航測技術在新泰市魏家河土地整治項目中的應用

傅殿群,范明強,曹茜,張娟

(1.新泰市國土資源局土地整理中心，山東 新泰 271200；2.山東元鴻測繪科技有限公司，山東 濟南 250000)

1 航測的發展及應用

無人機航測遙感技術是一種不失機動靈活、可以實現快速響應又低成本、精度高的航測技術[1]。但也存在影像航向重疊度和旁向重疊度不規則、像幅小、像片數量多、影像傾角過大且傾斜方向沒有規律、航攝區域地形起伏大、高程變化顯著等諸多問題，這些情況都對現有航測技術提出了挑戰[2-4]。自20世紀80年代以來，無人機測繪系統成為世界各國競相研究的熱點課題。隨著計算機技術、通訊技術的發展，無人機的應用范圍和應用領域迅速拓展，這為無人機測繪系統的研制提供了保障。

無人飛行器航測遙感技術是繼衛星遙感、大飛機遙感之后發展起來的一項新型航空遙感技術，在應急測繪保障、國土資源監測、重大工程建設等方面得到廣泛應用。山東省內航測技術主要應用于土地利用調查，目前開展的集體土地確權發證項目，航測技術生成DLG和DOM數據滿足了項目要求，在工作效率，成本上也有較大的優勢。

2 項目背景

新泰地形以丘陵為主，占地表面積的56.2%，海拔250m左右。地質構造以斷裂構造為主，主要有3條壓性NW向斷裂帶：一為蒙山大斷裂；二是蓮花山大斷裂；三為蒙萊大斷裂。3條斷裂帶使境內山脈三起三落，整體地形狀若坐東面西的簸箕。受地形條件的制約，使用傳統的勘測手段獲取滿足設計精度要求的地形圖周期長、成本高，難以開展大面積的土地整治項目，不能滿足項目規劃設計和后期施工的要求，土地整治項目規劃設計無法正常實施。航測技術的發展使得快速獲得高精度、大比例尺數據成為可能，航測技術的引入對土地整治項目將產生積極的影響。

2013年4月新泰市國土資源局土地整理中心與山東元鴻測繪科技有限公司達成戰略合作協議，決定以新泰市劉杜鎮魏家河土地整治項目為試點，在山東省內首次嘗試在土地整治規劃設計中引入航測技術，摸清項目區內耕地后備資源潛力，對項目區內的田間隙地、零星荒草地、荒坡、田坎等低效地進行全面整治。新泰市劉杜鎮魏家河土地整治項目建設總規模277.85hm2，共涉及7個村，預算總投資1314.82萬元。

3 項目開展情況

3.1 航測外業

2013年5月新泰市國土資源局土地整理中心、山東元鴻測繪科技有限公司對項目區進行聯合踏勘，制訂了航測技術路線。

2013年 5月28日，由山東元鴻測繪公司航測隊利用天鷹KC2800無人機，共進行了2架次的實地飛行，完成了項目區拍攝工作。

按照東西方向共敷設7條航線，航向重疊度為60%，旁向重疊度30%，單條航線長度約為2km，形成飛行航片成果457張。航攝比例尺1∶3000，采用相機類型SONY NEX_7，焦距f=15.872588mm，像幅為6000×4000像素，像素大小是3.9μm。

3.2 航測內業

3.2.1 影像初處理

(1)勻光處理

無人機航攝像片在光照條件、航攝時間以及環境等其他因素的影響下會出現不同程度上的顏色、對比度、亮度上的差異。這種差異會在一定程度上影響后期正射影像生產、影像數據庫建設。而為了消除航片間的色彩差異，需要對航片數據進行顏色、亮度、對比度等平衡處理，即勻光處理。該項目主要是采用基于Wallis濾波器的航片勻光處理，原理是采用局部影像變換的方式，消除和減弱航片在色彩與光亮上的反差度。

(2)重采樣技術

重采樣技術是數字攝影測量中的關鍵技術。該項目中主要是基于相機文件對航片數據進行重采樣，從而保持數字影像中主距及主點等值的穩定性。

3.2.2 空中三角測量

(1)像片控制

主要是利用全站儀做外業控制測量。結合劉杜鎮項目區地形地貌實際情況，按照1∶500比例尺測圖精度規范，每個區域橫跨4條基線布一個控制點，且整個項目區控制點的布設原則為：邊緣密布，測區內部均勻布點，從而保證整個項目區的平差及成圖精度。

(2)空三加密

使用航天遠景公司的DATMatrix2.0軟件進行空中三角測量運算。并采用PATB光束法區域網平差軟件進行測區整體平差。如圖1所示。

圖1 DATMatrix2.0軟件運行界面

加密點中誤差以測區為單位進行估算：

其中，mg為連接點中誤差；mq為控制點中誤差；d為相鄰航片連接點較差；△為多余控制點不符值；n為評定點數。

3.2.3 立體測圖

MapMatrix系統是航天遠景公司設計的多源信息處理平臺，主要是用于DEM，DOM，DLG等數字成果的生產。具有便捷的人機交互處理界面。數字線劃圖(DLG)制作主要是在MapMatrix平臺下進行數據采集作業。在數據采集作業前，首先要建立項目區所需要的符號庫與線型庫。在采集時，需設置各項參數，統一成圖精度。采集后的數據成果輸入到ArcGIS軟件進行后期編輯處理。結合項目區成圖要求，對房屋、道路等地物及地形進行修飾與完善，并進行分幅處理。

3.2.4 DOM制作

數字正射影像圖(DOM，Digital Orthophoto Map)是對航空(或航天)像片進行數字微分糾正和鑲嵌，按一定圖幅范圍裁剪生成的數字正射影像集。它是同時具有地圖幾何精度和影像特征的圖像。空三加密完成后，將加密成果導入MapMatrix系統中，依據項目區成圖規范與要求，設置DEM網格大小，生成DEM。再由相應的單幅DEM經數字微分糾正后輸出DOM，分辨率設置為0.05m。并對DOM進行勻色、鑲嵌等編輯，最終生成該項目區數字正射影像圖(圖2)。

圖2 項目區數字正射影像圖

4 應用優勢及存在問題

新泰市劉杜鎮魏家河土地整治項目中，通過航測所獲得的的1∶500的地形和1∶500正射影像在項目規劃設計中發揮了重大作用。和傳統手段相比較，航測更好的解決了數據采集和信息處理，提高了工作效率，解決了丘陵、山區規劃設計中勘測與規劃的難題。但使用中發現仍存在技術達不到要求、受外在條件限制及技術規程仍需完善等問題。

4.1 應用優勢

(1)勘測成果精度與以往相比有了較大的提高

在以往的土地整治項目中，勘測成果比例尺多為1∶5000，局部地區因特殊要求采用1∶2000，基本滿足了平原地區的土地整治規劃設計要求。但對于丘陵地區，這一精度的勘測成果根本無法滿足項目規劃設計的要求，導致規劃成果變更較多。一般情況下，除項目編制單位的人為失誤外，項目勘測成果精度不夠是引起變更的主要因素之一。

新泰市劉杜鎮魏家河土地整治項目采用航測技術獲取相關數據，能夠獲得1∶500大比例尺正攝影影像圖，并由此可獲得1∶500地形圖。使規劃設計人員能夠在更加豐富和精確數據的背景下制訂規劃方案，進一步保證了項目方案的準確性和可實施性。

(2)減少外業工作量，減少人為失誤

土地整治項目規劃設計工期緊、任務重。項目勘測采用人工采集，效率低、周期長，往往不能按照測繪規范進行全面測繪，只能按照設計需要進行重點測繪。規劃設計人員以二調變更圖紙為工作底圖通過現場勘測、現場筆記、照片、錄像等記錄項目區的現狀和規劃信息，但這些手段獲取的信息量有限，且不直觀，在后期規劃設計過程中常出現信息遺忘、混亂等情況。如果設計方案進行重新調整，需進行重新勘測，補充外業資料，給規劃設計帶來極大的不便。

新泰市丘陵區較多，地形復雜，生產道路較少，部分重點區域如自然沖溝、未利用地等人員難以到達，不能做到全面勘察，只能以點帶面的記錄信息，為后期規劃設計留下諸多隱患。新泰市劉杜鎮魏家河土地整治項目采用的航測制圖軟件FlightMatrix，結合立體眼鏡、手盤、腳輪等設備，能獲取項目區內的三維立體的真實地貌。由此獲得的地貌不是通過測繪數據建模而形成，而是通過航片采集后、軟件編輯合成的1∶500的現狀地貌，保存了拍攝時點的所有現狀信息，包括地形、地貌、現狀地物等，設計人員可以不進現場，根據設計需要瀏覽現場的相關信息，根據設計方案的調整對信息進行重新采集取舍，大大簡化了外業工作量，減少了規劃失誤，縮短了規劃設計的周期。

(3)突破了丘陵區田坎整治的難題

新泰市丘陵面積大，田坎系數較大，項目區田坎數量統計一直是個難題，同時規劃時對田坎的改造、挖潛設計依據不足，采用以往的測繪方法，不能快速的采集出田坎斷面需要的設計要素，以此為依據計算出的，通過對比影像能清晰的采集到項目區內現狀田坎的長度、位置、坎高等各種信息，為田坎的規劃提供了詳實的依據，可以有針對性對不規則田坎重新規劃調整，滿足規劃設計及后期施工組織設計的要求，切實的增加項目區能耕地保有量。

在地下水水位年內變化研究中，一般有兩種數據選擇方法：一是以研究時段內多年月平均水位數據作為指標進行，二是選取典型年份逐月水位數據進行分析。

(4)提高了外業勘測效率，降低了工作成本

以往的土地整治項目常因工作效率低、經費不足等原因導致勘測成果比例尺較小，航測引入土地整治項目后，極大的提高了外業測繪效率，以該項目為例，項目區近266.67hm2土地,如采用原先的人工測繪需20天左右,現在只用2天即可完成外業測繪,工效提高了10倍，如采用山東元鴻測繪公司的天鷹KC2800型無人機，外業測繪僅需2h，效率得到極大的提高，更減少了人工成本。

(5)為項目驗收等提供了依據

航測技術產生的正射影像圖能夠清晰的反應項目區的土地利用現狀。項目實施后可按要求生成竣工后的項目正射影像圖，通過項目實施前后的對比，整治前后的效果一目了然，通過影響判讀能定量的統計項目區內的建構筑物，實際的工程量，減少驗收人員的工作量。

同時通過利用竣工前后地形圖的對比，如結合《百圖水利土石方》,《ZDM》等相關土石方計算軟件，利用航測成果，可以準確的計算出挖填方區域，土方調運等工程量，通過計算前后對比計算出整理后各項設計指標的實現程度，為項目驗收提供更加直觀、真實的數據。

4.2 問題分析

(1)航測技術要求較高

航測外業主要采用無人機進行數據采集，無人機操控、保養，內業處理需要配備高素質專業人員，并且人員培訓周期也較長；初期采購航測配備的各種軟、硬件投資較大，目前山東省內僅有少數測繪企業具備航測資質，以上因素制約了航測技術的全面推廣。

(2)航測技術應用受外在條件限制

無人機的生產和制造技術近幾年有了突飛猛進的發展，無人機性能也有了較大的提高，但無人機的使用仍受各種外在條件的制約。以山東元鴻測繪公司的天鷹KC2800無人機為例，該型無人機續航時間為2～3h，最大的抗風能力為6級，天氣狀況要求良好，能見度要求在1000m，不能進行全天候的飛行。另外無人機應用于國防、軍事等敏感區域時受到一定的限制，如在周邊，飛行需進行審批，相關的審批手續較麻煩。

(3)相關技術規程仍需完善

航測應用于土地整治目前仍處于探索階段，如何發揮航測的優勢，針對性的應用于土地整治項目，目前沒有完整的技術規程，如根據實踐經驗完善相關技術規程，規范化運作，針對性的配套和研發相關輔助軟件，工作效率仍有較大的提升空間。

5 技術推廣

山東元鴻測繪科技有限公司與新泰市國土資源局土地整理中心共同完成了新泰市劉杜鎮魏家河土地整治項目規劃設計報告，順利通過了專家評審，并獲得了高度評價。在此背景下，新泰市國土資源局完成了《新泰市岳家莊鄉大良峪土地整治項目規劃設計報告》、《新泰市石萊鎮木廠峪土地整治項目規劃設計報告》等4個項目，總規模3333.33余公頃，運用并推廣相關先進經驗，取得了良好的成效。

6 結論

航測用于土地整治項目，豐富了土地整治的技術手段，簡化了外業工作量、縮短了項目周期，提高了項目測繪精度，破解了田坎整治的技術難題，為后期項目竣工驗收提供了有力依據，從而保證了土地整治項目的可行性和實用性，雖然航測應用于土地整治項目仍處于探測階段，但航測技術給土地整治工作帶來的新活力，有很大的應用前景。

參考文獻：

[1] 王聰華.無人飛行器低空遙感影像數據處理方法[J].中國優秀碩士論文，2006.

[2] 袁修孝.GPS輔助空中三角測量及應用[M].北京：測繪出版社，2001.

[3] 范承嘯，韓俊，熊志軍，等.無人機遙感技術現狀與應用[J].測繪科學，2009，34(5)：214-215.

[4] 王曉芳.平原地區基本農田土地整治景觀生態規劃與設計——以新泰市樓德鎮基本農田土地整治項目為例[J].山東國土資源，2012，28(5):55-57.