航拍制作正射影像圖用于油田規(guī)劃用地實(shí)踐研究

董錦輝

大慶油田有限責(zé)任公司土地資源管理部

大慶油田是世界上為數(shù)不多的特大型砂巖油田之一,經(jīng)過近60余年的開發(fā)建設(shè),具有使用權(quán)的土地面積己經(jīng)達(dá)到1 317.01 km2(相當(dāng)于1.2個(gè)香港土地面積).大慶油田土地分布在黑龍江、吉林、遼寧等11個(gè)省(自治區(qū)、直轄市),土地總量占中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司土地總量的1/3,在大慶市區(qū)土地面積為946.53 km2,為大慶市區(qū)國(guó)有土地的1/5.油田產(chǎn)能建設(shè)征用土地以平均6 km2/a的增量在持續(xù)增長(zhǎng),如此大規(guī)模的存量土地為大慶油田持續(xù)保持油氣當(dāng)量4000X104t高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)提供了強(qiáng)有力保障,但也給企業(yè)土地管理工作提出更高的要求.

航空攝影測(cè)量技術(shù)是指通過飛機(jī)上用的航空測(cè)量?jī)x器對(duì)地貌、地形進(jìn)行連拍,并且要在完成相關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí),結(jié)合地面控制點(diǎn)的測(cè)量,其基本原理是投影過程中的幾何翻轉(zhuǎn)[1].大慶油田推進(jìn)石油滾動(dòng)開發(fā),為國(guó)家貢獻(xiàn)能源,傳統(tǒng)的土地管理手段無法滿足土地信息及時(shí)更新的要求.將航空攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于油田土地管理工作中,一方面可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)調(diào)查手段的不足,另一方面為土地科學(xué)管理提供了新的途徑與技術(shù)支持.

1 項(xiàng)目概況

大慶油田土地來源復(fù)雜多樣,主要呈"耳"狀集中分布在大慶市讓胡路、薩爾圖、紅崗三個(gè)行政區(qū),外圍主要為油田滾動(dòng)開發(fā)逐年征用的土地,點(diǎn)多、線長(zhǎng)、面廣,離散分布.2016年大慶油田土地資源管理部對(duì)大慶油田主產(chǎn)能區(qū)實(shí)施了土地航拍制作正攝影像圖項(xiàng)目,航攝范圍涵蓋采油一廠至采油八廠,按照成果精度劃分為2個(gè)項(xiàng)目區(qū)(圖1).項(xiàng)目區(qū)Ⅰ:成圖比例尺1∶500,主要為82萬畝、20萬畝主力油區(qū)用地,北起82萬畝界線北端,南至杏六路,設(shè)計(jì)面積800 km2;項(xiàng)目區(qū)Ⅱ:成圖比例尺1∶2 000,主要為外圍油田,范圍北起杏六路、南至庫里泡,包含采油五廠、采油七廠、采油八廠,面積約900 km2.

圖1 項(xiàng)目測(cè)區(qū)范圍Fig.1 Range of project surveying area

2 正攝影像圖的生產(chǎn)

數(shù)字正射影像圖(Digital Orthophoto Map)是利用數(shù)字高程模型對(duì)數(shù)字化的相片,經(jīng)逐像元進(jìn)行糾正,再進(jìn)行影像鑲嵌,根據(jù)成圖要求圖幅范圍裁切生成的影像數(shù)據(jù).影像地圖把遙感圖像和線劃地形圖兩者的優(yōu)點(diǎn)綜合起來,既包含了遙感圖像豐富的內(nèi)容信息,又保證了地形圖幾何精度[2].正攝影像圖生產(chǎn)流程如圖2所示.

2.1 航空數(shù)字?jǐn)z影

航攝飛機(jī)選用運(yùn)5型飛機(jī),起降機(jī)場(chǎng)選在肇東機(jī)場(chǎng);相機(jī)選用UCXp_WA型框幅式數(shù)碼航攝儀,UCXp_WA獲取影像幅面大、分辨率高、成像效果好;航攝季節(jié)選在春末夏初,油田產(chǎn)能區(qū)地勢(shì)平坦,高大建構(gòu)筑物很少,不會(huì)出現(xiàn)過大的陰影,主要考慮植被色彩和呈現(xiàn)度.

項(xiàng)目區(qū)Ⅰ航攝比例尺大,測(cè)區(qū)東西窄南北長(zhǎng),航線按平行于測(cè)區(qū)長(zhǎng)軸方向敷設(shè),以提高飛機(jī)的飛行效率;項(xiàng)目區(qū)Ⅱ航攝比例尺小,航線條數(shù)少,按東-西方向敷設(shè);項(xiàng)目區(qū)Ⅱ2019號(hào)航線以南約176 km2區(qū)域采用無人機(jī)航空攝影,航線按東-西方向敷設(shè),無人機(jī)攝影地面分辨率設(shè)定為17 cm.測(cè)區(qū)共飛行88條航線,航線總長(zhǎng)2 311 km,獲取地面真彩色數(shù)字像片9 158張.航攝技術(shù)參數(shù)見表1.

表1 航攝技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of aerial photogrammetry

圖2 正射影像圖生產(chǎn)流程Fig.2 Productive flow of ortho-photo map

2.2 像片控制測(cè)量

由于像片控制點(diǎn)的精度很重要,是內(nèi)業(yè)大地定向的基礎(chǔ),點(diǎn)位的好壞及精度的高低直接影響內(nèi)業(yè)成圖的精度[3].本項(xiàng)目采用POS輔助空中三角測(cè)量,在UltraCam-Xp WA大幅面廣角數(shù)字航攝儀上裝載DGPS和IMU,POS系統(tǒng)是高精度定位定向系統(tǒng),集差分全球定位系統(tǒng)(DGPS)技術(shù)和慣性導(dǎo)航技術(shù)于一體,可以獲取運(yùn)動(dòng)載體的空間位置和三軸姿態(tài)信息,也就是獲取瞬時(shí)攝影像片的空間位置和三軸姿態(tài)信息.將POS系統(tǒng)和航攝儀集成在一起的航空攝影(POS輔助航攝),通過GPS載波相位差分定位獲取航攝儀的位置參數(shù)及慣性測(cè)量單元IMU測(cè)定航攝儀的姿態(tài)參數(shù),經(jīng)IMU、DGPS數(shù)據(jù)的聯(lián)合后處理,可直接獲得測(cè)圖所需的每張像片的6個(gè)外方位元素,簡(jiǎn)化了航測(cè)作業(yè)工序[4].就地面控制而言,常規(guī)光束法區(qū)域網(wǎng)平差的精度主要取決于地面控制點(diǎn)的分布與間距,區(qū)域越大所需的地面控制點(diǎn)越多,GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差和POS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差只需在區(qū)域網(wǎng)的四角布設(shè)4個(gè)平高地面控制點(diǎn)[5].與常規(guī)空三加密相比,POS輔助空三加密能夠大大減少外業(yè)控制點(diǎn)數(shù)量,縮短作業(yè)周期,提高生產(chǎn)效率,降低作業(yè)成本.

基于數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)的自動(dòng)空三加密,可極大地提高控制點(diǎn)間的基線數(shù)量[6],本項(xiàng)目沿航線布設(shè)像控點(diǎn),點(diǎn)間航向間距12條基線,區(qū)域網(wǎng)周邊不規(guī)則的凸凹處加布像控點(diǎn),四角采用雙點(diǎn)布設(shè),共布設(shè)像片控制點(diǎn)879個(gè),POS系統(tǒng)基準(zhǔn)站和像片控制點(diǎn)坐標(biāo)采集均利用大慶市規(guī)劃局連續(xù)運(yùn)行參考站(CORS)系統(tǒng),通過裁取局部影像數(shù)據(jù)、標(biāo)注刺點(diǎn)位置和實(shí)地拍攝照片的方式制作點(diǎn)之記.像控點(diǎn)布點(diǎn)如圖3所示.

圖3 像控點(diǎn)布點(diǎn)略圖Fig.3 Diagram of image control point position

2.3 空中三角測(cè)量

POS輔助空中三角測(cè)量可準(zhǔn)確獲取航片外方位元素( )

XS,YS,ZS,φ,ω,k ,利用連續(xù)攝取的具有一定重疊的航攝像片,依據(jù)少量野外控制點(diǎn),以攝影測(cè)量方法建立同實(shí)地相應(yīng)的航線模型或區(qū)域網(wǎng)模型,在室內(nèi)進(jìn)行控制點(diǎn)加密,從而獲取加密點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程.

2.3.1 加密區(qū)域網(wǎng)劃分

加密區(qū)域網(wǎng)可根據(jù)像控點(diǎn)的分布、地形條件及軟件處理能力、計(jì)算機(jī)性能等情況靈活劃分,但不應(yīng)劃分得過于零碎,各區(qū)域網(wǎng)間應(yīng)有一定數(shù)量的公共點(diǎn)進(jìn)行接邊,項(xiàng)目區(qū)Ⅰ空三加密共分9個(gè)區(qū)域網(wǎng),項(xiàng)目區(qū)Ⅱ空三加密共分4個(gè)區(qū)域網(wǎng)(其中有人機(jī)2個(gè)分區(qū),無人機(jī)2個(gè)分區(qū)).加密分區(qū)示意圖如圖4所示.

圖4 加密分區(qū)示意圖Fig.4 Diagram of encryption partition

2.3.2 空中三角測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

使用GodWork-AT空中三角測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行空三加密,平差方法采用PATB光束法區(qū)域網(wǎng)平差,光束法解析空中三角測(cè)量是最嚴(yán)密的一種平差方法,能最方便地顧及影像系統(tǒng)誤差的影響,便于引入非攝影測(cè)量附加觀測(cè)值[7],其工作流程如圖5所示.

在GodWork-AT中導(dǎo)入影像數(shù)據(jù),建立金字塔影像,導(dǎo)入影像曝光點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)、像片外方位元素、數(shù)碼相機(jī)參數(shù)和控制點(diǎn)成果,通過自動(dòng)匹配相關(guān)影像產(chǎn)生自動(dòng)匹配點(diǎn),對(duì)于點(diǎn)位不足區(qū)域,人工進(jìn)行添加加密點(diǎn).在像片上量測(cè)外業(yè)控制點(diǎn),通過PATB光束法平差后,輸出加密成果.

圖5 空三加密工作流程Fig.5 Workflow of aerial triangulation encryption

項(xiàng)目區(qū)Ⅰ9個(gè)空三加密區(qū),基本定向點(diǎn)最大中誤差11.1 cm,檢查點(diǎn)最大中誤差11.6 cm,公共點(diǎn)平面中誤差8.2 cm,高程中誤差±6.3 cm;項(xiàng)目區(qū)Ⅱ4個(gè)空三加密區(qū),基本定向點(diǎn)最大中誤差±13.5 cm,檢查點(diǎn)最大中誤差±19.6 cm,公共點(diǎn)平面中誤差±6.5 cm,高程中誤差±1.4 cm,精度均符合要求.

2.4 數(shù)字高程模型(DEM)生成

利用平差后的定向點(diǎn)三維坐標(biāo)文件構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng),通過高程點(diǎn)內(nèi)插,生成初始DEM.然后在空三解算環(huán)境下手工選擇地形地貌特征點(diǎn)、線,二次加密解算,輸出DEM成果,DEM精度符合要求后,按圖幅坐標(biāo)的范圍對(duì)DEM進(jìn)行裁切,坐標(biāo)起始點(diǎn)為左上角坐標(biāo)格網(wǎng)的中心,圖幅內(nèi)像素?cái)?shù)jg項(xiàng)目區(qū)Ⅰ為101X101,項(xiàng)目區(qū)Ⅱ?yàn)?01X401,裁剪后把DEM輸出為 .img格式文件.

2.5 數(shù)字正射影像圖(DOM)制作

航空攝影采用的是中心投影,地形起伏和相片傾斜都會(huì)帶來一系列的投影差,正射影像制作即是通過已結(jié)算得到相片的內(nèi)外方位元素以及高精度的數(shù)字高程模型,逐像元微分糾正重采樣得到平行投影的過程[8].

在GodWork多源地理數(shù)據(jù)綜合處理系統(tǒng)中,將影像數(shù)據(jù)、加密成果導(dǎo)入該系統(tǒng),由系統(tǒng)自動(dòng)完成模型定向,加入DEM數(shù)據(jù),生成單幅正射影像,采用數(shù)學(xué)微分糾正技術(shù)糾正原始影像的幾何變形;城區(qū)及礦區(qū)分別按0.05、0.2 m的地面分辨率生成單片正射影像(圖6、圖7).

圖6 1:500單片正射影像Fig.6 1:500 monolithic orthophoto map

圖7 1:2 000單片正射影像Fig.7 1:2 000 monolithic orthophoto map

選擇圖幅范圍內(nèi)需要鑲嵌的所有單片正射影像,利用EOS模塊對(duì)其完成鑲嵌、圖幅裁切和正射影像輸出,單片正射影像間拼接時(shí),應(yīng)檢查和適當(dāng)編輯拼接線,合理選擇平滑參數(shù),使拼接效果最佳,拼接線應(yīng)盡量避開成片居民區(qū)和明顯地物,圖面應(yīng)保證無明顯拼接縫,最后對(duì)影像成果進(jìn)行陰影和密度處理,使影像清晰,色彩柔和,反差適中,幅與幅之間無明顯色差.

拼接DOM形成全測(cè)區(qū)DOM拼接成果(圖8),拼接完的DOM數(shù)據(jù)文件非常大,可以在ArcMap中創(chuàng)建柵格目錄,將分片的柵格數(shù)據(jù)集加載到柵格目錄,通過設(shè)定閾值重采樣將所有柵格數(shù)據(jù)顯示為一個(gè)無縫的拼合圖層[9].

圖8 正射影像圖拼接成果(局部)Fig.8 Orthophoto map mosaic(part)

2.6 質(zhì)量評(píng)定

項(xiàng)目區(qū)Ⅰ共13 512幅影像圖,抽樣檢測(cè)1 020幅,點(diǎn)位較差最大83.9 cm、中誤差±23.3 cm(允許±30 cm);項(xiàng)目區(qū)Ⅱ共1 011幅影像圖,抽樣檢測(cè)75幅影像圖,點(diǎn)位較差最大230.4 cm、中誤差±57.13 cm(允許±120 cm),DOM平面精度均達(dá)到要求.

3 成果應(yīng)用與展望

正射影像圖成果是同時(shí)具有幾何精度和影像特征的地圖,具有精度高、現(xiàn)實(shí)性強(qiáng)、信息豐富直觀等優(yōu)點(diǎn),在油田土地管理和用地規(guī)劃方面具有重要應(yīng)用價(jià)值.

(1)為強(qiáng)化油田用地基礎(chǔ)管理提供條件.土地資源管理部近年實(shí)施"權(quán)籍管理信息化"、"土地監(jiān)管責(zé)任化"兩化工作,正攝影像圖為兩個(gè)項(xiàng)目提供了直觀的基礎(chǔ)底圖,使信息系統(tǒng)建設(shè)和責(zé)任區(qū)劃分工作順利進(jìn)行,對(duì)提升土地管護(hù)水平和基礎(chǔ)管理工作水平產(chǎn)生了直接效益.將正射影像圖與油田規(guī)劃用地管理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行疊置分析,能快速獲取土地的權(quán)屬、地類、位置、面積等屬性信息,為土地利用現(xiàn)狀調(diào)查、規(guī)劃利用、處置經(jīng)營(yíng)、執(zhí)法監(jiān)察、稅費(fèi)測(cè)算等工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),有利于推進(jìn)以圖管地工作的開展,提高土地管理部門的科學(xué)管理和決策能力.

(2)為優(yōu)化產(chǎn)能建設(shè)征地方案提供依據(jù).在產(chǎn)能建設(shè)征用土地過程中對(duì)各類站址,進(jìn)站、進(jìn)井道路,通信、電力、油水管線敷設(shè)等借助正射影像數(shù)據(jù)進(jìn)行合理布局,再利用中國(guó)石油地理信息系統(tǒng)(A4)地面數(shù)據(jù)和土地管理信息系統(tǒng)已征權(quán)籍?dāng)?shù)據(jù),分析產(chǎn)能區(qū)塊內(nèi)井、站、路和土地信息,采取聯(lián)合建站,進(jìn)井路搭接鄰近鄉(xiāng)間路或井排路,多管同溝敷設(shè)方式,優(yōu)化征地方案設(shè)計(jì),充分利用已征的存量土地,避免重復(fù)征地,控制新增用地總量,減少用地成本.

(3)為油田礦建配套項(xiàng)目選址提供保障.正射影像具有可量測(cè)特性,設(shè)計(jì)人員基于航測(cè)圖在室內(nèi)即可獲取區(qū)域地形地貌、建筑物分布、安全距離、可規(guī)劃利用面積,甚至水文地質(zhì)信息等,通過整理和分析,有針對(duì)性地進(jìn)行項(xiàng)目用地選址,減少實(shí)地勘察任務(wù),快速提高項(xiàng)目選址效率.如果進(jìn)一步加載土地權(quán)籍?dāng)?shù)據(jù)庫,還可以快速提取價(jià)值高的出讓土地?cái)?shù)據(jù),在出讓土地中選擇空閑地或者容積率低的地塊內(nèi)規(guī)劃項(xiàng)目,可以大大縮減用地手續(xù),還能節(jié)省大量出讓用地費(fèi)用.

(4)利用正射影像生產(chǎn)過程產(chǎn)品數(shù)字高程模型能解算土地整理填挖土方,繪制縱橫斷面圖,評(píng)估工程預(yù)算;數(shù)字高程模型與數(shù)字正射影像融合可生成三維景觀,輔助用地規(guī)劃設(shè)計(jì)等.