低空多旋翼無(wú)人機(jī)航測(cè)在秀美鄉(xiāng)村規(guī)劃建設(shè)中的應(yīng)用

陳竹安,施陳敬,馮祥瑞，黎宏濤

(1. 東華理工大學(xué)測(cè)繪工程學(xué)院，江西 南昌 330013； 2. 江西省數(shù)字國(guó)土重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330013)

村莊是人類(lèi)歷史發(fā)展進(jìn)程中的一種聚落形式，是農(nóng)村居民生活和生產(chǎn)的聚居點(diǎn)。在村莊建設(shè)過(guò)程中，規(guī)劃是做好村莊各項(xiàng)建設(shè)工作的基礎(chǔ)，是村莊各項(xiàng)建設(shè)管理工作的基本依據(jù)。規(guī)劃測(cè)量在秀美鄉(xiāng)村建設(shè)中的前期工作中是必不可少的一部分。但是根據(jù)我國(guó)農(nóng)村實(shí)際情況，大部分村莊由于缺乏合理的規(guī)劃，存在農(nóng)民建房選址散亂，村內(nèi)道路狹窄曲折，地物復(fù)雜多樣及通視條件差等問(wèn)題，且我國(guó)邊遠(yuǎn)地區(qū)農(nóng)村地形起伏大，給測(cè)量工作帶來(lái)了很大的困難，同時(shí)更加不利于傳統(tǒng)測(cè)繪工具進(jìn)行秀美鄉(xiāng)村建設(shè)規(guī)劃的控制測(cè)量工作[1- 2]。

目前，秀美鄉(xiāng)村建設(shè)工作已經(jīng)在全國(guó)范圍內(nèi)展開(kāi)，針對(duì)上述測(cè)量問(wèn)題，傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)如全站儀、RTK因效率問(wèn)題已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足其需求，而如何進(jìn)行高效率的規(guī)劃測(cè)量工作則成為本研究的重點(diǎn)。近些年來(lái)，無(wú)人機(jī)憑借其高精度、靈活便捷、時(shí)效性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，迅速成為傳統(tǒng)測(cè)繪手段的低成本替代品[3]。無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量系統(tǒng)以無(wú)人駕駛飛行器為作業(yè)平臺(tái)，以高分辨率數(shù)字遙感儀器為作業(yè)設(shè)備，以獲取低空高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)為作業(yè)目標(biāo)，對(duì)預(yù)測(cè)量區(qū)域進(jìn)行有規(guī)劃的重疊式拍攝作業(yè)[4]。然后對(duì)無(wú)人機(jī)拍攝的數(shù)字化影像進(jìn)行自動(dòng)或半自動(dòng)重疊匹配以及空中三角測(cè)量等處理，利用重疊像片中具有同名特征的冗余觀測(cè)值進(jìn)行剔除，最終提取地物參數(shù)制作正射影像、建立數(shù)字高程模型，主要應(yīng)用于地理基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的快速獲取以及處理[5]。無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量技術(shù)在小區(qū)域基礎(chǔ)地形測(cè)繪中不僅滿(mǎn)足比例尺為1∶1000的精度要求，同時(shí)如何自動(dòng)提取高分辨率無(wú)人機(jī)正射圖中的基礎(chǔ)地物信息也是當(dāng)前研究熱點(diǎn)，而且無(wú)人機(jī)具有機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、高效率、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)[6- 10]。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究選取江西省鄱陽(yáng)縣饒豐鎮(zhèn)喬一村進(jìn)行航測(cè)規(guī)劃，喬一村位于江西省鄱陽(yáng)縣東南部，饒豐鎮(zhèn)西南部，毗鄰樂(lè)安江，緊挨喬木灣大橋，距離鄱陽(yáng)縣城20 km，地理位置優(yōu)越，村莊面積為283 102 m2，村內(nèi)主要經(jīng)濟(jì)來(lái)源以務(wù)農(nóng)為主。

1.2 數(shù)據(jù)獲取及處理

1.2.1 地面像控點(diǎn)及檢驗(yàn)點(diǎn)測(cè)量

在無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量技術(shù)中，控制點(diǎn)測(cè)量是其重要組成部分。研究選擇GPS對(duì)研究區(qū)控制點(diǎn)進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，為了保證研究的精度，參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《1∶500、1∶1000、1∶2000地形圖航空攝影測(cè)量外業(yè)規(guī)范》(GB/7391—2008)，控制點(diǎn)位置均勻分布在研究區(qū)域內(nèi)，外業(yè)控制點(diǎn)的布點(diǎn)方案采用區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)方法[11- 12]。本研究布設(shè)KZ1、KZ2、KZ3、KZ4、KZ5共5個(gè)地面控制點(diǎn)作為像控點(diǎn)，作為無(wú)人機(jī)影像處理時(shí)的矯正點(diǎn)，同時(shí)又布設(shè)JY1、JY2、JY3、JY4、JY5、JY6共6個(gè)點(diǎn)作為檢驗(yàn)點(diǎn)，對(duì)無(wú)人機(jī)影像處理成果進(jìn)行精度驗(yàn)證。無(wú)人機(jī)航拍控制點(diǎn)及檢驗(yàn)點(diǎn)分布位置如圖1所示，地面控制點(diǎn)測(cè)量采用高斯- 克呂格投影，2000國(guó)家大地坐標(biāo)系，像控點(diǎn)坐標(biāo)見(jiàn)表1，檢驗(yàn)點(diǎn)坐標(biāo)見(jiàn)表2。

像控點(diǎn)編號(hào)XYZKZ13200510.312476659.46313.612KZ23200651.830476549.86713.028KZ33200614.362476431.25813.588KZ43200747.616476160.81212.759KZ53200565.153476617.09211.81

表2 實(shí)測(cè)檢驗(yàn)點(diǎn)坐標(biāo)及模型檢驗(yàn)點(diǎn)坐標(biāo) m

1.2.2 無(wú)人機(jī)航拍影像圖獲取

本研究選擇大疆Phantom 4 PRO無(wú)人機(jī)，利用無(wú)人機(jī)低空攝影技術(shù)對(duì)喬一村進(jìn)行攝影測(cè)量。該無(wú)人機(jī)配備有20 mm(35 mm格式等效)低畸變廣角相機(jī)和高精度防抖云臺(tái)以及2000萬(wàn)像素圖像傳感器，可拍攝的照片格式為JPEG、RAW及JPEG+RAW格式；最大飛行速度為20 m/s，續(xù)航時(shí)間約為30 min。本次攝影測(cè)量獲取無(wú)人機(jī)遙感影像95張，其航向重疊率為80%，旁向重疊率為70%，無(wú)人機(jī)作業(yè)時(shí)，天氣情況良好，微風(fēng)。

1.2.3 無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)處理

Pix4DMapper是一款專(zhuān)業(yè)精度的無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)和航空影像處理軟件，在極少人工干預(yù)的情況下可將數(shù)千張影像快速、準(zhǔn)確地完成遙感影像成果制作，同時(shí)生成精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)成果精度報(bào)告。在Pix4DMapper軟件中導(dǎo)入JPG格式的航片及像控點(diǎn)坐標(biāo)，該軟件可自動(dòng)識(shí)別航片中的數(shù)據(jù)信息，并讀取與航片數(shù)據(jù)文件名相對(duì)應(yīng)的POS數(shù)據(jù)文本文件。在設(shè)置像片的匹配方式、特征點(diǎn)的提取參數(shù)、生成產(chǎn)品的規(guī)格、等高線(xiàn)的參數(shù)后，Pix4DMapper軟件會(huì)自動(dòng)對(duì)無(wú)人機(jī)遙感影像進(jìn)行處理，生成測(cè)區(qū)的正射影像圖(DOM)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)、數(shù)字表面模型(DSM)及數(shù)字地面模型DTM數(shù)據(jù)等成果。無(wú)人機(jī)影像處理的具體流程如圖2所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 無(wú)人機(jī)影像拼接成果

將在Pix4DMapper軟件中自動(dòng)生成的DOM數(shù)據(jù)添加至ArcGIS中，新建shape file文件，勾繪研究區(qū)邊界，并在此基礎(chǔ)上對(duì)成果數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪，保存為JPG格式輸出，喬一村正射影像圖如圖3所示。

2.2 精度檢驗(yàn)

遙感影像成果精度檢驗(yàn)是無(wú)人機(jī)低空攝影技術(shù)應(yīng)用必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)，文獻(xiàn)[13—15]的研究表明，不加控制點(diǎn)時(shí)成圖誤差極大，高程誤差可達(dá)米級(jí)，加入像控點(diǎn)坐標(biāo)之后進(jìn)行處理，成果誤差可穩(wěn)定在分米甚至厘米級(jí)。為對(duì)無(wú)人機(jī)影像成果進(jìn)行精度檢驗(yàn)，利用RTK在地表露出良好，具有明顯標(biāo)識(shí)特征區(qū)域測(cè)出的6個(gè)控制點(diǎn)坐標(biāo)作為檢驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行精度驗(yàn)證，RTK測(cè)出的坐標(biāo)結(jié)果均為固定解，誤差可保證在5 cm以下。

以ArcGIS軟件為平臺(tái)，將6個(gè)檢驗(yàn)點(diǎn)在生成的正射圖成果中刺出，在DOM中提取相對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)值，然后在數(shù)字表面模型(DSM)上提取相對(duì)應(yīng)點(diǎn)的高程，實(shí)測(cè)檢驗(yàn)點(diǎn)與提取的模型檢驗(yàn)點(diǎn)見(jiàn)表2。將RTK實(shí)地測(cè)出的成果作為真值，提取的坐標(biāo)值及高程作為測(cè)量值，將測(cè)量值與真值進(jìn)行比較，并分別計(jì)算出X、Y和Z這3個(gè)方向的均方根差(RMSE)，其計(jì)算公式為

(1)

式中，Ti表示在正射影像圖中提取的測(cè)量值；ti表示GPS的實(shí)測(cè)值；n表示進(jìn)行誤差計(jì)算的點(diǎn)數(shù)。

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析得，平面X方向最大誤差為0.150 m，最小誤差為0.032 m，均方根差為0.009 m；在平面Y方向最大誤差為0.135 m，最小誤差為0.035 m，均方根差為0.007 m；高程最大誤差為0.141 m，最小誤差為0.048 m，均方根差為0.008 m；滿(mǎn)足數(shù)字航空測(cè)量規(guī)范1∶1000比例尺和基礎(chǔ)地理信息成果1∶2000數(shù)字化成果的限差要求。綜上所述，無(wú)人機(jī)航空測(cè)量數(shù)據(jù)精度滿(mǎn)足新農(nóng)村規(guī)劃測(cè)量的需要，而且拼接后的正射影像能夠較好地顯示水系、道路、居民地、管線(xiàn)、植被、地貌土質(zhì)等基礎(chǔ)地物信息，對(duì)于后期的秀美鄉(xiāng)村規(guī)劃建設(shè)都具有良好的輔助作用。

2.3 正射圖矢量化

數(shù)字線(xiàn)劃地圖(DLG)是同現(xiàn)有線(xiàn)劃保持基本一致的各地圖要素的矢量數(shù)據(jù)集，是秀美鄉(xiāng)村建設(shè)規(guī)劃的基礎(chǔ)資料之一。經(jīng)過(guò)精度檢驗(yàn)，證明無(wú)人機(jī)影像成果完全滿(mǎn)足地形圖測(cè)量的精度要求，因此可將在點(diǎn)云數(shù)據(jù)上采集的高程值及利用RTK實(shí)測(cè)的重要地物高程值展開(kāi)到需繪制的數(shù)字線(xiàn)劃圖上去。將Pix4D Mapper處理生成的喬一村正射影像加載到繪圖軟件中，利用軟件的測(cè)圖工具及實(shí)地調(diào)查，并輔以正射圖顯示的地理信息繪制喬一村地理信息現(xiàn)狀圖，借用相機(jī)等工具對(duì)規(guī)劃區(qū)進(jìn)行攝影，并標(biāo)注在相對(duì)應(yīng)的位置，以方便為后期規(guī)劃工作提供參考，喬一村現(xiàn)狀圖如圖4所示。

3 成果應(yīng)用

3.1 喬一村現(xiàn)存的問(wèn)題

從無(wú)人機(jī)正射圖及實(shí)地調(diào)查可知，喬一村以3層民居住宅為主，由于該村莊前期建設(shè)缺少規(guī)劃，村莊建設(shè)布局散亂，村內(nèi)存在部分空置地，導(dǎo)致居住用地的浪費(fèi)；村莊內(nèi)部存在“臟、亂、差”等問(wèn)題，例如村內(nèi)無(wú)垃圾點(diǎn)，導(dǎo)致垃圾亂倒、污水亂排且無(wú)人清理；村莊內(nèi)的基礎(chǔ)設(shè)施和服務(wù)設(shè)施等配套建設(shè)滯后，例如村內(nèi)無(wú)路燈，缺少村民娛樂(lè)健身場(chǎng)所。

3.2 喬一村具體規(guī)劃設(shè)計(jì)

根據(jù)《中華人民共和國(guó)城鄉(xiāng)規(guī)劃法》，基于CAD軟件，以“整潔美麗、和諧宜居”為目標(biāo)，以該村莊實(shí)際情況為基礎(chǔ)，在尊重村民意愿，體現(xiàn)該村莊特色的前提下，對(duì)村莊進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)[15]。主要建設(shè)項(xiàng)目包括：村內(nèi)主要道路硬化、水塘治理、村莊綠化、路燈安裝、垃圾點(diǎn)建設(shè)、排水溝整治、戲臺(tái)及文化活動(dòng)中心修建等，喬一村具體規(guī)劃平面圖如圖5所示。

在平面規(guī)劃圖的基礎(chǔ)上，利用SketchUp及PhotoShop等相關(guān)規(guī)劃軟件制作出各個(gè)規(guī)劃區(qū)的模型及村莊整體規(guī)劃鳥(niǎo)瞰圖，可為后期村莊建設(shè)施工提供數(shù)據(jù)支持，同時(shí)可用于村莊建設(shè)完成后的驗(yàn)收工作。以村內(nèi)排水溝規(guī)劃及村內(nèi)空地為例進(jìn)行模型制作并進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)以下研究成果可以直觀地看出其規(guī)劃效果。喬一村整體規(guī)劃鳥(niǎo)瞰圖如圖6所示，喬一村排水溝現(xiàn)狀圖及排水溝規(guī)劃透視圖分別如圖7、圖8所示。

本研究基于無(wú)人機(jī)正射圖進(jìn)行秀美鄉(xiāng)村規(guī)劃建設(shè)，與傳統(tǒng)測(cè)量方法相比，無(wú)人機(jī)正射圖提供的成果更加全面，對(duì)地物的采集更加細(xì)致，同時(shí)可在正射圖及平面規(guī)劃圖的基礎(chǔ)上建立實(shí)景三維模型?；趯?shí)景三維進(jìn)行規(guī)劃更加直觀和真實(shí)；直接在三維模型上進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，減少外業(yè)踏勘工作量，改善作業(yè)環(huán)境；實(shí)景三維模型能夠有效彌補(bǔ)平面規(guī)劃圖紙?jiān)诳臻g結(jié)構(gòu)考慮上的不足，使空間問(wèn)題在設(shè)計(jì)階段就凸現(xiàn)出來(lái)，這也在最大限度上保證了規(guī)劃設(shè)計(jì)的成功；實(shí)景三維模型和傳統(tǒng)平面規(guī)劃圖相比，實(shí)景三維規(guī)劃圖更能為大部分人了解，能夠直觀有效地在專(zhuān)業(yè)人士和非專(zhuān)業(yè)人士之間架起溝通的橋梁，更加方便各職能部門(mén)收錄群眾意見(jiàn)。

4 結(jié) 論

本研究利用大疆Phantom 4 Pro無(wú)人機(jī)獲取喬一村的高分辨率低空遙感影像圖，以Pix4DMapper軟件為平臺(tái)，獲取測(cè)繪區(qū)的高精度正射圖，并在此基礎(chǔ)上對(duì)喬一村進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)。研究結(jié)果表明：無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量方法具有精度高、效率高且成本低等優(yōu)點(diǎn)，針對(duì)地形復(fù)雜的山村，可大大減少人力、物力消耗，節(jié)約時(shí)間成本，并且能較好地顯示規(guī)劃區(qū)基礎(chǔ)地物信息，方便于制作規(guī)劃區(qū)后期效果圖，為規(guī)劃區(qū)后期建設(shè)提供模板。同時(shí)基于正射圖及村莊鳥(niǎo)瞰圖，讓村民對(duì)村莊認(rèn)識(shí)更加直觀，更加方便收錄村民對(duì)村莊的建設(shè)意見(jiàn)。目前我國(guó)秀美鄉(xiāng)村建設(shè)工作已全面鋪開(kāi)，此方法可以大規(guī)模推廣，以推動(dòng)我國(guó)農(nóng)村現(xiàn)代化建設(shè)，同時(shí)也可以定期采集規(guī)劃區(qū)數(shù)據(jù)，對(duì)已建設(shè)完成的村莊進(jìn)行竣工驗(yàn)收及管理。因?yàn)闊o(wú)人機(jī)常用于低空攝影測(cè)量，受到云團(tuán)影響較小，但受天氣因素影響較大，測(cè)量時(shí)應(yīng)密切注意天氣狀況。目前無(wú)人機(jī)管控工作不夠完善，有關(guān)部門(mén)應(yīng)加強(qiáng)管理，以實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量技術(shù)在農(nóng)村現(xiàn)代化建設(shè)中的應(yīng)用推廣。