無人機航空攝影測量技術(shù)在第三次全國國土調(diào)查中的應(yīng)用*

鄒志鴻，周銀朋，王 兵

(貴州省地礦局測繪院，貴州 貴陽 550018)

0 引言

根據(jù)《第三次全國土地調(diào)查實施方案》的要求，第三次全國國土調(diào)查(簡稱“三調(diào)”)的任務(wù)是在第二次全國土地調(diào)查成果基礎(chǔ)上，在全國范圍內(nèi)，利用遙感、測繪、地理信息、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，統(tǒng)籌利用現(xiàn)有資料，以數(shù)字正射影像圖(DOM)為基礎(chǔ)，實地調(diào)查土地的地類、面積和權(quán)屬，全面掌握全國耕地、園地、林地、草地等地類分布及利用狀況；細化耕地調(diào)查，全面掌握耕地數(shù)量、質(zhì)量、分布和構(gòu)成。調(diào)查底圖要求采用優(yōu)于1.0 m分辨率高分衛(wèi)星影像生成的DOM，城鎮(zhèn)村莊內(nèi)部要求采用2014年以后分辨率優(yōu)于0.2 m的DOM。1.0 m分辨率的DOM成果為國家下發(fā)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，0.2 m分辨率的DOM成果是從地方相關(guān)職能部門獲取的數(shù)據(jù)以及因三調(diào)工作而自行生產(chǎn)的部分數(shù)據(jù)，如2014-2017年開展農(nóng)村集體土地承包經(jīng)營權(quán)確權(quán)工作時航飛的高清影像數(shù)據(jù)和三調(diào)作業(yè)單位在城鎮(zhèn)村范圍內(nèi)自行航飛的部分數(shù)據(jù)。

利用無人機航測技術(shù)快速獲取目標區(qū)域的數(shù)字正射影像圖，并以此影像作為調(diào)查工作的底圖，通過內(nèi)業(yè)解譯、外業(yè)實地核實，可大大提升成果的精度和調(diào)查的準確度，提高作業(yè)效率。本文以貴州荔波縣三調(diào)項目為例，介紹了無人機航空攝影測量技術(shù)生產(chǎn)DOM的流程以及其在三調(diào)工作中的具體應(yīng)用。

1 無人機航空攝影測量技術(shù)

無人機具有操作簡便、作業(yè)成本低、成圖精度高、適用范圍廣、生產(chǎn)周期短等特點，在小區(qū)域和飛行困難地區(qū)高分辨率影像快速獲取方面具有明顯優(yōu)勢[1]。近年來，隨著無人機硬件設(shè)備性能的不斷提升，低空無人機攝影測量技術(shù)在許多領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。無人機航空攝影測量主要是通過無人機搭載數(shù)字航攝儀獲取原始數(shù)字影像，采集部分像控點和檢查點，通過空三加密、生成點云數(shù)據(jù)，最終獲得測區(qū)內(nèi)的數(shù)字高程模型(DEM)、數(shù)字正射影像圖(DOM)及數(shù)字線劃圖(DLG)等數(shù)字產(chǎn)品。

1.1 數(shù)據(jù)獲取

在荔波縣的三調(diào)工作中，結(jié)合項目地形特點，主要采用垂直起降固定翼無人機CW-20進行低空攝影作業(yè)。數(shù)據(jù)采集前需要根據(jù)測區(qū)實際情況設(shè)計航攝方案，其中某個分區(qū)航攝飛行設(shè)計參數(shù)，如表1所示。

表1 分區(qū)航攝飛行設(shè)計參數(shù)表

目前，隨著無人機相關(guān)軟件技術(shù)的提高，尤其是在使用相關(guān)的航程規(guī)劃軟件后，相關(guān)人員僅需要在軟件上經(jīng)由鼠標進行簡單控制操作，便能實現(xiàn)規(guī)范化、高效化的無人機作業(yè)[2]。

無人機外業(yè)航飛獲取的數(shù)據(jù)質(zhì)量在很大程度上決定最終的DOM成果質(zhì)量，而無人機的性能以及飛行時相關(guān)參數(shù)的設(shè)置又直接決定外業(yè)飛行的數(shù)據(jù)質(zhì)量，所以，選擇穩(wěn)定、安全、可靠的無人機設(shè)備是首要條件。影像數(shù)據(jù)采集完成后，需要制定像控點布設(shè)方案。外業(yè)人員按照方案要求實地核對并標定，嚴格按照規(guī)范要求測定擬定的像控點的三維坐標[3]。

1.2 空中三角測量

空中三角測量，簡稱空三加密，是立體攝影測量中，利用少量的外業(yè)實測控制點進行內(nèi)業(yè)控制點加密，測得加密點的高程和平面位置的測量方法。該方法主要是依據(jù)外業(yè)采集的像控點及航攝分區(qū)進行區(qū)域網(wǎng)劃分，利用空三加密軟件自動匹配連接點、控制點量測等進行空三作業(yè)，優(yōu)先采用全自動匹配連接點，自動匹配薄弱區(qū)域可進行人工選擇連接點。該方法的主要技術(shù)流程，如圖1所示。

圖1 數(shù)字空中三角測量技術(shù)流程圖Fig.1 Technique flow of digital aerial triangulation

1.3 數(shù)字正射影像圖(DOM)的制作

由于DOM具有精度高、信息豐富、直觀逼真、現(xiàn)勢性強等優(yōu)點，DOM已被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，針對DOM制作，其主要是以數(shù)字高程模型為基礎(chǔ)，首先利用空中三角測量獲得的加密成果，生成測區(qū)數(shù)字高程模型，利用數(shù)字高程模型對原始影像進行正射糾正，獲得單片的數(shù)字正射影像圖，再將整個測區(qū)的正射影像進行勻光勻色處理、鑲嵌線編輯，融合得到整個項目區(qū)的數(shù)字正射影像圖(DOM)，之后根據(jù)項目要求，對整個項目區(qū)的數(shù)字正射影像圖進行分幅裁切、圖廓整飾，形成標準分幅數(shù)字正射影像圖數(shù)據(jù)成果。

本次試驗區(qū)選擇貴州省東南部的荔波縣玉屏街道、朝陽鎮(zhèn)、小七孔鎮(zhèn)等城鎮(zhèn)及周邊范圍，于2019年2月采用低空航測外業(yè)系統(tǒng)進行生產(chǎn)，飛行平臺采用CW-20垂直起降固定翼無人機，該機型具有飛行時間長、對起飛場地要求較低等優(yōu)點，能夠較好的滿足在山區(qū)進行高分辨率作業(yè)的特點，通過外業(yè)航飛獲得了試驗區(qū)地面分辨率優(yōu)于0.2 m的原始影像，外業(yè)航飛工作完成之后再進行GPS控制點量測，獲得地面控制點和檢查點。在該試點工作中，引入了差分GPS技術(shù)，通過引入該項技術(shù)，使得外業(yè)像控的工作量減少了至少60%以上，在很大程度上節(jié)約了成本并提高了工作效率。

空中三角測量采用PHOTOMOD全數(shù)字攝影測量系統(tǒng)，在PHOTOMOD環(huán)境下，新建工程，建立航帶，設(shè)置相機參數(shù)，加載影像數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)及控制點數(shù)據(jù)，采用POS+控制點的平差方法自動建立航帶模型之間的拓撲關(guān)系網(wǎng)，進行全自動定向處理。

根據(jù)高精度的空中三角測量結(jié)果，生成測區(qū)數(shù)字高程模型，對原始影像進行數(shù)字微分糾正，獲得單片正射影像圖，再經(jīng)過鑲嵌線編輯和影像勻光勻色等，即可獲得測區(qū)數(shù)字正射影像圖(DOM)。項目區(qū)原始影像和正射影像對比，如圖2所示。

圖2 項目區(qū)原始影像和正射影像對比圖Fig.2 Comparison of original images and DOM in study area

2 無人機航空攝影測量在三調(diào)中的應(yīng)用

三調(diào)工作的土地利用現(xiàn)狀調(diào)查分為農(nóng)村和城鎮(zhèn)兩部份。按照三調(diào)技術(shù)要求，農(nóng)村土地利用現(xiàn)狀調(diào)查須采用國家三調(diào)辦下發(fā)的優(yōu)于1.0 m分辨率的遙感影像資料；城鎮(zhèn)村莊內(nèi)部土地利用現(xiàn)狀調(diào)查須采用2014年以后，且分辨率優(yōu)于0.2 m的數(shù)字航空遙感影像資料。但是國家三調(diào)辦下發(fā)的優(yōu)于1.0 m分辨率的遙感影像資料在山地區(qū)域影像紋理、色調(diào)和地物層次上都不足以將地物地類判繪清楚。因此，按照貴州省三調(diào)辦擬定的具體技術(shù)細則，在地類圖斑判繪中須以二調(diào)數(shù)據(jù)和1.0 m分辨率的遙感影像資料為基礎(chǔ)，參考0.2 m的數(shù)字航空遙感影像資料進行內(nèi)業(yè)解讀和判繪。將室內(nèi)能夠判讀清楚的地類直接標繪在調(diào)查底圖上，并以此作為土地利用現(xiàn)狀調(diào)查外業(yè)工作的底圖，實地調(diào)查每塊圖斑的地類、位置、范圍、面積等利用狀況，在開展外業(yè)實地調(diào)查的同時，一并開展圖斑舉證工作，對影像未能反映的地物進行補測，最后依據(jù)外業(yè)調(diào)查結(jié)果，進行內(nèi)業(yè)矢量化和建庫處理工作。

在部份實地變化較大的區(qū)域，主要為城鎮(zhèn)內(nèi)部及其周邊區(qū)域，因收集到0.2 m的DOM成果資料現(xiàn)勢性較差，影像和實地存在較大差異，很難滿足工作需求。作業(yè)單位在貴州多個地區(qū)采用無人機航空攝影測量技術(shù)獲取了測區(qū)的高分辨率影像，生產(chǎn)了該區(qū)域DOM數(shù)據(jù)，且在三調(diào)土地利用現(xiàn)狀調(diào)查工作中進行了有效應(yīng)用。

2.1 內(nèi)業(yè)判繪的應(yīng)用

以0.2 m分辨率的影像生產(chǎn)的DOM較1.0 m分辨率影像生產(chǎn)的DOM成果紋理更清晰，地物層次更清楚。以此為底圖進行內(nèi)業(yè)預(yù)判和圖斑勾繪生產(chǎn)，能在較大程度上與現(xiàn)狀地物吻合，提高了圖斑成果質(zhì)量的精度。利用1.0 m分辨率DOM勾繪的圖斑與0.2 m分辨率DOM對比，如圖3所示。

圖3 利用1.0 m分辨率DOM勾繪的圖斑與0.2 m分辨率DOM對比Fig.3 Comparison of plot drawn with 1.0 m resolution DOM and 0.2 m resolution DOM

將以1.0 m分辨率影像生產(chǎn)的DOM結(jié)合二調(diào)基礎(chǔ)判繪的圖斑數(shù)據(jù)，疊加在地面分辨率優(yōu)于0.2 m分辨率影像生產(chǎn)的DOM進行對比，會發(fā)現(xiàn)以1.0 m分辨率影像生產(chǎn)的DOM結(jié)合二調(diào)基礎(chǔ)判繪的圖斑數(shù)據(jù)，無論是地類還是圖斑界線上都不能完全一致，與之形成巨大的反差。

本次由作業(yè)單位在城鎮(zhèn)村范圍內(nèi)自行航飛0.2 m分辨率影像數(shù)據(jù)，在坐標校正和影像糾偏上，與國家下發(fā)的1.0 m分辨率影像數(shù)據(jù)存在一定的差距。因此，國家三調(diào)辦要求用0.2 m高分辨率影像DOM成果必須上報國家三調(diào)辦檢查合格后，才能作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)用于三調(diào)生產(chǎn)工作。貴州省第三次國土調(diào)查要求的作業(yè)判繪方法，是以二調(diào)數(shù)據(jù)成果和1.0 m分辨率影像生產(chǎn)的DOM作為基礎(chǔ)，參考地面分辨率優(yōu)于0.2 m的影像生產(chǎn)的DOM成果判繪圖斑，加上相關(guān)要素后，形成外業(yè)調(diào)查工作底圖，再開展外業(yè)調(diào)繪工作。

2.2 新增地物的補測的應(yīng)用

由于新航飛的0.2 m高分辨率影像DOM成果數(shù)據(jù)現(xiàn)勢性強，尤其是在城市開發(fā)建設(shè)比較頻繁的區(qū)域，通過新航飛0.2 m高分辨率影像生產(chǎn)DOM作為判繪參考，可以直接在DOM上進行準確的預(yù)判和勾繪，不需要對新增地物進行補測，提高了三調(diào)的工作效率、成果精度和質(zhì)量。

對于在外業(yè)調(diào)繪過程中，新增地物的補測是一個難題。圖4(a)為國家三調(diào)辦下發(fā)1.0 m分辨率影像，圖4(b)為本次工作中新飛的0.2 m分辨率影像。由于國家下發(fā)的影像拍攝時間較本次工作新飛影像時間要早，從本次新飛影像生產(chǎn)的DOM上可以看出，在此區(qū)中心圖斑的左下角新增了兩個大棚建筑。在外業(yè)調(diào)查核實過程中，對于新增地物，由于沒有影像基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，若采用目測法，很難將新增地物的范圍調(diào)繪準確；若采用全站儀或RTK等測繪儀器測量，又將大大增加外業(yè)調(diào)繪工作量。從圖4(b)可以看出，采用新航飛0.2 m分辨率影像生產(chǎn)的DOM能準確判繪出新增的農(nóng)村居民點圖斑界線，避免了使用全站儀或RTK等測繪儀器進行實測工作。

圖4 新增地物對比圖Fig.4 Comparison of new features

2.3 外業(yè)調(diào)查舉證

在第三次全國國土調(diào)查工作中，外業(yè)核查及舉證是三調(diào)工作的重要組成部分，通過無人機進行外業(yè)航攝可以達到調(diào)查舉證的目的，具有低成本、高效率的特點，此外對調(diào)查人員無法到達的區(qū)域，尤其是像貴州這種山地和高山地地區(qū)，能夠快速的實現(xiàn)現(xiàn)狀與國家內(nèi)業(yè)提取不一致圖斑的拍照舉證工作。例如：在貴州省第三次全國國土資源調(diào)查舉證平臺上，954號圖斑內(nèi)業(yè)預(yù)判為旱地(0103)，但在二調(diào)數(shù)據(jù)庫中此地塊為水田(0101)，通過與二調(diào)數(shù)據(jù)對比，發(fā)現(xiàn)是耕地范圍內(nèi)的二級地類發(fā)生變化，需要進行舉證。但由于此圖斑比較偏僻，若去實地照相舉證將耗費不必要的人力、物力和時間。而采用剛飛的影像生產(chǎn)的DOM數(shù)據(jù)舉證，既能節(jié)省人力、物力，又能說明問題。

在圖5(a)中，954號圖斑用1.0 m分辨率DOM判繪為旱地，但從影像紋理上看，還不能完全確認其為旱地。而在圖5(b)中，0.2 m分辨率DOM紋理則可以清楚地看出現(xiàn)狀為旱地(0103)。通常0.2 m高清影像就足以說明和舉證其現(xiàn)在的地類屬性。

圖5 1.0 m分辨率DOM與0.2 m分辨率DOM清晰度對比Fig.5 Definition comparison of DOM with 1.0 m resolution and 0.2 m resolution

3 結(jié)束語

利用無人機低空攝影測量技術(shù)獲取地面分辨率優(yōu)于0.2 m的影像數(shù)據(jù)，生產(chǎn)數(shù)字正射影像圖(DOM)，并將其應(yīng)用于第三次全國國土調(diào)查工作中，能從地類的判定、圖斑界線的勾繪、新增地物的補測、外業(yè)調(diào)查舉證等多方面提高工作效率，提升成果精度和質(zhì)量，具有很強的可行性與實用性，且與傳統(tǒng)測量技術(shù)相比，具有成圖快、精度高的特點。