無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在墾造水田項(xiàng)目中的應(yīng)用

符 利

(廣東水電二局股份有限公司，廣州 511340)

1 概述

為了加強(qiáng)耕地保護(hù)和改進(jìn)占補(bǔ)平衡，堅(jiān)決遏制耕地“非農(nóng)化”、防止耕地“非糧化”，加強(qiáng)國(guó)土空間規(guī)劃管控，嚴(yán)格控制新增建設(shè)占用耕地，引導(dǎo)各地不占或少占水田等優(yōu)質(zhì)耕地，在省內(nèi)開(kāi)展了墾造水田項(xiàng)目建設(shè)。墾造水田項(xiàng)目涉及范圍廣、工期緊、精度高，在建設(shè)過(guò)程中需要是三維實(shí)景模型、數(shù)字線劃圖、正射影像圖、坡度分級(jí)圖等多種成果，以滿足不同階段的項(xiàng)目建設(shè)工作需求。而傳統(tǒng)的測(cè)量方式存在投入大，效率低，測(cè)繪成果單一的問(wèn)題，無(wú)法滿足項(xiàng)目建設(shè)在不同階段的需要。

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是運(yùn)用無(wú)人機(jī)航攝儀野外一次性飛行航拍，獲取項(xiàng)目范圍內(nèi)的多個(gè)角度的高質(zhì)量影像數(shù)據(jù)，通過(guò)影像數(shù)據(jù)處理軟件建立高精度、高分辨率的三維實(shí)景模型，輸出數(shù)字線劃圖、正射影像圖及坡度分級(jí)圖等。

2 飛馬D2000無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)介

本項(xiàng)目選用的是深圳飛馬公司D2000無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)(見(jiàn)圖1，表1)，是一款小型、長(zhǎng)續(xù)航同時(shí)能滿足高精度測(cè)繪遙感的多旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)。該款無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)搭載D-OP3000傾斜攝影測(cè)量模塊(見(jiàn)表2)，可安全、穩(wěn)定、高效地完成項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)航拍片的獲取工作。

圖1 飛馬D2000飛行平臺(tái)搭載D-OP3000傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)示意

表1 飛馬D2000無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)系統(tǒng)參數(shù)

表2 D-OP3000攝影測(cè)量模塊

3 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

3.1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的特點(diǎn)

1) 低空靈活。無(wú)人機(jī)飛行高度在100～1 000 m范圍內(nèi)，受空氣云層和高空管制的影響比較小，如有特殊情況發(fā)生，航攝儀也可以及時(shí)降落，同時(shí)在測(cè)量前，可以根據(jù)項(xiàng)目范圍內(nèi)衛(wèi)星影像，對(duì)飛行方案進(jìn)行調(diào)整，提前避開(kāi)障礙危險(xiǎn)物。

2) 周期短效率高。無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量分內(nèi)業(yè)和外業(yè)，外業(yè)工作內(nèi)容前期為像控點(diǎn)布設(shè)及測(cè)量和野外航拍，后期為補(bǔ)充調(diào)繪，大大縮減了人工成本，縮短了野外作業(yè)時(shí)間；內(nèi)業(yè)根據(jù)項(xiàng)目大小，影像數(shù)據(jù)的數(shù)量，合理調(diào)配計(jì)算機(jī)服務(wù)器和內(nèi)業(yè)人員數(shù)量，利用Smart3D Capture Context、EPS、PIX-4D mapper等數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)航拍影像和像控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，輸出各項(xiàng)測(cè)繪成果[1]。

3) 成果多元化、精度高[2-3]。無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量通過(guò)低空多角度航拍獲取地面多角度高分辨率影像，處理生成三維實(shí)景模型、數(shù)字線劃圖、正射影像圖、坡度分級(jí)圖等成果，圖形精度可達(dá)到1∶500比例尺地形圖要求，影像分辨率可以達(dá)到3 cm，完全滿足項(xiàng)目建設(shè)的需要。

4) 適用性強(qiáng)。無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量外業(yè)航拍是在空中作業(yè)，與GPS野外測(cè)圖相比，不會(huì)出現(xiàn)因衛(wèi)星遮擋無(wú)法定位的情況，同時(shí)空中航拍可以獲取更全面完整的數(shù)據(jù)，成果更加真實(shí)的反映出項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)的地形地貌。

3.2 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用流程

本研究選用的是飛馬D2000無(wú)人機(jī)搭載D-OP3000傾斜攝影測(cè)量模塊，其主要工作和技術(shù)流程見(jiàn)圖2。

圖2 飛馬無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用流程示意

4 基于飛馬.2000無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在墾造水田中的應(yīng)用實(shí)例

4.1 測(cè)區(qū)概況

2019年度肇慶市懷集縣冷坑(等3個(gè))鎮(zhèn)墾造水田項(xiàng)目是廣東省墾造水田項(xiàng)目之一，位于肇慶市懷集縣冷坑鎮(zhèn)水口村，測(cè)區(qū)南北長(zhǎng)約為1 000 m，東西寬約為1 100 m，成三角形狀，最高海拔為101.7 m，最低海拔為72.3 m，平均高程為87 m，面積約為56.13 hm2。項(xiàng)目的地形地貌主要以地山丘陵及谷間平地為主，地表植被多為荒地和桉樹(shù)，分布有少量魚(yú)塘。

4.2 無(wú)人機(jī)航測(cè)飛行方案的設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目航線規(guī)劃是在飛馬無(wú)人家管家制作，以天地圖為設(shè)計(jì)底圖，選用飛馬D2000飛行器搭載D-OP3000傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行航線規(guī)劃(見(jiàn)圖3)，分別設(shè)置航線重疊度為80%，旁向重疊度75%，綜合考慮成圖比例尺(1∶500)和航攝儀的基本參數(shù)，依據(jù)《低空數(shù)字航空攝影測(cè)量外業(yè)規(guī)范》(CH/Z3004-2010)，設(shè)定了2.8 cm地面分辨率(GSD)，同時(shí)確定了相對(duì)飛行高度為180 m，為了保證航拍質(zhì)量，航線設(shè)計(jì)在覆蓋紅線范圍的前提下，在航向上外擴(kuò)180 m，在旁向上外擴(kuò)兩條航線，整個(gè)飛行任務(wù)覆蓋面積為0.531 km2，預(yù)計(jì)飛行時(shí)間37 min，共計(jì)1個(gè)架次(見(jiàn)圖4)。

圖3 航線規(guī)劃示意

圖4 飛行任務(wù)詳情示意

4.3 像控點(diǎn)的布設(shè)與獲取

依據(jù)《低空數(shù)字航空攝影測(cè)量外業(yè)規(guī)范》(CH/Z 3004—2010)進(jìn)行像控點(diǎn)布設(shè)。采取先內(nèi)后外的布設(shè)方式，先在天地圖影像上，初步確定像控點(diǎn)的位置，像控點(diǎn)分布必須覆蓋整個(gè)項(xiàng)目范圍，相鄰像控點(diǎn)之間的距離控制在600～800 m范圍內(nèi)，特殊情況下可以適當(dāng)放寬一定距離，同時(shí)像控點(diǎn)應(yīng)盡量選取特征地物或者突出目標(biāo)，布設(shè)標(biāo)志應(yīng)該擁有較好的對(duì)空視角，不得被樹(shù)木或建筑物遮擋，像控標(biāo)志須與背景形成較為明顯的色彩對(duì)比，標(biāo)志形狀必須有明顯的角點(diǎn)，以作為像控點(diǎn)坐標(biāo)采集點(diǎn)，以保證在內(nèi)業(yè)刺點(diǎn)的精度[4-5]。本項(xiàng)目的像控點(diǎn)布設(shè)依據(jù)規(guī)范要求，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，選取了“L”形像控標(biāo)志進(jìn)行布設(shè)，共在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)均勻布設(shè)了7個(gè)像控點(diǎn)，3個(gè)檢查點(diǎn)(見(jiàn)圖5)，并采用GD-CORS網(wǎng)絡(luò)RTK方法測(cè)量獲取像控點(diǎn)、檢查點(diǎn)的外角坐標(biāo)(見(jiàn)圖6)。

圖5 像控點(diǎn)分布示意

圖6 像控點(diǎn)測(cè)量示意

4.4 影像數(shù)據(jù)獲取

該項(xiàng)目航拍利用飛馬無(wú)人機(jī)管家智飛行功能模塊對(duì)航拍過(guò)程進(jìn)行全程實(shí)時(shí)監(jiān)控，可實(shí)時(shí)可視化顯示飛行軌跡、飛機(jī)狀態(tài)、風(fēng)速地速、電池狀態(tài)、機(jī)身溫度以及GPS定位狀態(tài)，本項(xiàng)目實(shí)際航拍時(shí)長(zhǎng)40 min，飛行里程共計(jì)32 km，五個(gè)航拍鏡頭共獲取航拍片5 970張。

4.5 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量成果生成及應(yīng)用

1) 三維實(shí)景模型的生成及應(yīng)用

將外業(yè)獲取的五視影像圖和POS數(shù)據(jù)導(dǎo)入自動(dòng)建模軟件中進(jìn)行影像匹配，再加入目標(biāo)坐標(biāo)系下的地面控制點(diǎn)進(jìn)行影像關(guān)聯(lián)完成空三解算，最后通過(guò)軟件全自動(dòng)構(gòu)建三維實(shí)景模型，模型多角度反映出了測(cè)區(qū)范圍內(nèi)的地形走勢(shì)、道路交通、河流分布和房屋村落的情況[6-8](見(jiàn)圖7)。

圖7 墾造水田項(xiàng)目中的三維實(shí)景模型示意

三維實(shí)景模型位為項(xiàng)目建設(shè)初期設(shè)計(jì)人員和現(xiàn)場(chǎng)勘查人員開(kāi)展工作提供了重要資料，它完整反映了建設(shè)項(xiàng)目?jī)?nèi)的真實(shí)情況，項(xiàng)目參建人員可以通過(guò)三維實(shí)景模型反映出來(lái)植被、道路、水溝、魚(yú)塘等信息進(jìn)行項(xiàng)目詳細(xì)選址和進(jìn)場(chǎng)道路規(guī)劃。

2) 數(shù)字線劃圖(DLG)的生成及應(yīng)用

利用清華山維三維測(cè)圖軟件(EPS)對(duì)三維實(shí)景模型直接加載轉(zhuǎn)換生成DSM實(shí)景表面模型，通過(guò)裸眼測(cè)圖的方式，在加載好的表面模型上進(jìn)行各種線劃圖要素的提取[9]，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)繪、補(bǔ)測(cè)后，對(duì)數(shù)字線劃圖進(jìn)行整飾和數(shù)據(jù)檢查，合格后輸出符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求數(shù)字線畫(huà)圖(見(jiàn)圖8)。

圖8 墾造水田項(xiàng)目中的數(shù)字線劃示意

為設(shè)計(jì)人員開(kāi)展設(shè)計(jì)工作提供保障，設(shè)計(jì)人員以數(shù)字線劃圖為底圖進(jìn)行項(xiàng)目的詳細(xì)設(shè)計(jì)與規(guī)劃，根據(jù)數(shù)字線劃圖內(nèi)提供的地形地貌信息，詳細(xì)的規(guī)劃出新的田塊、機(jī)耕路、灌溉渠、蓄水池等項(xiàng)目建設(shè)信息。

3) 正射影像圖(DOM)的生成及應(yīng)用

將該項(xiàng)目的正射航拍片和對(duì)應(yīng)的POS數(shù)據(jù)導(dǎo)入PIX-4D mapper軟件新建項(xiàng)目中，在完成相控點(diǎn)關(guān)聯(lián)后，選擇在目標(biāo)坐標(biāo)系下全自動(dòng)處理，自動(dòng)處理過(guò)程中，無(wú)需人工干預(yù)，全自動(dòng)生成高精度點(diǎn)云、紋理和正射影像圖[10](見(jiàn)圖9)。

圖9 墾造水田項(xiàng)目正射影像示意

通過(guò)正射影像圖與數(shù)字線劃圖的疊加分析，相關(guān)參建人員可以了解到項(xiàng)目建設(shè)實(shí)際情況，是否存在不符合設(shè)計(jì)規(guī)劃的情況。建設(shè)完成的項(xiàng)目則可以通過(guò)正射影像圖制作出反映新建水田的種植情況的專(zhuān)題地圖。

4) 坡度分級(jí)圖的生成及應(yīng)用

坡度分級(jí)圖是反映地形的重要因子，是描述地形的常用參數(shù)。在ArcGIS軟件下，對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)系、完整性等檢查和轉(zhuǎn)換，然后按照項(xiàng)目范圍紅線進(jìn)行DEM拼接和坡度計(jì)算，并按照規(guī)定的坡度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行坡度分級(jí)，在坡度分級(jí)的基礎(chǔ)上，生成坡度分級(jí)圖[11-13](見(jiàn)圖10)。

圖10 坡度分級(jí)示意

墾造水田項(xiàng)目建設(shè)對(duì)耕地坡度有著嚴(yán)格的要求，對(duì)于坡度超過(guò)25°地區(qū)，嚴(yán)禁進(jìn)行墾造水田建設(shè)，設(shè)計(jì)人員在前期可以通過(guò)坡度分級(jí)圖，合理規(guī)避剔除不符合坡度過(guò)于陡峭的區(qū)域，項(xiàng)目建設(shè)完成后，通過(guò)坡度分級(jí)圖檢查項(xiàng)目建設(shè)是否符合坡度設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)打破了傳統(tǒng)測(cè)量手段的局限性，極大減少了外業(yè)工作量的同時(shí)更加提高了內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的自動(dòng)化和人工干預(yù)，基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在墾造水田項(xiàng)目中的應(yīng)用，更是滿足項(xiàng)目建設(shè)工期緊、精度高、階段多，測(cè)量成果需求種類(lèi)多的要求，“一飛多用”的作業(yè)特點(diǎn)，通過(guò)一次外業(yè)航拍飛行，為墾造水田項(xiàng)目建設(shè)提供了三維實(shí)景影像、數(shù)字線劃圖、正射影像圖、坡度分級(jí)圖多種測(cè)繪成果，滿足了項(xiàng)目建設(shè)在不同階段時(shí)期對(duì)測(cè)繪成果的不同需要，對(duì)廣東省墾造水田項(xiàng)目建設(shè)提供了堅(jiān)實(shí)的測(cè)繪保障。