基于無人機測量的地籍測繪技術(shù)探究

黃科新

（大埔縣自然資源局， 廣東 梅州 514000）

隨著近期經(jīng)濟建設(shè)的不斷推進，我國對土地資源的利用更加多元化，而土地權(quán)屬結(jié)構(gòu)和利用布局也在不斷變化中，通過開展土地調(diào)查工作，能夠?qū)崿F(xiàn)土地信息建檔，并在大數(shù)據(jù)、信息化技術(shù)的支持下，形成土地資源專屬數(shù)據(jù)庫，對國家當代土地管理工作意義重大，并保障國土資源的管理的安全性與可靠性。對此，地籍測繪是土地調(diào)查工作的重要一環(huán)，指的是采用測繪技術(shù)了解國有或集體土地權(quán)屬、位置、用途、界址等基本情況的調(diào)查活動，但是，在以往地籍測繪工作中，常使用RTK、全站儀等測繪手段，并不滿足高精度、高效率的地籍測繪需求。因此，建立以無人機測量為核心的地籍測繪技術(shù)體系，顯著提高地籍測繪工作質(zhì)量，推動土地調(diào)查工作的創(chuàng)新發(fā)展。

1 無人機測量系統(tǒng)研究

1.1 無人機測量系統(tǒng)的構(gòu)成與性能

無人機測量系統(tǒng)包括飛行控制系統(tǒng)、地面站系統(tǒng)與航拍攝像系統(tǒng)，其中飛行控制系統(tǒng)主要涉及空中飛行、空中定位，地面站系統(tǒng)則主要負責(zé)航線、遠程控制、飛行監(jiān)控、信息接收，航拍攝像系統(tǒng)則主要負責(zé)飛行過程中的信息采集和實時傳輸[1]。在此基礎(chǔ)上，無人機測量系統(tǒng)的構(gòu)成結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 無人機測量系統(tǒng)的構(gòu)成結(jié)構(gòu)

1.1.1 飛行控制系統(tǒng)

無人機航拍測繪的基礎(chǔ)是無人機技術(shù)，而飛行控制系統(tǒng)關(guān)系到無人機設(shè)備是否能夠在空中完成任務(wù)，因此該系統(tǒng)無人機控制的關(guān)鍵，飛行控制系統(tǒng)包括飛行器本體、傳感器和控制系統(tǒng)，其中傳感器包括陀螺儀、加速計、地磁感應(yīng)裝置、氣壓傳感器以及GPS 模塊，能夠在無人機按照預(yù)定軌跡飛行和依照GPS 技術(shù)進行定位的同時，精確化就無人機的飛行參數(shù)進行調(diào)整，滿足測繪工作的具體需求。對此，該文采用大疆系列作為無人機的飛行控制系統(tǒng)，其具有操作簡單、控制靈活等特點，能夠給地籍測繪人員提供便利。

1.1.2 地面站系統(tǒng)

地面站系統(tǒng)是地面總體控制系統(tǒng)，包括了地面路線規(guī)劃和無人機測繪任務(wù)執(zhí)行與監(jiān)控，能夠以地面站系統(tǒng)控制軟件為支撐設(shè)計無人機飛行航線，并包括數(shù)據(jù)顯示與即時信息下傳功能，能夠使地籍測繪人員及時了解無人機的飛行軌跡、飛行參數(shù)與飛行姿態(tài)，確保地籍測繪工作的整體效率。

1.1.3 航拍攝像系統(tǒng)

航拍攝像系統(tǒng)具有兼容性，可以與多種攝像平臺對接，實現(xiàn)對不同攝像設(shè)備的控制和運用[2]。對此，該文采用A7R2相機（8.8/24mm）作為攝像設(shè)備，其有效像素達2000 萬px，同時配備1英寸 CMOS傳感器，最大分辨率為5472px×3078px。

1.1.4 無人機設(shè)備

該文使用大疆Phantom 4 Pro 無人機作為無人機設(shè)備。

1.2 無人機測量的方法與流程

針對無人機測量視角下的地籍測繪工作主要包括控制測量、航片獲取、空三加密、DOM 輸出以及圖形矢量化等5個技術(shù)環(huán)節(jié)。

1.2.1 控制測量

1.2.1.1 像控點選擇

考慮到測繪任務(wù)要求繪制1 ∶500 比例尺地圖，但以無人機航拍所獲的圖片分辨率為3PPI，又無法在攝像時進行進一步優(yōu)化，因此業(yè)內(nèi)加工數(shù)據(jù)的任務(wù)難度增加。在此基礎(chǔ)上，為方便像控點控制，盡量在航攝像片清晰位置選擇像控點，不能選擇房角、陰影或高程變化明顯的遮擋區(qū)域。例如可選擇路面車實線角、清晰道路交角、露天籃球場實線角作為像控點[3]。此外，為提高圖像精度，一般可借助像控點標志輔助攝像工作，即借助油漆在地面上構(gòu)成特定形狀，能夠方便測繪人員辨識像控點和進行無人機定位，提高像控精度。

1.2.1.2 像控點測量

進入像控點測量環(huán)節(jié)，常用全站儀和GPS-RTK 設(shè)備實現(xiàn)測量。其中，在應(yīng)用全站儀對界址點進行測量時，可使用截距法、距離交會法量取距離，能夠配合全站儀實現(xiàn)全方位的高精度測量，同時，對不低于5s 級全站儀的數(shù)據(jù)采集過程，應(yīng)于定向之后再檢查測站，將檢測坐標的誤差控制在5cm 內(nèi)。另外，如使用RTK 進行測量，則需要至少在一個已知點上完成，以規(guī)避誤差。

1.2.2 航片獲取

在航測過程中，首先對測繪項目進行勘察，掌握無人機飛行區(qū)域的測繪需求和作業(yè)特征，設(shè)計無人機的起降點。同時，根據(jù)項目設(shè)計書中對無人機測繪的具體需求，確定地面測繪分辨率，搭載相應(yīng)的攝像設(shè)備，并調(diào)整無人機飛行高度，確保無人機測繪作業(yè)的順利開展。此外，在特殊區(qū)域如山區(qū)的無人機測繪作業(yè)中，還需考慮地形地貌及環(huán)境因素對無人機飛行的影響，構(gòu)建應(yīng)急處理方案，并在適時調(diào)整無人機飛行模式的基礎(chǔ)上保證測繪作業(yè)的整體質(zhì)量。

1.2.3 空三加密

在無人機測繪作業(yè)中，空三加密能夠滿足地面控制點缺少情況下控制點的絕對定向，實現(xiàn)對無人機測繪作業(yè)的有效技術(shù)支撐。在此基礎(chǔ)上，常見空三加密技術(shù)有模擬空中三角測量和解析空中三角測量兩種，在該文中，以解析空中三角測量方法作為空三加密手段進行研究。其中，解析空中三角測量由嚴密的數(shù)學(xué)公式支持，其通過連續(xù)拍攝相鄰航片并分析其幾何特征與像點坐標，在最小二乘原理支持下得出加密控制點的坐標，具有計算效率高、受環(huán)境因素影響小等優(yōu)點，能夠既減少測繪人員的野外作業(yè)量，提高無人機測繪的整體效率，又保證測繪結(jié)果的精度，為地籍測繪工作提供有效支持[4]。

1.2.4 DOM、DSM 制作

對航片正射影像DOM 的制作，其目的主要在于對航片影像進行幾何糾正，將原始影像的中心投影更改為正射投影，即正射糾正，其具體流程可見圖2。

圖2 航片正射糾正

其中，利用空三加密結(jié)果與DEM 進行影像正射校正，生成完整的正射影像，并通過鑲嵌處理提高影像精度，同時，正射糾正涉及勻光算法，能夠在保證應(yīng)縣色彩損失最小前提下實現(xiàn)整體影像色調(diào)的統(tǒng)一完整，并保留原有圖像的色調(diào)、亮度及反差。在此基礎(chǔ)上，該文采用Pix4D 全自動處理軟件對DOM 和DSM 數(shù)據(jù)進行制作處理，包括空三加密、點云加密、三維網(wǎng)格紋理生成、數(shù)字表面模型及正射影像生成等環(huán)節(jié)。

1.2.5 圖形矢量化

基于已獲取的DOM 成果，利用CASS 農(nóng)村地籍軟件進行處理，實現(xiàn)對攝影圖像中道路邊線、房屋邊線、地類界邊線、路燈、井蓋、線桿等地物坐標位置的圖形矢量化。

2 無人機測量在地籍測繪中的應(yīng)用流程與技術(shù)要點

2.1 測區(qū)概況

以某自然保護區(qū)作為地籍測繪案例進行研究，其中，該區(qū)域總面積達400km2，包括耕地、林地以及濕地，由自然保護區(qū)管理委員會負責(zé)，周邊包括三個行政村。對此，選取該自然保護區(qū)內(nèi)一部分區(qū)域作為測繪試驗場地，其總面積約1km2，主要面狀地物以樓房為主，無房檐遮擋，主要線狀地物包括道路、圍欄，主要點狀地物涉及路燈、線桿、井蓋。同時，區(qū)域內(nèi)無高層建筑物，地形相對平坦，植被相對較低，滿足無人機飛行要求，因此可以進行無人機測繪試驗。

2.2 試驗內(nèi)容

在統(tǒng)一測繪要求下，分別采用無人機航測和數(shù)字地籍測量兩種測量方法展開測量作業(yè)，對比測繪精度、測繪時間、測繪效率以及測繪成本研究無人機測量在地籍測繪工作中的可行性。

2.3 控制網(wǎng)布設(shè)

考慮到該自然保護區(qū)缺少CORS 站網(wǎng)覆蓋，使用區(qū)域內(nèi)風(fēng)景點及建筑作為起算點，布設(shè)D 級控制網(wǎng)。同時，利用靜態(tài)控制網(wǎng)成果點及參數(shù)構(gòu)建針對地籍測繪的加密控制點，形成I 級的GPS 控制點，以方便后續(xù)像片控制點的選擇和調(diào)整。在此基礎(chǔ)上，共布設(shè)D 級GPS 控制點5 個，I 級GPS 控制點23 個，其控制點分布圖如圖3 所示。

圖3 控制點分布圖

2.4 無人機影像獲取

根據(jù)航空攝影規(guī)定，無人機航向重疊度不得小于53%，旁向重疊度不得小于15%，因此，在考量地籍測繪實際環(huán)境與無人機性能基礎(chǔ)上，設(shè)計航向重疊度為80%，旁向重疊度為65%，航高為232.58m，拍照間距為47.7m 且其配置相機配置如圖4 所示。

圖4 相機配置

完成航線設(shè)計之后，對無人機和其他配套設(shè)備進行檢查，重點檢查航拍儀固定座架、拍攝用鏡頭、各操作控制系統(tǒng)等是否運行正常，及時發(fā)現(xiàn)潛在隱患，確保航攝飛行穩(wěn)定。同時，考慮到無人機航攝姿態(tài)普遍穩(wěn)定性較差，為避免天氣因素對測繪作業(yè)的影響，于風(fēng)速較低條件下進行作業(yè)，獲取高精度測繪圖像。

2.5 無人機數(shù)據(jù)處理

通過無人機測繪作業(yè)，共收集航片1014 張，將其及對應(yīng)POS 數(shù)據(jù)和像控點數(shù)據(jù)導(dǎo)入Pix4D 軟件，結(jié)合GPS 位置與IMU 姿態(tài)數(shù)據(jù)得出外方位元素，生成點云。同時，利用空三加密進行處理，解算模型外方位元素，并在加密點云基礎(chǔ)上獲取DSM、DEM，最終得出DOM 數(shù)字正射影像圖片，如圖5 所示。

圖5 DOM 成果

2.6 成果圖繪制

基于DOM 成果，利用CASS 農(nóng)村地籍軟件進行圖像處理，標記圖像中的交通設(shè)施、居民地、植被園林、市政部件，形成滿足地籍測繪要求的地籍圖，并通過實地考察完善地籍圖，核實地籍圖內(nèi)無法判別的地物，如房屋層數(shù)、結(jié)構(gòu)、檢修井屬性、線桿類別等。

2.7 數(shù)字測量

為方便對比，使用全站儀極坐標法對試驗區(qū)域進行測繪，界址點及房屋點、地物點總計測量點38381 個。

2.8 統(tǒng)計對比

2.8.1 精度對比

對比兩種測繪方法，發(fā)現(xiàn)數(shù)字地籍測繪點位中誤差為0.061m。同時無人機航拍平面中誤差為0.063m，滿足地物點和二類界址點精度要求（0.075m），由此可見無人機航測分辨率相對較高，符合地籍測量需求。

2.8.2 作業(yè)成本對比

對比兩種測繪方法，發(fā)現(xiàn)無人機測繪僅需要14 個工時便可完成任務(wù)，遠少于地籍測繪，因此可以確定，無人機測繪具有工作成本低的優(yōu)勢，可以顯著改善地籍測繪工作的效率。

3 結(jié)語

綜上所述，無人機測繪具有精度高、分辨率高、成本低等優(yōu)勢，而在以實際案例為支撐進行研究的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)無人機測繪符合地籍測繪工作的具體要求，可有效支撐地籍測繪工作，推動地籍測繪工作的持續(xù)發(fā)展。