土地調(diào)查中無(wú)人機(jī)攝影測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用研究

劉善彬

(河南省航空物探遙感中心，河南 鄭州 450053)

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，對(duì)土地的需求量日益緊張，對(duì)土地調(diào)查工作的需求也越來(lái)越大。傳統(tǒng)的土地調(diào)查方法已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)代化的發(fā)展需要[1]。隨著現(xiàn)代技術(shù)的不斷發(fā)展，當(dāng)前計(jì)算機(jī)技術(shù)以及現(xiàn)代遙感技術(shù)都已經(jīng)成功的應(yīng)用到土地調(diào)查工作中來(lái)，發(fā)揮了很大的作用，極大改善了土地調(diào)查工作量，提升了此項(xiàng)工作的質(zhì)量和效率[2]?，F(xiàn)階段在土地調(diào)查工作中使用較多的是衛(wèi)星遙感影像技術(shù)，但此項(xiàng)技術(shù)的費(fèi)用較高、制作周期較長(zhǎng)，暴露出了一定的弊端[3]。因此，急需研究更加先進(jìn)、成本更低、效率更高的技術(shù)取代傳統(tǒng)的衛(wèi)星遙感影像技術(shù)。近年來(lái)，無(wú)人機(jī)獲得了高速發(fā)展，在很多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，具有動(dòng)力能耗低、可操控性強(qiáng)等眾多優(yōu)勢(shì)[4]。所以，可以將無(wú)人機(jī)作為搭載平臺(tái)基于遙感影像技術(shù)開(kāi)展土地調(diào)查工作。目前已有很多學(xué)者和技術(shù)人員針對(duì)此問(wèn)題開(kāi)展研究，發(fā)現(xiàn)基于無(wú)人機(jī)的攝影測(cè)繪技術(shù)具有更高的分辨率，應(yīng)用效果顯著[5]。本文主要分析了無(wú)人機(jī)攝影測(cè)繪技術(shù)在土地調(diào)查中的應(yīng)用情況，對(duì)于提升土地調(diào)查工作的質(zhì)量和效率具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

1 無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)的主要構(gòu)成部分如圖1所示，由圖1可知，整個(gè)系統(tǒng)由5大部分構(gòu)成，以下對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)介紹[6]。

圖1 無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)主要構(gòu)成部分Fig.1 Main components of UAV remote sensing system

(1)飛行平臺(tái)。飛行平臺(tái)是指飛行器本身，遙感系統(tǒng)中的其他設(shè)備包括傳感器等都需要搭載在平臺(tái)上運(yùn)行。

(2)導(dǎo)航控制系統(tǒng)。是無(wú)人機(jī)最關(guān)鍵的部分，作用是確保無(wú)人機(jī)按照設(shè)定的路程飛行，主要包括GPS導(dǎo)航系統(tǒng)、IMU慣性導(dǎo)航傳感器、氣壓傳感器等。導(dǎo)航控制系統(tǒng)接受地面控制器的指令，在確保飛行過(guò)程安全和穩(wěn)定的前提條件下按照下達(dá)的飛行速度、方向和高度進(jìn)行飛行。在GPS和IMU的綜合作用下，無(wú)人機(jī)在拍攝圖像時(shí)可以將設(shè)備的仰俯角、側(cè)滾角、高度、航偏角以及經(jīng)緯度等數(shù)據(jù)信息嵌入到照片中，以上數(shù)據(jù)可以為后續(xù)圖像處理提供數(shù)據(jù)支撐。一般而言，根據(jù)規(guī)劃設(shè)計(jì)提前設(shè)置好無(wú)人機(jī)的飛行路線，整個(gè)飛行可以自動(dòng)化完成，無(wú)需人為干預(yù)。

(3)傳感器。無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)中使用的傳感器就是具有高分辨率的單反數(shù)碼相機(jī)，也有部分系統(tǒng)會(huì)搭載雷達(dá)設(shè)施。由于相機(jī)拍攝時(shí)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因此拍攝得到的照片通常會(huì)發(fā)生一定的影像畸變，在后續(xù)處理時(shí)需要對(duì)畸變圖像進(jìn)行矯正處理，具體矯正系數(shù)需要結(jié)合無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行確定。

(4)地面工作站。地面工作站主要由監(jiān)控軟件、計(jì)算機(jī)以及無(wú)線電臺(tái)等部分構(gòu)成，作用是與飛行設(shè)備保持聯(lián)系，向無(wú)人機(jī)下達(dá)控制指令，并接收來(lái)自無(wú)人機(jī)的飛行數(shù)據(jù)和拍攝數(shù)據(jù)。無(wú)人機(jī)起飛前需要利用地面工作站設(shè)置起飛點(diǎn)、落腳點(diǎn)以及具體飛行數(shù)據(jù)和拍攝參數(shù)，系統(tǒng)自動(dòng)生成相應(yīng)的飛行參數(shù)，包括飛行高度、飛行路徑等。

(5)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。作用是將拍攝獲得的圖像進(jìn)行分析處理，在拍攝現(xiàn)場(chǎng)即可對(duì)照片質(zhì)量進(jìn)行檢查，后期可對(duì)照片進(jìn)行深度挖掘處理，獲得正射影圖像。

2 試驗(yàn)區(qū)概況及無(wú)人機(jī)影像獲取

2.1 試驗(yàn)區(qū)基本情況

為了對(duì)無(wú)人機(jī)攝影測(cè)繪技術(shù)的效果進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)，選擇西南區(qū)域某城鎮(zhèn)作為試驗(yàn)對(duì)象。試驗(yàn)區(qū)域的面積為140 km2左右，轄區(qū)內(nèi)包含有多種土地類(lèi)型，比較具有代表性。此城鎮(zhèn)地處亞熱帶，屬于溫帶季風(fēng)性氣候，夏天溫度不高，冬季氣候不冷，四季分明，年平均溫度15 ℃，降雨量1 345 mm。

2.2 無(wú)人機(jī)影像獲取

(1)無(wú)人機(jī)概述。考慮到試驗(yàn)區(qū)域的地形地貌特征以及試驗(yàn)所需數(shù)據(jù)基本要求。試驗(yàn)中選用的無(wú)人機(jī)型號(hào)為EBEE，屬于微型無(wú)人機(jī)，此無(wú)人機(jī)在市場(chǎng)上比較常見(jiàn)，經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明具有較好的穩(wěn)定性[7]。航測(cè)系統(tǒng)是無(wú)人機(jī)中非常重要的構(gòu)成部分，主要包括通信系統(tǒng)、操作平臺(tái)和航線規(guī)劃控制模塊等。軟件和硬件的綜合運(yùn)用可以完成基于無(wú)人機(jī)的影像測(cè)繪過(guò)程。EBEE型號(hào)無(wú)人機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表1。另外，無(wú)人機(jī)可以結(jié)合實(shí)際工作需要搭載不同形式的傳感器。常見(jiàn)的包括近紅外相機(jī)、RGB相機(jī)等。結(jié)合本次試驗(yàn)對(duì)影像數(shù)據(jù)的基本要求，選用的是數(shù)碼定焦相機(jī)，其像素為1 600萬(wàn)、焦距為14 mm。

表1 無(wú)人機(jī)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)Tab.1 Key technical parameters of UAV

(2)基本工作流程。無(wú)人機(jī)影像獲取基本流程如圖2所示。

圖2 無(wú)人機(jī)影像獲取基本流程Fig.2 Basic process of human-machine image acquisition

在利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行航拍前，需要對(duì)試驗(yàn)區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行實(shí)地勘察，并收集有關(guān)數(shù)據(jù)資料，結(jié)合實(shí)際情況設(shè)計(jì)飛行器的航飛路徑，同時(shí)向有關(guān)部門(mén)申請(qǐng)飛行需求[8]。無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中利用數(shù)碼定焦相機(jī)拍攝獲得影像數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可對(duì)圖像進(jìn)行初步分析，確保所有影像數(shù)據(jù)均滿(mǎn)足質(zhì)量要求，利用系統(tǒng)內(nèi)置程序?qū)D像進(jìn)行矯正處理。另外，還需要基于像控點(diǎn)確保圖像的正確性。完成以上工作后即可獲得質(zhì)量滿(mǎn)足要求的原始影像圖片。

3 無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)處理

3.1 技術(shù)流程

搭載在無(wú)人機(jī)中的數(shù)碼定焦相機(jī)采集得到的影像數(shù)據(jù)，其分辨率可以達(dá)到0.08 m。對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理后，需要對(duì)其進(jìn)行深入挖掘分析，無(wú)人機(jī)影像圖片數(shù)據(jù)處理技術(shù)流程如圖3所示。技術(shù)流程可以概述如下：在對(duì)航拍影像圖片進(jìn)行初步矯正處理后，進(jìn)行空中三角測(cè)量可生成數(shù)字高程模型DEM。DEM是在影像圖片的基礎(chǔ)上結(jié)合有限地形高程數(shù)據(jù)形成的地面地形數(shù)字化模型[9]。進(jìn)一步利用DOM技術(shù)可以對(duì)影像圖片數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字微分糾正與鑲嵌，具體而言包括3個(gè)方面的內(nèi)容，分別為正射矯正、色彩調(diào)整和影像拼接，最終可以獲得數(shù)字正射影像圖，即DOM。DOM中涵括有豐富的數(shù)據(jù)信息，且數(shù)據(jù)獲取方便，圖像直觀逼真等[10]。在土地調(diào)查工作中展現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢(shì)。

圖3 無(wú)人機(jī)影像圖片數(shù)據(jù)處理技術(shù)流程Fig.3 Technology process of UAV image data processing

3.2 影像圖片控制點(diǎn)布設(shè)

影像圖片控制點(diǎn)測(cè)量工作是開(kāi)展空中三角測(cè)量的重要基礎(chǔ)。控制點(diǎn)選擇的合理性會(huì)對(duì)后續(xù)圖像分析處理工作帶來(lái)顯著影響，最顯著的影響是降低處理精度。實(shí)際飛行測(cè)量中，測(cè)量區(qū)域通常會(huì)包含2條及以上的平行航線布設(shè)，具體控制點(diǎn)布設(shè)方案為：

(2)航線數(shù)量與比例尺之間的關(guān)系如圖4所示，旁向相鄰平面控制點(diǎn)的航線數(shù)量根據(jù)圖4所示的基本規(guī)則進(jìn)行選取。

圖4 航線數(shù)量與比例尺之間的關(guān)系Fig.4 Relationship between the number of routes and the scale

(3)在生成數(shù)字高程模型DEM和數(shù)字正射影像圖DOM過(guò)程中，都需要用到高程控制點(diǎn)，所以高程控制點(diǎn)布設(shè)質(zhì)量會(huì)對(duì)DEM和DOM的生成過(guò)程和結(jié)果產(chǎn)生非常重要的影響。在布設(shè)高程點(diǎn)時(shí)應(yīng)該根據(jù)航線逐條布設(shè)，保證控制點(diǎn)的均勻性。在航線的起點(diǎn)和終點(diǎn)2個(gè)位置必須布設(shè)高程控制點(diǎn)。

(4)對(duì)于部分特殊區(qū)域采集高程控制點(diǎn)時(shí)可能會(huì)存在一定難度，比如戈壁、沼澤、沙漠、森林等，對(duì)于以上區(qū)域高程和平面誤差均可以適當(dāng)擴(kuò)大到原有的0.5倍，所以在布設(shè)控制點(diǎn)時(shí)也可適當(dāng)放寬要求。

3.3 DEM生成

DEM是根據(jù)試驗(yàn)區(qū)域地形地貌特征采集獲得的影像數(shù)據(jù)，基于設(shè)定的規(guī)則進(jìn)行拼接以后覆蓋整個(gè)范圍的包含有高程信息的數(shù)字化模型，由多個(gè)不重疊的三角形構(gòu)成。生成DEM時(shí)，首先需要對(duì)布設(shè)控制點(diǎn)的高程及平面位置信息進(jìn)行采集，然后以控制點(diǎn)為整體框架體系，基于插值方法對(duì)其他位置的高程和位置信息進(jìn)行擬合，從而獲得DEM。本研究中，采集得到相關(guān)數(shù)據(jù)圖像信息后，利用Photo Scan軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，基于人工數(shù)據(jù)采集+軟件自動(dòng)匹配的方法生成DEM，可以滿(mǎn)足DEM生成精度以及處理效率的基本要求。在軟件中可以設(shè)定好網(wǎng)格間距，通過(guò)對(duì)DEM進(jìn)行分塊立體編輯的方式實(shí)現(xiàn)高程點(diǎn)的自動(dòng)化匹配。對(duì)于一些特殊的地形區(qū)域，需要對(duì)區(qū)域中的關(guān)鍵位置，如山頭、洼地等的平面位置和高程信息進(jìn)行采集，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建立體三維模型。DEM生成結(jié)果案例如圖5所示。

圖5 DEM生成結(jié)果案例Fig.5 DEM generation result case

3.4 DOM生成

受到拍攝環(huán)境、時(shí)間、角度等多方面因素影響，獲取的影像圖片其色彩和亮度等通常會(huì)存在明顯的差異。如果不對(duì)影像資料的亮度和色彩進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，那么在圖像拼接過(guò)程中可能會(huì)存在較大的誤差或者縫隙，所以對(duì)圖像進(jìn)行拼接前需要對(duì)其色彩進(jìn)行調(diào)整。本研究中基于Photoshop軟件對(duì)圖像的色彩進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化調(diào)整處理，在軟件中設(shè)置好標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)后可以實(shí)現(xiàn)大批量調(diào)整，確保圖像具有相同的飽和度、色彩、亮度、對(duì)比度等。完成色彩調(diào)整工作后對(duì)圖像進(jìn)行拼接即可得到數(shù)字正射影像圖。

4 土地類(lèi)型的內(nèi)業(yè)解譯

4.1 解譯方法選擇

由于無(wú)人機(jī)攝影獲得的影像圖片只能夠反映對(duì)象的光譜信息，系統(tǒng)難以對(duì)圖片中的土地類(lèi)型進(jìn)行自動(dòng)化提取分類(lèi)。本試驗(yàn)過(guò)程中主要通過(guò)人工方式對(duì)處理后的圖片，根據(jù)相關(guān)區(qū)域的質(zhì)地、色彩和形狀等信息進(jìn)行內(nèi)業(yè)解譯。

4.2 解譯標(biāo)志構(gòu)建

(1)土地類(lèi)型采集。正式對(duì)土地類(lèi)型進(jìn)行解譯前，首先要通過(guò)調(diào)查走訪的形式了解該地區(qū)具體的土地類(lèi)型，并建立標(biāo)準(zhǔn)的樣本庫(kù)，以此作為解譯的重要標(biāo)準(zhǔn)和基礎(chǔ)。通過(guò)實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)區(qū)域共包含12個(gè)一級(jí)類(lèi)和33個(gè)二級(jí)類(lèi)。試驗(yàn)區(qū)域土地類(lèi)型基本情況如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)區(qū)域土地類(lèi)型基本情況Fig.6 Basic conditions of land types in experimental area

(2)解譯標(biāo)志構(gòu)建。不同土地類(lèi)型有其特有的文理特征，在內(nèi)業(yè)解譯過(guò)程中只需要對(duì)圖片的紋理特征進(jìn)行辨識(shí)即可辨別對(duì)應(yīng)的土地類(lèi)型。所謂解譯標(biāo)志就是在無(wú)人機(jī)攝影圖像上找到相關(guān)影像特征，為判別土地類(lèi)型或者典型地理位置等奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。解譯人員在綜合分析圖像類(lèi)型、比例尺、季節(jié)氣候、攝影時(shí)間等因素的基礎(chǔ)上，對(duì)土地類(lèi)型進(jìn)行內(nèi)業(yè)解譯。本研究在構(gòu)建解譯標(biāo)志時(shí)的方法可以分為2種類(lèi)型，分別會(huì)直接構(gòu)建法和間接構(gòu)建法。直接構(gòu)建法是對(duì)影像圖片的形狀、色彩、紋理、陰影等特征進(jìn)行判定，以建立對(duì)應(yīng)土地類(lèi)型的基本影像特征。間接構(gòu)建法則是根據(jù)相鄰?fù)恋仡?lèi)型之間的聯(lián)系以及分布特征等，間接地判斷對(duì)應(yīng)土地類(lèi)型的影像特征。

(3)內(nèi)業(yè)解譯。解譯過(guò)程中對(duì)于寬度大于5 m的管道、道路、鐵路、溝渠等按照實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)查標(biāo)記，部分寬度相對(duì)較小但是具有重要作用和功能的道路等也要進(jìn)行標(biāo)記，其他情況可以將其歸類(lèi)到相鄰?fù)恋仡?lèi)型處理。另外，如果某區(qū)域內(nèi)對(duì)應(yīng)的土地類(lèi)型面積相對(duì)較小，可以將其歸類(lèi)到相鄰?fù)恋仡?lèi)型處理，典型地塊類(lèi)型的最小上圖面積如圖7所示。

圖7 不同地塊類(lèi)型的最小上圖面積Fig.7 Minimum above image area of different parcel types

對(duì)于建設(shè)用地和設(shè)施農(nóng)用地，面積超過(guò)200 m2才單獨(dú)標(biāo)記為對(duì)應(yīng)的土地類(lèi)型，農(nóng)用地和其他地類(lèi)面積分別超過(guò)400 m2和600 m2時(shí)單獨(dú)標(biāo)記為對(duì)應(yīng)的土地類(lèi)型?；跓o(wú)人機(jī)攝影測(cè)繪技術(shù)的試驗(yàn)部分區(qū)域內(nèi)業(yè)解譯結(jié)果如圖8所示。

5 無(wú)人機(jī)攝影測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

為了對(duì)無(wú)人機(jī)攝影測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，在利用無(wú)人機(jī)遙感影像進(jìn)行內(nèi)業(yè)解譯的基礎(chǔ)上，在試驗(yàn)區(qū)范圍內(nèi)選取部分區(qū)域開(kāi)展外業(yè)實(shí)地調(diào)查工作。實(shí)驗(yàn)區(qū)域面積約為18.13 km2，內(nèi)部包含有7個(gè)一級(jí)類(lèi)和22個(gè)二級(jí)類(lèi)，非常豐富，可以很好地反映無(wú)人機(jī)攝影測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用效果。將基于無(wú)人機(jī)獲取的內(nèi)業(yè)解譯結(jié)果與外地實(shí)地調(diào)查結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)兩者存在差異的面積為0.82 km2，兩者完全相同的面積為17.31km2，不同地塊類(lèi)型的內(nèi)業(yè)解譯誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖9所示。基于圖9中數(shù)據(jù)可以看出，7個(gè)一級(jí)類(lèi)地塊中平均誤差面積均相對(duì)較小，交通用地的平均誤差面積最大，為0.030 8 km2。各種地塊的誤差平均值也相對(duì)較小，林地的相對(duì)誤差是最大，為4.8%。出現(xiàn)這種情況的原因：①林地與耕地、園地、草地的影像圖片紋理比較相似，容易錯(cuò)誤地將林地解譯成為其他土地類(lèi)型，比如耕地、園地、草地等；②無(wú)人機(jī)攝像頭分辨率不夠高。

圖8 基于無(wú)人機(jī)攝影測(cè)繪技術(shù)的試驗(yàn)部分區(qū)域內(nèi)業(yè)解譯結(jié)果Fig.8 Internal interpretation results in some areas of trial based on UAV photography surveying and mapping technology

圖9 不同地塊類(lèi)型的內(nèi)業(yè)解譯誤差統(tǒng)計(jì)Fig.9 Internal interpretation error statistics of different parcel types

綜上所述，基于無(wú)人機(jī)攝影測(cè)繪技術(shù)的內(nèi)業(yè)解譯結(jié)果與外業(yè)實(shí)地調(diào)查結(jié)果具有非常高的相似度，不同土地類(lèi)型的內(nèi)業(yè)解譯的正確率均超過(guò)95%。如果使用分辨率更高的數(shù)碼攝像機(jī)，則可以進(jìn)一步提升內(nèi)業(yè)解譯的結(jié)果精度。

6 結(jié)論

本文主要以無(wú)人機(jī)攝影測(cè)繪技術(shù)為研究對(duì)象，將此項(xiàng)技術(shù)用在土地調(diào)查工作中，所得結(jié)論主要有：

(1)無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)是開(kāi)展土地調(diào)查攝影測(cè)繪工作的硬件設(shè)施，主要由飛行平臺(tái)、導(dǎo)航控制系統(tǒng)、傳感器、地面工作站以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等部分構(gòu)成。利用遙感系統(tǒng)可以獲得研究區(qū)域范圍內(nèi)的影像圖片。

(2)通過(guò)合理的設(shè)置控制點(diǎn)，并使用專(zhuān)業(yè)軟件可以在影像圖片的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，生成包含有高程信息的DEM和DOM數(shù)據(jù)資料，為后續(xù)的內(nèi)業(yè)解譯工作奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

(3)對(duì)試驗(yàn)區(qū)域土地類(lèi)型進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)共包含有12個(gè)一級(jí)類(lèi)和33個(gè)二級(jí)類(lèi)，在此基礎(chǔ)上根據(jù)影像圖片中的色彩、形狀等特征可以對(duì)土地類(lèi)型進(jìn)行高精度解譯，解譯時(shí)對(duì)于形狀和面積較小的區(qū)域可以并入相鄰?fù)恋仡?lèi)型中。

(4)在試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)選擇面積為18.13 km2的區(qū)域開(kāi)展外業(yè)實(shí)地調(diào)查工作，并將結(jié)果與內(nèi)業(yè)解譯結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)內(nèi)業(yè)解譯結(jié)果平均誤差面積和誤差平均值均相對(duì)較小，內(nèi)業(yè)解譯精度達(dá)到了95%以上。