第三次全國(guó)國(guó)土調(diào)查正射影像減控技術(shù)的研究

廉志鵬辛 全王 平

（1.自然資源部第四地形測(cè)量隊(duì)，黑龍江 哈爾濱150081；2自然資源部第二大地測(cè)量隊(duì)，黑龍江 哈爾濱150081）

0.引言

開(kāi)展第三次全國(guó)國(guó)土調(diào)查（以下簡(jiǎn)稱“三調(diào)”）工作，是貫徹落實(shí)新發(fā)展理念，促進(jìn)西藏自治區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)。國(guó)土是生產(chǎn)之要。當(dāng)前，西藏自治區(qū)正處在長(zhǎng)足發(fā)展和全面建成小康社會(huì)的關(guān)鍵時(shí)期，自然資源管理工作面臨的形勢(shì)任務(wù)艱巨。在當(dāng)前及今后一個(gè)階段，生態(tài)文明建設(shè)、自然資源管理體制改革及各類自然資源統(tǒng)一確權(quán)登記、統(tǒng)一行使全民所有自然資源資產(chǎn)所有者權(quán)利、統(tǒng)一所有國(guó)土空間用途管制和生態(tài)保護(hù)修復(fù)等工作將全面鋪開(kāi)，各部門各行業(yè)對(duì)各類自然資源基礎(chǔ)數(shù)據(jù)提出了更高、更精、更準(zhǔn)、更新的需求，而當(dāng)前西藏自治區(qū)現(xiàn)有的國(guó)土調(diào)查成果已不能充分滿足相關(guān)需要，尤其是滿足現(xiàn)勢(shì)性需要的遙感正射影像資源較為缺乏。做好三調(diào)及成果應(yīng)用工作，是編制國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展規(guī)劃、推進(jìn)科學(xué)決策的重要依據(jù)，是實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略、支持新產(chǎn)業(yè)新業(yè)態(tài)發(fā)展、提高政府依法行政能力和自然資源管理服務(wù)水平的重要支撐，對(duì)于貫徹落實(shí)新發(fā)展理念，全面促進(jìn)西藏自治區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)全面協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。開(kāi)展城鎮(zhèn)村莊內(nèi)部土地利用現(xiàn)狀調(diào)查中的正射影像制作，充分滿足了國(guó)土空間規(guī)劃、生態(tài)文明建設(shè)、供給側(cè)改革需求，為政府決策和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供基礎(chǔ)支撐，促進(jìn)國(guó)家治理體系和治理能力的現(xiàn)代化。

1.三調(diào)影像整體技術(shù)流程

1.1 測(cè)區(qū)任務(wù)及情況簡(jiǎn)介

此次任務(wù)為西藏自治區(qū)山南市乃東區(qū)及阿里地區(qū)噶爾縣的像片控制點(diǎn)測(cè)量及正射影像（DOM）制作，任務(wù)總面積約40平方公里，其中乃東區(qū)測(cè)區(qū)為山南市政府所在地，噶爾縣測(cè)區(qū)為阿里地區(qū)行政公署和噶爾縣政府所在地，測(cè)區(qū)范圍內(nèi)居民地集中分布其中，地形主要以平地為主，采用的影像源是藍(lán)途無(wú)人機(jī)進(jìn)行航空攝影，通過(guò)技術(shù)處理形成優(yōu)于0.2米正射影像成果包括正射影像數(shù)據(jù)和影像定向產(chǎn)品數(shù)據(jù)。

1.2 整體技術(shù)路線及工藝流程

三調(diào)正射影像制作采用的整體技術(shù)路線為無(wú)人機(jī)數(shù)字航空攝影測(cè)量，以航攝影像為基礎(chǔ)影像源進(jìn)行像控點(diǎn)測(cè)量，利用像片控制測(cè)量成果進(jìn)行空中三角測(cè)量，將空中三角測(cè)量成果導(dǎo)入相關(guān)的影像處理軟件，自動(dòng)匹配生成DSM，對(duì)生成的DSM進(jìn)行適當(dāng)編輯生成過(guò)程DEM，利用編輯后的DEM進(jìn)行糾正，對(duì)糾正后的影像進(jìn)行勻光勻色、鑲嵌、裁切制作DOM。技術(shù)流程（如圖1所示）：

圖1三調(diào)正射影像整體技術(shù)路線及工藝流程圖

2.關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)剖析

2.1 像控測(cè)量的作用

根據(jù)影像資料情況及測(cè)區(qū)基礎(chǔ)控制點(diǎn)分布情況進(jìn)行像控點(diǎn)布設(shè)，綜合考慮需達(dá)到的精度及工作效率，擇優(yōu)選取施測(cè)方式進(jìn)行像控點(diǎn)測(cè)量，通過(guò)收集到西藏自治區(qū)測(cè)繪院提供大地控制點(diǎn)可作為測(cè)區(qū)控制測(cè)量的起算點(diǎn)，其中，C級(jí)GPS點(diǎn)平面為2000國(guó)家大地坐標(biāo)，高程為大地高；D級(jí)GPS點(diǎn)平面為地心坐標(biāo)，高程為1985國(guó)家高程基準(zhǔn)；當(dāng)?shù)厮疁?zhǔn)路線中水準(zhǔn)點(diǎn)高程為1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和處理，采用RTK地形測(cè)量的方法，并在影像測(cè)區(qū)范圍內(nèi)將選取影像上明顯地物點(diǎn)的實(shí)地坐標(biāo)和高程準(zhǔn)確刺到影像上，在后期的影像糾正和定向中都必須有一定數(shù)量的控制點(diǎn)，而這些點(diǎn)位正是由像片控制測(cè)量得到的。因此，像控測(cè)量的作用就是為內(nèi)業(yè)空中三角測(cè)量提供一定數(shù)量的符合項(xiàng)目規(guī)范要求精度較高的控制點(diǎn)，經(jīng)整理和兩級(jí)檢查合格后遞交下工序使用。

2.2 飛前布控的特點(diǎn)

飛前布控即在利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行測(cè)量之前，先在目標(biāo)區(qū)域選取并測(cè)定一定數(shù)量的控制點(diǎn)，然后再利用無(wú)人機(jī)對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行航空攝影，其具有如下特點(diǎn)：首先是便于計(jì)算機(jī)有效識(shí)別，飛前布控使得無(wú)人機(jī)獲取的影像上已經(jīng)存在明顯的控制點(diǎn)。這樣可以利用計(jì)算機(jī)對(duì)影像進(jìn)行識(shí)別，與以前的人工識(shí)別相比大大加快了識(shí)別速度。其次是作業(yè)人員不需要復(fù)雜的系統(tǒng)培訓(xùn)，飛前布控在攝影之前要先在實(shí)地測(cè)量控制點(diǎn)，隨后再在影像上刺出相應(yīng)控制點(diǎn)，所以不需要較高的影像判讀知識(shí)，因此不需要對(duì)作業(yè)人員事先進(jìn)行反復(fù)系統(tǒng)培訓(xùn)。最后是易受自然條件影響，由于需要在攝影測(cè)量之前去實(shí)地進(jìn)行控制點(diǎn)的選取、布設(shè)及測(cè)量，布設(shè)的控制點(diǎn)有可能受天氣影響而損壞或出現(xiàn)精度損失。根據(jù)飛前布控的特點(diǎn)，選擇比較穩(wěn)定、明顯和不易損壞的控制點(diǎn)進(jìn)行后續(xù)的布控工作。

2.3 三調(diào)正射影像精度要求

三調(diào)正射影像成果平面精度達(dá)到1∶2000要求，地物點(diǎn)相對(duì)于野外控制點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差要求為平地、丘陵地平面精度的中誤差為1.2米，山地、高山地平面精度的中誤差為1.6米，大面積水域、沙漠、森林以及地形起伏劇烈等特殊困難地區(qū)正射影像生產(chǎn)精度要求可適當(dāng)放寬，但最大不得大于上表的1.5倍。最大誤差不超過(guò)中誤差2倍，同時(shí)向項(xiàng)目影像組報(bào)批后方可實(shí)施。

2.4 三調(diào)正射影像作業(yè)方法

首先，在影像處理軟件中建立項(xiàng)目工程，根據(jù)測(cè)區(qū)實(shí)際情況設(shè)置相關(guān)參數(shù)。利用原始影像及空三結(jié)果匹配生成DSM，并對(duì)DSM進(jìn)行濾波處理，濾除精度較差以及高于地面的信息。對(duì)匹配精度較差的區(qū)域，如居民地、林木覆蓋區(qū)域等進(jìn)行匹配編輯或采用增加特征點(diǎn)、線方式，生成過(guò)程DEM數(shù)據(jù)。利用原始影像、空三成果、過(guò)程DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行正射糾正。

其次，對(duì)糾正后的影像按區(qū)域進(jìn)行勻光勻色處理，使區(qū)域內(nèi)影像色調(diào)柔和一致，紋理清晰、反差適中，避免影像信息損失。利用勻光勻色后的影像進(jìn)行自動(dòng)鑲嵌線生成。影像鑲嵌時(shí)最大可能運(yùn)用影像的中心區(qū)域，鑲嵌線盡量沿線狀地物邊緣行進(jìn)，避免切割人工地物，盡量避免在同一道路上來(lái)回穿越；對(duì)于大面積田塊及大面積樹(shù)林覆蓋區(qū)域的鑲嵌線，只要鑲嵌線附近影像色調(diào)一致，線狀地物無(wú)錯(cuò)位現(xiàn)象，可不對(duì)此區(qū)域的鑲嵌線進(jìn)行調(diào)整。對(duì)鑲嵌后的區(qū)域整體影像進(jìn)行瀏覽檢查，對(duì)影像上存在的扭曲、變形、拉花、錯(cuò)位等問(wèn)題進(jìn)行過(guò)程DEM編輯，對(duì)存在的色調(diào)差異進(jìn)行鑲嵌線調(diào)整或局部顏色調(diào)整，同步修補(bǔ)DOM。

最后鑲嵌，按數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求進(jìn)行分帶，按照縣域進(jìn)行裁切，完成三調(diào)正射影像制作。三調(diào)影像要求地物地貌應(yīng)真實(shí)，無(wú)扭曲變形、無(wú)噪聲、云影等缺陷，同時(shí)期攝影的DOM之間應(yīng)完全接邊，不允許在接邊處出現(xiàn)錯(cuò)位、色調(diào)不接的現(xiàn)象。

3.減控關(guān)鍵技術(shù)方法

3.1 像控點(diǎn)布設(shè)優(yōu)化方案

像控點(diǎn)布設(shè)是無(wú)人機(jī)正射影像制作的重要環(huán)節(jié)，也是在整個(gè)作業(yè)過(guò)程中外業(yè)過(guò)程中成本投入比較大的一個(gè)部分，傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)航測(cè)布點(diǎn)方式（如圖2所示），不但要求的控制點(diǎn)多，還需要均勻布滿整個(gè)測(cè)區(qū)，實(shí)施起來(lái)比較困難，同時(shí)性價(jià)比也不高。

圖2傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)航測(cè)控制點(diǎn)布設(shè)方案圖

通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)航測(cè)控制點(diǎn)布設(shè)技術(shù)方案不斷優(yōu)化和反復(fù)研究，采取了四角單點(diǎn)布設(shè)、四角點(diǎn)組布設(shè)、四周均勻布設(shè)、四周邊點(diǎn)組布設(shè)、四周邊均勻布設(shè)加少量?jī)?nèi)部控制點(diǎn)、四周點(diǎn)組布設(shè)加少量?jī)?nèi)部控制點(diǎn)采用控制六種方案（如圖3所示）。整體采用循序漸進(jìn)的辦法針對(duì)不同的測(cè)區(qū)分別進(jìn)行六種像控點(diǎn)的布設(shè)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明在六種方案中，采用四周點(diǎn)組布設(shè)和四周邊均勻布設(shè)，加少量區(qū)域中間點(diǎn)的布點(diǎn)方式精度是最高的，效果較好。在后續(xù)的多次實(shí)踐中，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)是無(wú)論區(qū)域大小，四周均勻布設(shè)控制點(diǎn)，四點(diǎn)布設(shè)平高控制點(diǎn)均有利于保證區(qū)域內(nèi)部的精度。一般情況下，單點(diǎn)布設(shè)的精度都不如點(diǎn)組布設(shè)精度高，而且點(diǎn)組布設(shè)也可以增加平面高程的精度。

圖3適合無(wú)人機(jī)航測(cè)的六種布設(shè)方案圖

3.2 影像匹配減控方法

項(xiàng)目通過(guò)收集來(lái)的高精度空間參考DOM數(shù)據(jù)采用改進(jìn)SIFT算法進(jìn)行特征點(diǎn)匹配，該算法中對(duì)圖像旋轉(zhuǎn)、尺度縮放，灰度值變化等各方面都保持不變形，特別是視角的仿射變化和影像噪聲也有一定程度的穩(wěn)定性。本文中采用在改進(jìn)SIFT算法匹配點(diǎn)剔除中采用一種微小誤差的方法使得匹配更加簡(jiǎn)單快捷，相比SIFT算法中常用的RANSAC算法中減少了大量反復(fù)迭代計(jì)算的工作量，從而使影像匹配錯(cuò)誤點(diǎn)剔除中節(jié)省了時(shí)間，大大提高可匹配的效率。在三調(diào)正射影像制作中，采取測(cè)區(qū)中選取地物較現(xiàn)勢(shì)性更新較慢的區(qū)域進(jìn)行匹配獲取控制點(diǎn)，經(jīng)檢查后進(jìn)行空三加密等工作，利用原始影像的位置關(guān)系來(lái)獲取匹配影像的空間位置，從而一定減少外業(yè)像控點(diǎn)的個(gè)數(shù)，達(dá)到減控的目的。

3.3 光束法區(qū)域網(wǎng)平差模型優(yōu)化減控方法

傳統(tǒng)的光束法區(qū)域網(wǎng)平差是利用裝在飛機(jī)上的一臺(tái)GPS接收機(jī)和固定在某個(gè)地面參考點(diǎn)上的另一臺(tái)或幾臺(tái)GPS接收機(jī)同時(shí)、快速連續(xù)地記錄相同的GPS衛(wèi)星信號(hào)，通過(guò)載波相位差分動(dòng)態(tài)GPS相對(duì)定位技術(shù)的離線數(shù)據(jù)后，處理獲取攝影機(jī)曝光時(shí)刻GPS天線相位中心的三維坐標(biāo)即GPS攝站坐標(biāo)，然后將其視為附加觀測(cè)值引入進(jìn)攝影測(cè)量區(qū)域網(wǎng)中，采用統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型和算法，整體確定點(diǎn)位并對(duì)其質(zhì)量進(jìn)行評(píng)定的理論、技術(shù)和方法。而光束法區(qū)域網(wǎng)平差模型優(yōu)化減控方法是依據(jù)外業(yè)布設(shè)的像片控制點(diǎn)及航攝分區(qū)進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)劃分，利用空三加密軟件自動(dòng)匹配連接點(diǎn)、控制點(diǎn)量測(cè)等進(jìn)行空三加密作業(yè)，優(yōu)先采用全自動(dòng)匹配連接點(diǎn)，自動(dòng)匹配薄弱區(qū)域可進(jìn)行人工選取連接點(diǎn)，結(jié)合無(wú)人機(jī)航攝測(cè)量作業(yè)的特點(diǎn)，考慮測(cè)量相機(jī)的航攝時(shí)間滯后以及各個(gè)拍攝瞬間的位置偏移，針對(duì)各個(gè)拍攝瞬間的時(shí)間誤差進(jìn)行逐點(diǎn)時(shí)間改正。

無(wú)人機(jī)光束法區(qū)域網(wǎng)平差時(shí)間改正模型更加側(cè)重于對(duì)各個(gè)拍攝瞬間的時(shí)間誤差進(jìn)行逐點(diǎn)時(shí)間改正，更加適合于無(wú)人機(jī)的光束法區(qū)域網(wǎng)平差方法。在模型解算過(guò)程中，將時(shí)間改正作為求解未知量與其他系統(tǒng)誤差帶入方程組內(nèi)進(jìn)行統(tǒng)一求解，消除由于拍攝不同步所帶來(lái)的誤差影響，從而提高區(qū)域網(wǎng)空三加密平差精度。無(wú)人機(jī)航攝領(lǐng)域內(nèi)常見(jiàn)的一種位置時(shí)間記錄方式為POS和輔助GPS，這種方式無(wú)法避免會(huì)存在時(shí)間差的影響。當(dāng)無(wú)人機(jī)將載波信號(hào)傳遞給航攝相機(jī)和GPS裝置時(shí)，由于航攝相機(jī)接收信號(hào)到航攝影像成像之間需要一小段較短的時(shí)間進(jìn)行拍攝，從而導(dǎo)致GPS裝置記載的時(shí)間與航攝影像成像時(shí)間不一致，針對(duì)這種時(shí)間差帶來(lái)的誤差影響，考慮將時(shí)間改正參數(shù)引入到光束法區(qū)域網(wǎng)平差模型中進(jìn)行解算。將無(wú)人機(jī)航攝時(shí)測(cè)量相機(jī)在各航帶和航攝瞬間進(jìn)行時(shí)間改正，外業(yè)中只需少量控制點(diǎn)，從而達(dá)到減控的目的。

為保證數(shù)字正射影像成果的質(zhì)量，以上三種減控技術(shù)在使用過(guò)程中，在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)布設(shè)的10-20個(gè)外業(yè)檢查點(diǎn)，用于檢測(cè)DOM平面精度，檢查點(diǎn)不參與空中三角測(cè)量。并在數(shù)字正射影像成果上依據(jù)檢查點(diǎn)點(diǎn)之記量取的檢查點(diǎn)平面精度，把量取的平面精度與外業(yè)提供的檢查點(diǎn)成果進(jìn)行比較，統(tǒng)計(jì)評(píng)定DOM的精度均達(dá)到項(xiàng)目的要求。

4.減控技術(shù)的應(yīng)用

4.1 在大比例尺測(cè)圖中應(yīng)用

減控技術(shù)目前在黑龍江、山東等測(cè)區(qū)大比例尺測(cè)圖得到較好使用，在工期緊張且地理位置比較不易到達(dá)時(shí)，通過(guò)合理采用多種減控技術(shù)，無(wú)人機(jī)獲取得到DOM后迅速采集得到數(shù)字線劃圖（DLG），滿足了甲方大比例尺測(cè)圖的需要。同時(shí)在匹配、解算、識(shí)別等方面的新技術(shù)不斷突破，DLG傳統(tǒng)手工采集生產(chǎn)模式將會(huì)在這些新技術(shù)的發(fā)展下打破，因此具有相當(dāng)大的發(fā)展前景。

4.2 在電力巡檢中應(yīng)用

在電力部門，需要快速獲取電力故障或違章事故位置時(shí),將減控技術(shù)加入其中，使得在電力線路的巡檢故障和道路交通違章事故發(fā)生地獲取位置周邊情況信息中，節(jié)省大量時(shí)間，特別是在電力線巡檢中，無(wú)人機(jī)飛行的航線不能在電力線垂直上方，需要錯(cuò)開(kāi)電力線一定的距離。為了滿足相鄰航線間影像有一定的重疊度，對(duì)電力線兩面進(jìn)行無(wú)人機(jī)航攝的影像有重疊，在攝影時(shí)相機(jī)有一定姿態(tài)和角度對(duì)著電力線和地面，從而使用減控技術(shù)，在正射影像處理上匹配電力位置來(lái)確定故障電力線，為電力線路正常運(yùn)行提供保障。

5.結(jié)束語(yǔ)

三調(diào)影像減控技術(shù)為開(kāi)展三調(diào)城鎮(zhèn)村莊內(nèi)部土地利用現(xiàn)狀調(diào)查工作中起到技術(shù)支撐作用，在三調(diào)正射影像制作中不但優(yōu)化了技術(shù)流程，同時(shí)減少了一定的外業(yè)工作量，為后期自動(dòng)化處理影像提高了生產(chǎn)效率。本文在減控技術(shù)上進(jìn)行了研究，提供了可行方案，一定程度減少了對(duì)非專業(yè)航測(cè)人員隊(duì)伍的依賴，同時(shí)在將來(lái)數(shù)字化影像產(chǎn)品制作中，還需不斷優(yōu)化技術(shù)流程和采用多技術(shù)高度集成方法來(lái)實(shí)現(xiàn)影像產(chǎn)品的高效制作。