無人機航測技術在農村土地調查工作底圖制作中的應用

畢凱， 黃少林

(1.國家基礎地理信息中心，北京　100083； 2.總參炮兵訓練基地，張家口　075000)

無人機航測技術在農村土地調查工作底圖制作中的應用

畢凱1， 黃少林2

(1.國家基礎地理信息中心，北京100083； 2.總參炮兵訓練基地，張家口075000)

摘要：針對農村土地調查工作底圖制作工作的實際需求，提出了將無人機航測技術應用于農村土地調查工作底圖生產的方案，分析了無人機應用于農村土地調查工作底圖制作的已有基礎，重點論述了基于無人機航測技術的農村土地調查底圖制作的工作流程和需要達到的技術要求，可為農村宅基地和集體建設用地確權登記發證工作提供新的解決方案。

關鍵詞：無人機； 土地調查； 工作底圖； 航空攝影； 正射影像圖

0引言

開展農村宅基地和集體建設用地使用權確權登記發證工作的主要任務是全面查清農村范圍內包括宅基地、集體建設用地等每一宗土地的權屬、位置、界址、面積、用途、地上房屋等建筑物、構筑物的基本情況[1]，主要選用國土、測繪等行業累積的大比例尺(1∶500—1∶2 000)地形圖、正射影像圖或已有地籍圖作為制作工作底圖的基礎圖件[1]。然而，受經濟水平、測繪經費投入等的限制，部分農村地區至今沒有大比例尺基礎圖件，這已經成為制約農村宅基地和集體建設用地使用權確權登記發證工作的最大障礙。

為了解決土地調查工作底圖制作時的影像源短缺問題，各地國土和測繪地理信息部門也在積極謀劃，收集滿足1∶500—1∶2 000比例尺工作底圖制作所需的優于0.2m分辨率的航空航天遙感影像。對于小范圍大比例尺農村土地調查來說，由于受衛星固定軌道、影像分辨率等因素制約，難以快速獲取能滿足于成圖所需的高分辨率影像。近30a來，我國已逐步構建起了航空遙感監測體系，具有多傳感器、多平臺航空遙感能力，但受空域、天氣、機場條件、航攝成本等因素限制，航空遙感同樣難以滿足全國農村高分辨率遙感數據快速獲取的需要。

低空輕小型無人機遙感系統具有機動靈活、受天氣影響小、成本低、能獲取高分辨率影像等特點。與衛星遙感相比，無人機獲取影像分辨率高，是滿足小范圍大比例尺調查底圖制作的理想數據源。與有人機相比，小型無人機在飛行速度、范圍、條件等方面具有極高的機動性； 無需專用機場跑道，起降方便，具有極強的環境適應性； 無人機飛機購買價格低廉，使用費用便宜，工作效率高，具有極好的經濟性。因此，小型無人機航攝系統對于農村宅基地和集體建設用地使用權確權登記發證工作具有十分重要的意義[2]。

針對小面積農村土地調查的實際需求，以生產示意工作底圖和正射影像工作底圖為目標，本文提出了利用現有無人機航攝系統進行小面積農村土地調查底圖制作的解決方案，重點論述了基于無人機航測技術的農村土地調查底圖制作的工藝流程和技術指標，為大規模開展農村土地確權登記發證等工作積累經驗。

1已有基礎分析

1.1小型無人機已在多領域廣泛使用

據科技部不完全統計，僅僅在“十一五”期間，從事測繪遙感工作已備案并在使用的小型無人機系統近300套，飛行平臺有固定翼無人機、無人直升機、旋翼無人機和無人飛艇等，起飛總重量在30kg以下占據了裝備總量的87%，使用數碼相機作為傳感器的占到了77%，數百人次參加過各類無人飛機航攝系統技術與標準培訓班，一個遍布全國的無人機應用隊伍的專業低空遙感影像獲取服務網絡已初步建立。

此外，各地國土、水利、農業、規劃等部門也相繼裝備了小型無人機航攝系統，并已在土地整理、水利資源監測、農業災害評估、城鎮規劃等方面發揮了積極作用。

1.2無人機航測作業規范得到推廣使用

2010年底，國家測繪地理信息局相繼發布了低空無人機航測作業內、外業規范，使得小型無人機航測技術得到了快速發展。特別是《低空數字航空攝影規范》、《低空數字航空攝影測量內業規范》和《低空數字航空攝影測量外業規范》等標準化技術文件的發布，進一步規范了無人機影像獲取、像控測量和數據處理等方面的作業行為。

值得注意的是，無人機航空規范改變了數字航空攝影旋偏角的檢查方法，將旋偏角檢查改為旋角和傾角的分別檢查； 明確了像片控制點航向基線數跨度和旁向相鄰平面控制點的航線跨度，是輕小型無人機像控測量等外業工作的最新指南。

1.3技術瓶頸不斷突破

近年來，隨著技術的進步和對無人機研究的深入，小型無人機航測技術瓶頸逐步突破。實現了GPS輔助航空攝影，飛行平臺硬件上集成雙頻GPS，在飛行時精確記錄曝光時刻的位置信息，通過事后查分解算，得出每個曝光時刻的攝影中心的X，Y，Z方向的坐標，作為帶權觀測值參與平差計算，以減少攝影測量成圖所需的外業像控點[3]。各類型手拋無人機、旋翼無人機也相繼研制成功并投入使用，特別是手拋起飛傘降回收和垂直起飛降落等無需專業人員操控的簡單易學的無人機的出現，進一步降低了小型無人機的使用難度，使得非專業人士也能熟練操控無人機開展影像獲取工作。

2適用于農村土地調查工作底圖制作的無人機航攝系統

2.1總體性能

采用輕小型無人機航攝系統開展農村土地調查需要根據任務要求快速規劃航攝區域，開展航線設計，精確計算攝區內的曝光點坐標、航攝高度和像控點數量，據此估算像控測量、影像處理所需的工期和人員、設備等的投入。到達現場后3h內完成不小于3km2范圍的影像獲取任務，包括： 開展優于5～20cm分辨率的航空遙感影像獲取，制定像控點布點方案、實施像控測量，開展航攝影像現場質量檢查、影像數據處理、制圖整飾與輸出等。

2.2系統組成

輕小型無人機農村土地調查航攝系統由現場數據采集系統、像控測量系統、數據處理系統、制圖輸出系統和運輸保障車5部分組成(圖1)。其中，現場數據采集系統針對農村地區小面積范圍，采用無人機快速獲取航空遙感影像，現場檢查航攝數據的質量； 像控測量系統實現航攝現場快速像控點觀測與數據解算； 數據快速處理系統實現影像鑲嵌處理； 制圖輸出系統實現工作底圖的現場制圖整飾與輸出。

圖1輕小型無人機農村土地調查航攝系統組成圖

Fig.1LightandsmallUAVrurallandsurveyaerialphotogrammetricsystemcompositiondiagram

2.3可形成的主要成果

采用無人機航攝技術，獲取滿足成圖分辨率要求的航空遙感影像，通過像控測量、內業數據處理和外業調繪，形成符合宅基地確權登記發證所需的工作底圖。

2.3.1土地調查示意工作底圖

利用無人機獲取的高分辨率影像，通過影像快速處理生成高分辨率鑲嵌影像圖，在此基礎上標注宅基地的相關信息，以此作為統計宅基地數量，計算生產地籍圖的工作量、投入調查人數和入戶調查工期的重要依據。

2.3.2土地調查正射影像工作底圖

利用無人機獲取的高分辨率影像，采用實測控制點或已有地形圖、正射影像圖等作為控制資料，生產正射影像圖。

3工作底圖的制作流程及技術要求

3.1總體工作流程

接收土地調查無人機航攝指令后，基于“天地圖”公眾服務平臺開展航攝規劃，基于DEM開展精確航線設計。選定適合的無人機飛行平臺開展航空攝影，獲取航攝影像。現場檢查數據質量，主要包括航攝數據覆蓋完整性檢查、重疊度檢查以及影像色彩方面的檢查。現場處理航攝數據，形成攝區DEM、鑲嵌影像圖，結合像控測量成果生產攝區正射影像圖等成果，一方面可利用電子版數據成果作為工作底圖開展土地調查； 另一方面經制圖整飾后現場輸出成紙質底圖，供現場開展土地調查使用。無人機農村土地調查工作底圖制作工作流程見圖2。

圖2　輕小型無人機農村土地調查工作底圖制作流程

3.2無人機航空攝影

3.2.1航攝規劃與設計

基于“天地圖”在線服務平臺的無人機現場航線快速規劃。在廣域網絡環境下，根據土地調查地名信息或四至坐標等信息，利用遙感影像、地圖和三維數據成果快速摸清農村土地調查區域的基本情況，劃定調查范圍并導出拐點坐標。

結合90m分辨率數學高程模型(digitalelevationmodel,DEM)數據信息開發航攝設計軟件，根據地形起伏自動調整曝光點之間的基線長度，避免產生航攝漏洞； 生成設計報表，快速了解航攝面積、四至范圍、航攝高度、航線數、影像數、總航程等信息，以便合理規劃航攝時間和數據處理時間。

3.2.2影像質量檢查

航攝設計覆蓋范圍與實際覆蓋范圍的快速可視化檢測和基于影像匹配的航攝數據重疊度檢測。自動提取和同步顯示機載記錄的曝光點信息文件經緯度信息、攝區航攝設計拐點坐標信息，必要時加載航攝影像數據，可視化檢測航攝覆蓋情況； 提取機載記錄的曝光點高度信息，計算航帶內最大航高差； 利用影像快速匹配算法，統計攝區航帶內與航帶間的最大、最小重疊度等[4]。

3.2.3技術要求

與傳統航空攝影獲取的影像相比，輕小型無人機在影像重疊度的保證、影像旋偏角的保持、航線彎曲度的保證等方面還有不小的差距。相比傳統航空攝影在航向和旁向重疊度上的嚴格的技術要求，輕小型無人機主要以保證最高點航向和旁向重疊度，以及攝區最低點影像分辨率[5]。

1)航向和旁向重疊度保證。在航攝設計時，可適當增加航向和旁向重疊度，航向重疊度一般設定為70%～80%，保證攝區地面最高點的航向重疊不小于60%； 旁向重疊度一般設定為45%～50%，保證攝區地面最高點的旁向地面重疊不小于30%。

2)影像分辨率保證。滿足1∶500，1∶1 000和1∶2 000比例尺成圖要求時，攝區地面最低點的分辨率不小于0.05m，0.1m和0.2m。

3)數碼相機檢校精度保證。生產正射影像工作底圖時，無人機搭載的數碼相機必須經過幾何檢校，檢校精度應滿足主點坐標中誤差不大于10μm，主距中誤差不大于5μm，經過畸變差方程式及測定的系數值擬合后，殘余畸變差應小于0.3個像素[5]。

3.3基于無人機影像的像控測量

3.3.1布點方案

無人機像控測量與傳統航空攝影像控測量的最大不同之處在于像控點的布設方案存在差異。其重要的環節是計算像片控制點航向基線數跨度和旁向相鄰平面控制點的航線跨度，航向基線跨度的計算見公式(1)和(2)[6]，即

(1)

(2)

式中： ms為連接點(空三加密點)的平面中誤差； mh為連接點(空三加密點)的高程中誤差； K為像片放大成圖的倍數； H為相對航高； b為像片基線長度； mq為視差量測的單位權中誤差； n為航線方向相鄰平高控制點的間隔基線數。

與傳統航空攝影的像控測量工作相比，其不同之處在于：① 正確選擇像片放大成圖倍數，根據相關理論，像片放大成圖的倍數為0.1mm/單像元尺寸[7]。②正確選擇與地面分辨率和像點量測精度密切相關的視差量測單位權中誤差，傳統膠片式航空攝影按照0.02mm取值，這在數碼航攝中不再適用； 通過統計，無人機數碼航空攝影視差量測的單位權中視差一般設定為1/3～2/3像元。③在顧及高程精度影響時，1∶500，1∶1 000和1∶2 000比例尺像控測量高程控制點旁向間隔航線條數為零，即每條航線必須布點。

3.3.2技術要求

在像控點精度方面，針對農村地區土地確權登記發證工作實際，實測點相對鄰近國家等級控制點的點位平面位置誤差不大于0.01m； 高程誤差不大于0.1m，困難地區可放寬1倍[6]。

3.4無人機影像數據處理

3.4.1示意工作底圖生產

利用無人機獲取的高分辨率影像，在無需控制資料情況下，通過影像快速處理生成高分辨率鑲嵌影像圖，在此基礎上標注宅基地的相關信息，以此作為統計宅基地數量，計算生產地籍圖的工作量、投入調查人數和入戶調查工期的重要參考依據。

3.4.2正射影像圖生產

基于無人機遙感影像的正射影像底圖制作的重點是生產數字正射影像，這與傳統航空影像制作正射影像的步驟基本相同。所不同的是，在空三加密環節，可實現并行處理，以提高效率。在DEM制作環節，可利用高精度空三成果進行全自動密集匹配，生成高密度、高精度的數字表面模型(digitalsurfacemodel,DSM)，再進行濾波處理即可得到高精度的DEM，生產過程可采用高性能刀片機進行分布式處理，無需人工采集特征線。在數字正攝影像(digitalorthophotomap,DOM)制作環節，勻光勻色和智能鑲嵌實現并行處理，提高了工作效率。

3.4.3技術要求

示意工作底圖滿足影像幾何和色彩的相關要求。在幾何精度方面，雖不強求高精度，但需要保證對地物識別，尤其是對建筑物的識別精度能滿足任務要求； 影像細節方面，要求紋理清晰、層次豐富、無明顯失真，道路、水系、建筑物等重要地物無鑲嵌拼接痕跡，房屋邊線無變形，房屋與房屋、地塊與地塊之間能清晰辨別； 在灰度分布和色彩方面，需要保證影像色調均勻一致、整體反差適中，無明顯的色彩拼接痕跡，灰度直方圖呈正態分布。

利用無人機遙感影像制作的正射影像工作底圖的平面位置中誤差不大于圖上6mm，與相鄰影像圖接邊誤差不大于2個像素[8]。

4結論

1)利用無人機航測技術生產土地調查工作底圖具有實地調查不可比擬的優勢。一是清晰直觀，外業調查人員能更加準確地判別地類及邊界； 二是在底圖上標注權屬，大大節省了草圖的繪制時間，提高了外業調查的工作效率。

2)利用無人機航測技術生產土地調查工作底圖，不僅為核算外業界址點測量和權屬調查工作量的提供了重要依據，獲取的農村地區影像亦能作為基礎資料保存，必要時可將其作為新農村建設、村鎮規劃、應急測繪保障工作等的重要基礎圖件。

3)隨著無人機航測技術的發展，集成RTK或高精度POS系統的無人機可在無需或僅需極少量實測的地面控制點的情況下快速制作正射影像工作底圖，這將進一步提高農村土地調查的工作效率。

4)利用無人機航測技術生產土地調查工作底圖不僅是解決無資料地區農村集體土地所有權確權登記發證工作的有效手段，亦能在有關地區的不動產登記、土地利用快速執法監測、生態保護與環境監測、礦產資源開展與利用監測等方面發揮積極作用。

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(責任編輯： 李瑜)

ApplicationofUAVaerophotogrammetrytobase-mapproductioninrurallandsurvey

BIKai1，HUANGShaolin2

(1. National Geomatics Center of China, Beijing 100830, China；2. Artillery Training Base of General Staff, Zhangjiakou 075000, China )

Abstract:According to the actual demand of rural land survey base-map production, this paper puts forward the scheme of the application of UAV aerophotogrammetry to rural land survey base-map production, and analyzes the existing basis, with the emphasis placed on the base-map production process and the technical requirements that have to be attained on the basis of UAV Aerophotogrammetry. What the authors propose provides a new solution for the land ownership registration work in data-absent rural area.

Keywords:UAV; land survey; base-map; aerial photography; DOM

doi:10.6046/gtzyyg.2016.02.23

收稿日期：2015-01-08；

修訂日期：2015-04-12

基金項目：測繪地理信息公益性行業科研專項“應急測繪低空無人機遙感關鍵技術與裝備”(編號： 201412019)。

中圖法分類號：TP 79

文獻標志碼：A

文章編號：1001-070X(2016)02-0149-05

第一作者簡介：畢凱(1981-)，男，碩士，工程師，主要從事低空數碼遙感系統集成應用方面的研究。E-mail： 24677958@qq.com。

引用格式： 畢凱，黃少林.無人機航測技術在農村土地調查工作底圖制作中的應用[J].國土資源遙感,2016,28(2):149-153.(BiK,HuangSL.ApplicationofUAVaerophotogrammetrytobase-mapproductioninrurallandsurvey[J].RemoteSensingforLandandResources,2016,28(2)：149-153.)