基于無人機(jī)傾斜攝影測量的城市土地利用變化監(jiān)測研究

李順明

（重慶市地礦測繪院有限公司，重慶 400042）

1 引言

無人機(jī)傾斜攝影測量將無人駕駛飛行技術(shù)與低空攝影測量技術(shù)有機(jī)結(jié)合，借助先進(jìn)的通信與定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)低空對(duì)地觀測，快速高效獲取高精度遙感數(shù)據(jù)，解決了傳統(tǒng)遙感數(shù)據(jù)獲取手段無法保證數(shù)據(jù)現(xiàn)勢性的難題[1]。

土地利用變化信息數(shù)據(jù)可以是紙質(zhì)文檔、電子表格，也可以是經(jīng)過提取和分析后的矢量圖斑數(shù)據(jù)和遙感影像數(shù)據(jù)。其中，矢量和遙感數(shù)據(jù)比較直觀，能提供較為完整、準(zhǔn)確的變化信息，實(shí)現(xiàn)精確定位，便于實(shí)施監(jiān)測[2]。利用傾斜影像數(shù)據(jù)制作的DSM（Digital Surface Model）數(shù)據(jù)，包含地表之上完整的地物信息，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，可從中提取并分析城市土地利用變化信息，數(shù)據(jù)清晰、直觀，對(duì)于實(shí)施動(dòng)態(tài)監(jiān)管至關(guān)重要[3]。

2 數(shù)據(jù)源獲取

實(shí)驗(yàn)采用北京數(shù)維翔圖DM-610G 六旋翼電動(dòng)無人機(jī)，翼展2.25 m，有效荷載5 kg，續(xù)航時(shí)間約3 h。傾斜相機(jī)為紅鵬AP5600 微型傾斜相機(jī)。采用5 鏡頭多視角數(shù)碼相機(jī)，鏡頭焦距20 mm，側(cè)視相機(jī)傾角45°。選取重慶市部分城區(qū)（面積1.6 km2）作為數(shù)據(jù)采集與研究對(duì)象，在2018 年10 月和2019 年9 月分別對(duì)研究區(qū)進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集，共采集到有效像片數(shù)據(jù)2000 余張。

3 DSM 生成

利用傾斜影像生成DSM 的流程如圖1 所示。實(shí)驗(yàn)利用雙邊濾波方法進(jìn)行影像去噪，采用Wallis 濾波器對(duì)影像進(jìn)行增強(qiáng)處理，將10 參數(shù)模型作為相機(jī)畸變糾正模型[4]。本文主要詳細(xì)介紹影像匹配、DSM 生成與精度評(píng)價(jià)。

3.1 影像匹配

與DEM 相比，DSM 數(shù)據(jù)信息較為完整，包含地物真實(shí)高度信息，能實(shí)現(xiàn)對(duì)城市土地利用變化信息的提取和分析，有助于實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)管過程的自動(dòng)化。因此，需要將傾斜影像進(jìn)行匹配，生成DSM 數(shù)據(jù)，滿足變化提取對(duì)數(shù)據(jù)源的要求[5]。

影像匹配的整體思路是：基于各側(cè)方視角與正射視角影像重疊區(qū)域之間的同名點(diǎn)，根據(jù)立體像對(duì)中兩張航片的內(nèi)、外方位元素和像點(diǎn)坐標(biāo)，通過空間前方交會(huì)，確定對(duì)應(yīng)的地面點(diǎn)坐標(biāo)。為提高匹配準(zhǔn)確度，本文采用先分步再融合的策略，首先將各視角影像分別匹配，再將各匹配結(jié)果進(jìn)行融合，完成最終匹配操作。分布式匹配方法在每個(gè)視角都先進(jìn)行一次匹配，有效降低因影像畸變產(chǎn)生的匹配誤差，提高數(shù)據(jù)精度。

本文采用SIFT 算法對(duì)傾斜影像進(jìn)行匹配，將圖像被檢測的特征點(diǎn)用特征向量描述出來。因此，經(jīng)過SIFT 算法處理后的影像被表示為特征向量集。SIFT 是一種較穩(wěn)定的局部特征匹配算法，適用于海量圖像的快速匹配，在無人機(jī)低空攝影測量等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

3.2 DSM 的生成與精度評(píng)價(jià)

3.2.1 區(qū)域網(wǎng)平差

由于傾斜相機(jī)自身因素以及影像預(yù)處理過程的誤差積累，影像精度仍需進(jìn)一步提高。光束法平差是一種比較常見的區(qū)域網(wǎng)平差方法，以一張影像的單束光線作為基本單元，將控制點(diǎn)坐標(biāo)與已知外業(yè)實(shí)際坐標(biāo)、鄰近航片同名點(diǎn)坐標(biāo)相等作為平差條件，答解出加密點(diǎn)的平面坐標(biāo)與每張航片的外方位元素。

為最大限度地提高數(shù)據(jù)精度，本文采取整體平差策略進(jìn)行光束法區(qū)域網(wǎng)平差，整體平差在各個(gè)視角同時(shí)進(jìn)行加密點(diǎn)和外方位元素的答解，有效提高了平差效率，為DSM 生成提供了精度較高的外方位元素。

3.2.2 DSM 的生成

經(jīng)過特征匹配得到各視影像重疊區(qū)域的同名特征點(diǎn)，經(jīng)過區(qū)域網(wǎng)平差處理，得到較高精度的外方位元素。分布式匹配會(huì)在各個(gè)方向分別進(jìn)行一次DSM 生成，基于此，通過對(duì)各視角生成的DSM 進(jìn)行融合，生成最終DSM 數(shù)據(jù)，如圖2 所示。

3.2.3 精度評(píng)價(jià)

DSM 的精度直接影響變化信息提取的準(zhǔn)確度：在水平方向，若兩期DSM 存在較大誤差，會(huì)導(dǎo)致兩期數(shù)據(jù)同坐標(biāo)點(diǎn)無法準(zhǔn)確匹配；在高程值方面，若高程精度不夠，會(huì)導(dǎo)致變化信息的漏提取或誤提取。這兩種問題都會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的高差分析結(jié)果，從而大幅降低變化提取結(jié)果的置信度。DSM 生成后，在測區(qū)選取一塊區(qū)域，利用RTK 分別采集若干外業(yè)檢查點(diǎn)，對(duì)影像精度進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。部分檢查點(diǎn)的布設(shè)如圖3 所示。

經(jīng)對(duì)比分析，配準(zhǔn)之后一期各檢查點(diǎn)平面誤差最大值為0.093 m，高程誤差最大值為0.0736 m；二期各檢查點(diǎn)平面誤差最大值為0.089 m，高程誤差最大值為0.0859 m。根據(jù)《基礎(chǔ)地理信息數(shù)字成果1∶500 1∶1000 1∶2000 數(shù)字線劃圖》（CH/T 9008.1—2010），1∶500比例尺成果平面位置中誤差和高程中誤差最高限差分別為0.3 m 和0.2 m。從精度檢測結(jié)果可以看出，成果的平面中誤差和高程中誤差遠(yuǎn)優(yōu)于規(guī)范限差要求，精度滿足1∶500 大比例尺測圖和對(duì)變化信息提取的要求。

圖3 部分外業(yè)檢查點(diǎn)的分布示意圖

4 基于DSM 的變化信息提取

4.1 提取方法介紹

疊加已處理好的兩期DSM 數(shù)據(jù)，為提高提取結(jié)果的準(zhǔn)確性，應(yīng)首先對(duì)兩期DSM 進(jìn)行一次配準(zhǔn)，保證兩期DSM 在水平方向無偏差。

基于兩期DSM 提取變化信息的過程，實(shí)際上是對(duì)同一位置不同時(shí)期數(shù)據(jù)的高程值進(jìn)行比較的過程。由于DSM 數(shù)據(jù)包含有采集對(duì)象的真實(shí)高度信息，因此可將該信息作為分析對(duì)象進(jìn)行變化提取。

（1）利用DSM 數(shù)據(jù)保留了地物真實(shí)的高度信息這一特點(diǎn)，在已知坐標(biāo)點(diǎn)P（x，y）上，分別讀取兩期DSM 數(shù)據(jù)中對(duì)應(yīng)位置的高程值h1、h2。

（2）由于數(shù)據(jù)精度的限制，不能保證在確切坐標(biāo)位置上兩期DSM 表示的是同一個(gè)精確位置。為保證提取結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)該坐標(biāo)點(diǎn)及其周圍八個(gè)方向的坐標(biāo)點(diǎn)都進(jìn)行了高程值讀取，然后將9 個(gè)高程值求取平均值，并將該平均值作為中心點(diǎn)的實(shí)際高程值H。這樣，得到兩個(gè)新的高程值：H1、H2。

（3）城市土地利用變化最直接的表現(xiàn)是建筑的消長，新增、拆遷都是建筑物的變化，因此，在分析高差時(shí)，可選取單層房屋的高度α 作為高差閾值，即高差在α 以下，視為實(shí)地沒有變化，反之視為產(chǎn)生變化，以此來對(duì)建筑區(qū)的變化信息進(jìn)行提取。

4.2 檢索格網(wǎng)的選擇

在實(shí)際變化提取過程中，由于DSM 影像范圍較大，不可能逐個(gè)像元進(jìn)行檢索，否則不僅會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間，還會(huì)導(dǎo)致同一處變化提取出很多個(gè)變化點(diǎn)，因此，需對(duì)檢索單元進(jìn)行放大，同時(shí)也應(yīng)避免發(fā)生漏提取。根據(jù)實(shí)際需求，實(shí)驗(yàn)采取10 m×10 m 的檢索單元進(jìn)行變化信息的提取。提取結(jié)果如圖4 所示。

圖4 變化提取結(jié)果

4.3 剔除冗余變化點(diǎn)

由圖4 可知，提取的變化點(diǎn)數(shù)據(jù)存在一定的冗余點(diǎn)，由于檢索格網(wǎng)的限制，會(huì)存在一處變化包含多個(gè)鄰近提取點(diǎn)的情況，因此，應(yīng)對(duì)提取結(jié)果進(jìn)行冗余點(diǎn)去除，以當(dāng)前點(diǎn)為圓心，將落在指定半徑內(nèi)的變化點(diǎn)剔除。冗余點(diǎn)去除是對(duì)變化信息數(shù)據(jù)的精簡，分析變化信息時(shí)，在不減少變化區(qū)數(shù)量的前提下減少對(duì)同一個(gè)變化區(qū)的重復(fù)讀取，有效提高了工作效率。

4.4 提取結(jié)果分析

圖5 變化提取結(jié)果

表1 所示內(nèi)容是提取結(jié)果的準(zhǔn)確度分析。實(shí)驗(yàn)共提取變化信息165 處，其中，正確提取出137 處變化信息，其余28 處為誤提取，經(jīng)人工排查后統(tǒng)計(jì)，共有11 處實(shí)地發(fā)生變化的區(qū)域沒有準(zhǔn)確提取出來，提取準(zhǔn)確度約為77.8%。

5 實(shí)地調(diào)查與監(jiān)管

根據(jù)疊加分析結(jié)果，保留下來的變化信息數(shù)據(jù)即為無權(quán)屬記錄或無合法批準(zhǔn)的土地利用變化信息，對(duì)該部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)核實(shí)，結(jié)合相關(guān)的權(quán)屬變更調(diào)查數(shù)據(jù)與文檔資料進(jìn)行分析，共篩選出17 處沒有用地變化記錄的變化點(diǎn)。將該結(jié)果進(jìn)行整理輸出，組織相關(guān)技術(shù)人員與調(diào)查人員到實(shí)地核實(shí)，對(duì)非法占地、違章建設(shè)等不合理用地單位或個(gè)人逐一排查。

經(jīng)實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，有2 處在建用地相關(guān)手續(xù)不齊全，其中一處為工廠；違規(guī)拆遷和非法占用耕地各有一處，其他均為登記信息不完整或有誤。調(diào)查完成后對(duì)未記錄或錯(cuò)誤記錄的用地信息進(jìn)行登記或修改，更新本地?cái)?shù)據(jù)庫；對(duì)存在問題的變化用地形成材料，及時(shí)上報(bào)。

6 結(jié)束語

基于傾斜攝影測量的土地利用變化動(dòng)態(tài)監(jiān)測過程相對(duì)科學(xué)，節(jié)省了人力和時(shí)間，提高了工作效率，監(jiān)測結(jié)果能夠滿足城市土地合理利用的需要，有助于指導(dǎo)城市規(guī)劃與建設(shè)，促進(jìn)城市健康發(fā)展，對(duì)于實(shí)現(xiàn)城市土地資源的可持續(xù)利用意義重大。