基于CORS系統與無人機遙感技術的大比例尺測圖

林選妙

摘 要：文章以廈門市鼓浪嶼為例，在對其人口統計數據、地名數據庫等資料分析的基礎上，介紹了利用無人機系統和FJCORS系統進行航拍、控點測量及影像精度評定，解譯制作建筑分布圖，將數據進行三維重建，制作地籍數據庫的技術方法與工作流程。研究表明，無人機大比例測圖的精度高，機動性強，操作方便快捷，明顯優于傳統測圖方法，可為工程項目和測圖提供可靠參考。

關鍵詞：CORS系統；網絡RTK；無人機；遙感；大比例尺測圖

中圖分類號：TP75 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）29-0158-04

Abstract： Taking Gulangyu in Xiamen as an example， based on the analysis of its demographic data and toponymic database， this paper introduces the aerial photography， control point measurement and image accuracy evaluation using UAV system and FJCORS system. The technical method and work flow of building layout map interpretation， 3D reconstruction of data and cadastral database production. The research shows that the large scale mapping of UAV has the advantages of high precision， strong maneuverability， convenient and quick operation， which is obviously superior to the traditional mapping method， and can provide reliable reference for engineering projects and mapping.

Keywords： CORS system； network RTK； UAV； remote sensing； large scale mapping

引言

無人機技術經過幾十年的快速發展，從技術角度看已經相對成熟。近年來民用無人機產品在全球個人消費市場的銷售規模出現幾何式的發展[1]。無人機在各個行業的應用快速發展起來，未來將廣泛的被應用起來。在測繪中，無人機的出現改變了傳統測繪的費時耗力，在突發災害應急測繪[2]，國土地質資源監測，資源調查[3]，快遞物流[4]等方面得到廣泛應用。

與傳統測繪相比較，無人機測圖具有大尺度性、宏觀性、處理速度快、快捷方便等優勢。可極大地節省人力物力，使常規地形測量能夠高效，快速地實現。雖然目前國內無人機測圖技術并沒有形成一套完善的標準與制度，但已經比較成熟了。如江西省煤田地質局2015年eBee無人機農村土地經營權確權中的應用[5]、武漢市城區1：500、1：2000大比例尺航測數字化測圖[6]，中山市航空攝影1：2000地形圖[7]。因此，文章以廈門鼓浪嶼為例，闡述無人機遙感技術在大比例尺測圖中的應用，探討其應用的可行性，對相關高精度測圖數據獲取具有重要參考意義。

1 基礎數據收集

（1）人口數據。《廈門市人口增長及分布與土地功能之間關系研究》（2012年）報告顯示，截止2012鼓浪嶼內厝社區含戶籍與非戶籍總人口共7849人，龍頭社區總人口共9105人。并利用基礎數據繪制鼓浪嶼社區分界線，得到鼓浪嶼社區人口與面積統計圖。

（2）建設用地數據。本次采用鼓浪嶼2014年全國第二次土地調查數據，根據設計好的建設用地分類，如表1所示。

根據統計分析得出：鼓浪嶼城市用地和沿海灘涂地面積最大，都占總面積的29%，其次為港口碼頭用地，占18%，有林地占到9%，裸地與沙地面積最小占到總面積的4%，其中裸地主要為巖石地表。

2 基于FJCORS的像控點測量及影像精度評定

2.1 基于CORS系統的像控點測量

2.1.1 CORS及FJCORS概況

CORS系統，簡稱連續運行參考站系統，其簡要原理為在一定范圍內建立若干連續運行永久性基準站。CORS系統的構成由參考站子系統、控制中心子系統、數據通信子系統、用戶應用子系統等四部分組成[8]。

2009年5月，國務院原則通過了《關于支持福建省加快建設海峽西岸經濟區的若干意見》[8]，海峽西岸經濟區東臨臺灣，北接長江三角洲，南承珠江三角洲，在全國經濟布局中位置至關重要，福建省作為經濟區的主體，面臨著重大的發展機遇，FJCORS系統的建成給城市的發展帶來了巨大的經濟效益和社會效益。為加快海西經濟區建設提供強有力的支柱。

2.1.2 像控點測量

基于無人機航拍的影像數據沒有相對坐標，直接應用毫無意義，所以必須進行像控點的測量與校正，才能得到具有相對坐標的影像，像控點測量的傳統方式為導線測量方式，若測區面積廣，則工作量大，工作條件艱苦，而且效率低，作業周期長。FJCORS系統的建成為像控點測量帶來極大的方便，省CORS卡涵蓋范圍為整個福建省區域，只需一名測量人員，一臺RTK流動站就可完成廣大測區內整個像控點測量任務，極大地方便了測量數據的采集。

RTK測量技術具有以下主要特點，測量數據進度高、作業速度快、實時測定測站坐標、生產組織靈活、資料整理便捷、內業計算工作量小，外業儀器攜帶方便，只需一臺RTK流動站即可。其主要作業流程為：將流動站連入CORS網絡，找當地的控制點進行檢驗，如精度達到要求及固定解，即可進行測量。

2.2 影像精度評定

2.2.1 RTK技術要求

RTK設備在作業時，應避免雨水淋濕、暴曬。在工作期間，測量人員應間隔一段時間檢查參考站工作狀態，及時處理不正常情況。在RTK測量時，固定解要求如表2所示。

2.2.2 基于徠卡GS15的像控點測量

本次通過徠卡GS15接入FJ CORS系統進行實地測量。像控點應選在影像中易于辨別尋找對應點位的地方，一般選在路口等顯著地標位置。在像控點測量的同時將像控點測量位置進行拍照取景，照片要根據像控點點號一一對應，便于內業影像校正時辨認尋找像控點。實地測量像控點后，通過對照影像找到所測量點位，在像控點中選擇十組均勻分布在測區四周邊界的點，將影像上像控點點位的坐標導出，利用點位中誤差公式計算出點位中誤差。點位中誤差公式如下：

m=±（1）

利用以上公式求得點位中誤差為29.09，單位為cm，符合精度要求。

3 無人機系統的構成和數據采集

3.1 無人機系統

無人機與遙感技術的結合即為無人機遙感技術（UAV-Unmanned Aerial Vehicle Remote Sensing technology）。低空無人機遙感技術的結構可以分為飛行器系統、飛行控制器系統、傳感系統和信息獲取系統等。本次測圖使用eBee固定翼小型迷你無人機，它是由瑞士最新研發生產的全自動型智能測繪級無人機，主要構成部分有泡沫塑料機身、高清晰度相機、尾部螺旋槳、便攜式運輸箱等硬件以及飛行控制軟件eMotion 2和后處理軟件postflight 3D Terra等。

3.2 野外數據采集

（1）野外數據獲取流程

無人機航拍攝影數據獲取的主要流程包括任務及需求分析、收集整理資料、起飛場地選擇、飛行方案設計、起飛前和著落后飛行設備系統檢查、飛行質量和數據質量檢查、飛行資料整理等步驟，其中飛行方案設計應包括航行方式、云臺攝影角度、無人機最佳航攝路線的設計。

（2）航行及像控點選擇注意事項

在利用eBee無人機進行測圖前，需挑選合理的天氣，要求天氣晴朗且能見度高；在測圖時，需控制好飛行姿態，確保平臺穩定，以獲取高精度影像。此外，像控點的選取可以用石灰或者油漆在測區空曠顯要的位置噴涂像控點，形狀為十字絲狀，然后用RTK精準測得十字絲中心點坐標；或者在拍攝所得的影像中選擇突出顯要的像控點，然后在實地用RTK測量。本次測圖選擇第二種方式，在測區范圍內均勻選擇四角設四個像控點。

3.3 測圖數據后處理

運用postflight 3D Terra將前期野外采集的測圖數據，包括航拍影像數據及控制點數據，對航拍影像進行影像校正，得到廈門市鼓浪嶼校正后的航拍影像圖，其分辨率為0.08m。在無人機航攝影像中，房屋輪廓清晰完整，地物可視化明顯，房屋建筑等無明顯扭曲變形。相反，在衛星影像中，房屋輪廓界限模糊，難以辨認，地物不明顯，且都有不同程度的扭曲變形。因此，兩者相較，無人機航攝影像可用度明顯高于衛星遙感影像。

4 大比例尺建筑分布圖制作與分析

4.1 建筑要素解譯

基于像控點校正后的無人機航攝影像，精度高，地面分辨率為0.08m，可清晰的分辨地面上64cm2的像素點，能精準解譯包括地面臺階、房屋建筑、路面邊界、地物分類界等要素。在無人機航攝影像上進行測區內房屋建筑物的矢量化，勾繪建筑、房屋邊界，將建筑物構面，構面過程中，面與面之間不能重疊，相交。內業處理是整個工程流程中最為重要的部分，決定著實驗數據采集的精準度。用ArcGIS對遙感影像進行目視解譯，解譯方法參考第一次全國地理國情普查準則，不區分測區內高低層房屋，對影像上明顯高層采用先摳圖，在拖移到房屋地基的方式，避免了高層累計的誤差，經驗證明解譯圖斑與實地測量套合，符合精度要求。利用ArcGIS軟件對處理好的影像進行矢量化，通過新建數據庫，新建要素集，設置坐標系，添加面要素等過程，最后完成整個鼓浪嶼房屋建筑的解譯，如圖1所示。

4.2 建筑分布制圖制作

基于鼓浪嶼遙感影像解譯成果，新建線要素，勾繪鼓浪嶼社區分界線，新建點要素，繪制社區名稱，并為各要素添加字段及屬性，設置標注要素的大小，顏色字體符號等屬性，添加地圖要素，最后得到鼓浪嶼建筑分布圖，如圖1所示。

4.3 三維建模

基于無人機遙感技術獲取的高分辨率航攝影像，不僅可應用于大比例尺測圖以及數據分析，還可應用于各種場景的三維建模。通過無人機航攝影像以及smart 3D capture軟件，運用傾斜攝影測量技術，可通過航攝影像生成精細可量測的三維模型。

4.3.1 基于無人機高清影像的三維建模

在無人機航攝影像和smart 3D capture軟件的支持下，選擇測區房屋建筑進行三維建模。通過新建工程，導入影像數據，輸入相片相機傳感器信息，提交空三任務進行重建三維操作，輸出三維模型，最后生成三維模型圖，如圖2所示。

4.3.2 添加建筑物屬性

根據Smart 3D capture得到的三維模型獲取實體建筑的詳細屬性數據，在Smart 3D view窗口中打開三維模型數據，量測建筑高度、面積等數據。基于三維模型量測的數據，在鼓浪嶼矢量化建筑面中添加三維模型的建筑屬性，樓層高度以及樓層層數，如圖2所示。

4.4 統計專題圖分析

基于鼓浪嶼建筑分布圖，與《廈門市人口增長及分布與土地功能之間關系研究》數據，利用ArcGIS軟件對鼓浪嶼建筑用地與人口關系進行統計分析，鼓浪嶼上的內厝社區住房面積為172370.72m2，人均住房面積為18.93

1m2/人，龍頭社區住房面積為170506.25m2，人均住房面積為21.723m2/人。查閱資料得知廈門市人均住房面積為26.84m2/人，對比鼓浪嶼人均住房面積數據，鼓浪嶼人均住房面積更小。鼓浪嶼作為國家級景區，每天接待游客眾多，2013年鼓浪嶼開始每天最多3萬人次的游客限制，由于游客眾多導致鼓浪嶼住房緊張，大多數民房改造為家庭旅館進行營利，價格不合理、宰客等現象成為景區管理人員迫切解決的問題。

4.5 地籍數據庫構建

隨著我國經濟的發展與基礎建設，城市和農村土地屬性正在發生劇烈的變化，在此基礎上農村土地確權與宅基地確權顯得尤為重要，基于鼓浪嶼建筑物矢量化圖層，可通過矢量圖層導出至CAD、添加注記、設置宗地基本屬性、繪制權屬線、修改宗地屬性、修改界址線屬性、繪制宗地圖、生成界址點坐標、生成界址點成果表、輸出調查表等一系列步驟進行鼓浪嶼房地產地籍數據庫構建。

5 結束語

本文通過eBee無人機和福建CORS系統完成了鼓浪嶼大比例尺測圖，實驗結果表明該方法可行且實用，為鼓浪嶼的島嶼規劃與數字島嶼建設提供了數據分析，并得出以下結論：

（1）論證了低空無人機遙感技術的可行性，為廈門市鼓浪嶼航攝影像測圖的數據采集提供堅實的理論依據。

（2）基于福建CORS系統與徠卡CS15RTK進行像控點測量，對無人機航攝影像進行像控點校正，中誤差解算，評定影像精度，證明了中誤差精度完全符合測量要求。

（3）依據成果數據對鼓浪嶼人口、建筑面積、人均住房面積進行統計分析表明，運用CASS7.0軟件，基于鼓浪嶼矢量化數據進行地籍數據庫構建，繪制鼓浪嶼房地產宗地圖，可將無人機大比例尺測圖技術應用到實踐當中。

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