查、影像數(shù)據(jù)處理、制圖整飾與輸出等。

2.2系統(tǒng)組成

輕小型無人機(jī)農(nóng)村土地調(diào)查航攝系統(tǒng)由現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、像控測量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、制圖輸出系統(tǒng)和運輸保障車5部分組成(圖1)。其中，現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)針對農(nóng)村地區(qū)小面積范圍，采用無人機(jī)快速獲取航空遙感影像，現(xiàn)場檢查航攝數(shù)據(jù)的質(zhì)量； 像控測量系統(tǒng)實現(xiàn)航攝現(xiàn)場快速像控點觀測與數(shù)據(jù)解算； 數(shù)據(jù)快速處理系統(tǒng)實現(xiàn)影像鑲嵌處理； 制圖輸出系統(tǒng)實現(xiàn)工作底圖的現(xiàn)場制圖整飾與輸出。

圖1輕小型無人機(jī)農(nóng)村土地調(diào)查航攝系統(tǒng)組成圖

Fig.1LightandsmallUAVrurallandsurveyaerialphotogrammetricsystemcompositiondiagram

2.3可形成的主要成果

采用無人機(jī)航攝技術(shù)，獲取滿足成圖分辨率要求的航空遙感影像，通過像控測量、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理和外業(yè)調(diào)繪，形成符合宅基地確權(quán)登記發(fā)證所需的工作底圖。

2.3.1土地調(diào)查示意工作底圖

利用無人機(jī)獲取的高分辨率影像，通過影像快速處理生成高分辨率鑲嵌影像圖，在此基礎(chǔ)上標(biāo)注宅基地的相關(guān)信息，以此作為統(tǒng)計宅基地數(shù)量，計算生產(chǎn)地籍圖的工作量、投入調(diào)查人數(shù)和入戶調(diào)查工期的重要依據(jù)。

2.3.2土地調(diào)查正射影像工作底圖

利用無人機(jī)獲取的高分辨率影像，采用實測控制點或已有地形圖、正射影像圖等作為控制資料，生產(chǎn)正射影像圖。

3工作底圖的制作流程及技術(shù)要求

3.1總體工作流程

接收土地調(diào)查無人機(jī)航攝指令后，基于“天地圖”公眾服務(wù)平臺開展航攝規(guī)劃，基于DEM開展精確航線設(shè)計。選定適合的無人機(jī)飛行平臺開展航空攝影，獲取航攝影像。現(xiàn)場檢查數(shù)據(jù)質(zhì)量，主要包括航攝數(shù)據(jù)覆蓋完整性檢查、重疊度檢查以及影像色彩方面的檢查?，F(xiàn)場處理航攝數(shù)據(jù)，形成攝區(qū)DEM、鑲嵌影像圖，結(jié)合像控測量成果生產(chǎn)攝區(qū)正射影像圖等成果，一方面可利用電子版數(shù)據(jù)成果作為工作底圖開展土地調(diào)查； 另一方面經(jīng)制圖整飾后現(xiàn)場輸出成紙質(zhì)底圖，供現(xiàn)場開展土地調(diào)查使用。無人機(jī)農(nóng)村土地調(diào)查工作底圖制作工作流程見圖2。

圖2　輕小型無人機(jī)農(nóng)村土地調(diào)查工作底圖制作流程

3.2無人機(jī)航空攝影

3.2.1航攝規(guī)劃與設(shè)計

基于“天地圖”在線服務(wù)平臺的無人機(jī)現(xiàn)場航線快速規(guī)劃。在廣域網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，根據(jù)土地調(diào)查地名信息或四至坐標(biāo)等信息，利用遙感影像、地圖和三維數(shù)據(jù)成果快速摸清農(nóng)村土地調(diào)查區(qū)域的基本情況，劃定調(diào)查范圍并導(dǎo)出拐點坐標(biāo)。

結(jié)合90m分辨率數(shù)學(xué)高程模型(digitalelevationmodel,DEM)數(shù)據(jù)信息開發(fā)航攝設(shè)計軟件，根據(jù)地形起伏自動調(diào)整曝光點之間的基線長度，避免產(chǎn)生航攝漏洞； 生成設(shè)計報表，快速了解航攝面積、四至范圍、航攝高度、航線數(shù)、影像數(shù)、總航程等信息，以便合理規(guī)劃航攝時間和數(shù)據(jù)處理時間。

3.2.2影像質(zhì)量檢查

航攝設(shè)計覆蓋范圍與實際覆蓋范圍的快速可視化檢測和基于影像匹配的航攝數(shù)據(jù)重疊度檢測。自動提取和同步顯示機(jī)載記錄的曝光點信息文件經(jīng)緯度信息、攝區(qū)航攝設(shè)計拐點坐標(biāo)信息，必要時加載航攝影像數(shù)據(jù)，可視化檢測航攝覆蓋情況； 提取機(jī)載記錄的曝光點高度信息，計算航帶內(nèi)最大航高差； 利用影像快速匹配算法，統(tǒng)計攝區(qū)航帶內(nèi)與航帶間的最大、最小重疊度等[4]。

3.2.3技術(shù)要求

與傳統(tǒng)航空攝影獲取的影像相比，輕小型無人機(jī)在影像重疊度的保證、影像旋偏角的保持、航線彎曲度的保證等方面還有不小的差距。相比傳統(tǒng)航空攝影在航向和旁向重疊度上的嚴(yán)格的技術(shù)要求，輕小型無人機(jī)主要以保證最高點航向和旁向重疊度，以及攝區(qū)最低點影像分辨率[5]。

1)航向和旁向重疊度保證。在航攝設(shè)計時，可適當(dāng)增加航向和旁向重疊度，航向重疊度一般設(shè)定為70%～80%，保證攝區(qū)地面最高點的航向重疊不小于60%； 旁向重疊度一般設(shè)定為45%～50%，保證攝區(qū)地面最高點的旁向地面重疊不小于30%。

2)影像分辨率保證。滿足1∶500，1∶1 000和1∶2 000比例尺成圖要求時，攝區(qū)地面最低點的分辨率不小于0.05m，0.1m和0.2m。

3)數(shù)碼相機(jī)檢校精度保證。生產(chǎn)正射影像工作底圖時，無人機(jī)搭載的數(shù)碼相機(jī)必須經(jīng)過幾何檢校，檢校精度應(yīng)滿足主點坐標(biāo)中誤差不大于10μm，主距中誤差不大于5μm，經(jīng)過畸變差方程式及測定的系數(shù)值擬合后，殘余畸變差應(yīng)小于0.3個像素[5]。

3.3基于無人機(jī)影像的像控測量

3.3.1布點方案

無人機(jī)像控測量與傳統(tǒng)航空攝影像控測量的最大不同之處在于像控點的布設(shè)方案存在差異。其重要的環(huán)節(jié)是計算像片控制點航向基線數(shù)跨度和旁向相鄰平面控制點的航線跨度，航向基線跨度的計算見公式(1)和(2)[6]，即

(1)

(2)

式中： ms為連接點(空三加密點)的平面中誤差； mh為連接點(空三加密點)的高程中誤差； K為像片放大成圖的倍數(shù)； H為相對航高； b為像片基線長度； mq為視差量測的單位權(quán)中誤差； n為航線方向相鄰平高控制點的間隔基線數(shù)。

與傳統(tǒng)航空攝影的像控測量工作相比，其不同之處在于：① 正確選擇像片放大成圖倍數(shù)，根據(jù)相關(guān)理論，像片放大成圖的倍數(shù)為0.1mm/單像元尺寸[7]。②正確選擇與地面分辨率和像點量測精度密切相關(guān)的視差量測單位權(quán)中誤差，傳統(tǒng)膠片式航空攝影按照0.02mm取值，這在數(shù)碼航攝中不再適用； 通過統(tǒng)計，無人機(jī)數(shù)碼航空攝影視差量測的單位權(quán)中視差一般設(shè)定為1/3～2/3像元。③在顧及高程精度影響時，1∶500，1∶1 000和1∶2 000比例尺像控測量高程控制點旁向間隔航線條數(shù)為零，即每條航線必須布點。

3.3.2技術(shù)要求

在像控點精度方面，針對農(nóng)村地區(qū)土地確權(quán)登記發(fā)證工作實際，實測點相對鄰近國家等級控制點的點位平面位置誤差不大于0.01m； 高程誤差不大于0.1m，困難地區(qū)可放寬1倍[6]。

3.4無人機(jī)影像數(shù)據(jù)處理

3.4.1示意工作底圖生產(chǎn)

利用無人機(jī)獲取的高分辨率影像，在無需控制資料情況下，通過影像快速處理生成高分辨率鑲嵌影像圖，在此基礎(chǔ)上標(biāo)注宅基地的相關(guān)信息，以此作為統(tǒng)計宅基地數(shù)量，計算生產(chǎn)地籍圖的工作量、投入調(diào)查人數(shù)和入戶調(diào)查工期的重要參考依據(jù)。

3.4.2正射影像圖生產(chǎn)

基于無人機(jī)遙感影像的正射影像底圖制作的重點是生產(chǎn)數(shù)字正射影像，這與傳統(tǒng)航空影像制作正射影像的步驟基本相同。所不同的是，在空三加密環(huán)節(jié)，可實現(xiàn)并行處理，以提高效率。在DEM制作環(huán)節(jié)，可利用高精度空三成果進(jìn)行全自動密集匹配，生成高密度、高精度的數(shù)字表面模型(digitalsurfacemodel,DSM)，再進(jìn)行濾波處理即可得到高精度的DEM，生產(chǎn)過程可采用高性能刀片機(jī)進(jìn)行分布式處理，無需人工采集特征線。在數(shù)字正攝影像(digitalorthophotomap,DOM)制作環(huán)節(jié)，勻光勻色和智能鑲嵌實現(xiàn)并行處理，提高了工作效率。

3.4.3技術(shù)要求

示意工作底圖滿足影像幾何和色彩的相關(guān)要求。在幾何精度方面，雖不強(qiáng)求高精度，但需要保證對地物識別，尤其是對建筑物的識別精度能滿足任務(wù)要求； 影像細(xì)節(jié)方面，要求紋理清晰、層次豐富、無明顯失真，道路、水系、建筑物等重要地物無鑲嵌拼接痕跡，房屋邊線無變形，房屋與房屋、地塊與地塊之間能清晰辨別； 在灰度分布和色彩方面，需要保證影像色調(diào)均勻一致、整體反差適中，無明顯的色彩拼接痕跡，灰度直方圖呈正態(tài)分布。

利用無人機(jī)遙感影像制作的正射影像工作底圖的平面位置中誤差不大于圖上6mm，與相鄰影像圖接邊誤差不大于2個像素[8]。

4結(jié)論

1)利用無人機(jī)航測技術(shù)生產(chǎn)土地調(diào)查工作底圖具有實地調(diào)查不可比擬的優(yōu)勢。一是清晰直觀，外業(yè)調(diào)查人員能更加準(zhǔn)確地判別地類及邊界； 二是在底圖上標(biāo)注權(quán)屬，大大節(jié)省了草圖的繪制時間，提高了外業(yè)調(diào)查的工作效率。

2)利用無人機(jī)航測技術(shù)生產(chǎn)土地調(diào)查工作底圖，不僅為核算外業(yè)界址點測量和權(quán)屬調(diào)查工作量的提供了重要依據(jù)，獲取的農(nóng)村地區(qū)影像亦能作為基礎(chǔ)資料保存，必要時可將其作為新農(nóng)村建設(shè)、村鎮(zhèn)規(guī)劃、應(yīng)急測繪保障工作等的重要基礎(chǔ)圖件。

3)隨著無人機(jī)航測技術(shù)的發(fā)展，集成RTK或高精度POS系統(tǒng)的無人機(jī)可在無需或僅需極少量實測的地面控制點的情況下快速制作正射影像工作底圖，這將進(jìn)一步提高農(nóng)村土地調(diào)查的工作效率。

4)利用無人機(jī)航測技術(shù)生產(chǎn)土地調(diào)查工作底圖不僅是解決無資料地區(qū)農(nóng)村集體土地所有權(quán)確權(quán)登記發(fā)證工作的有效手段，亦能在有關(guān)地區(qū)的不動產(chǎn)登記、土地利用快速執(zhí)法監(jiān)測、生態(tài)保護(hù)與環(huán)境監(jiān)測、礦產(chǎn)資源開展與利用監(jiān)測等方面發(fā)揮積極作用。

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NationalAdministrationofSurveyingMappingandGeoinformationofChina.CH/T9008.3—2010Digitalproductsoffundamentalgeographicinformation1∶500,1∶1000,1∶2000digitalorhophotomaps[S].Beijing:ThePublishingHouseofSurveyingandMapping,2010.

(責(zé)任編輯： 李瑜)

ApplicationofUAVaerophotogrammetrytobase-mapproductioninrurallandsurvey

BIKai1，HUANGShaolin2

(1. National Geomatics Center of China, Beijing 100830, China；2. Artillery Training Base of General Staff, Zhangjiakou 075000, China )

Abstract:According to the actual demand of rural land survey base-map production, this paper puts forward the scheme of the application of UAV aerophotogrammetry to rural land survey base-map production, and analyzes the existing basis, with the emphasis placed on the base-map production process and the technical requirements that have to be attained on the basis of UAV Aerophotogrammetry. What the authors propose provides a new solution for the land ownership registration work in data-absent rural area.

Keywords:UAV; land survey; base-map; aerial photography; DOM

doi:10.6046/gtzyyg.2016.02.23

收稿日期：2015-01-08；

修訂日期：2015-04-12

基金項目：測繪地理信息公益性行業(yè)科研專項“應(yīng)急測繪低空無人機(jī)遙感關(guān)鍵技術(shù)與裝備”(編號： 201412019)。

中圖法分類號：TP 79

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-070X(2016)02-0149-05

第一作者簡介：畢凱(1981-)，男，碩士，工程師，主要從事低空數(shù)碼遙感系統(tǒng)集成應(yīng)用方面的研究。E-mail： 24677958@qq.com。

引用格式： 畢凱，黃少林.無人機(jī)航測技術(shù)在農(nóng)村土地調(diào)查工作底圖制作中的應(yīng)用[J].國土資源遙感,2016,28(2):149-153.(BiK,HuangSL.ApplicationofUAVaerophotogrammetrytobase-mapproductioninrurallandsurvey[J].RemoteSensingforLandandResources,2016,28(2)：149-153.)