無人機航測在土地復墾驗收中的應用

楊 振 張家春

（1、上海交通大學，上海200000 2、上海市自然資源確權登記事務中心，上海200000）

1 概述

隨著民用無人機產(chǎn)品在全球個人消費市場的銷售規(guī)模出現(xiàn)幾何式的發(fā)展。在科技飛速發(fā)展的今天，無人機慢慢的走入人們的視野之中，現(xiàn)正朝著模塊化、標準化、多樣化和系列化的趨勢發(fā)展，其應用范圍廣泛，前景喜人。[1]無人機使用時不光精準度高，而且能夠快速的響應，可操作空間大并且成本也不高。土地復墾驗收外業(yè)測繪主要目的是為了復核已復墾地塊面積與地類情況。全野外數(shù)字化測圖在野外用全站儀、RTK (Real -time kinematic，實時動態(tài))載波相位差分技術等按照測圖范圍采集數(shù)據(jù)，這種測圖方法測量需要投入大量人力、物力和時間，并且在地形破碎、地勢險要的地區(qū)難以測量。[2]無人機技術的應用可以為現(xiàn)有的土地測繪帶來新的格局。本文通過分析無人機航測攝影測量的特點，結合上海市松江區(qū)天馬山區(qū)域進行無人機航測測量的實際案例，研究了無人機航測在土地復墾驗收中的應用。

2 無人機航測攝影測量的特點

無人機攝影測量技術是綜合利用先進的無人駕駛飛行器、遙感傳感技術、遙控程控技術、通信技術、GPS 差分定位技術的遙感應用技術[3],具有自動化、智能化、專用化快速獲取國土、資源、環(huán)境等空間遙感信息的特點,并可以完成遙感數(shù)據(jù)處理、建模和應用分析的應用技術, 是繼衛(wèi)星遙感和普通航空攝影測量技術之后,發(fā)展起來的一種新型航空遙感技術手段,該技術具有以下幾種獨特優(yōu)勢。[4]

2.1 使用成本低、操作簡單

其自動化程度高、操作培訓簡單, 可根據(jù)任務需要隨時工作。

2.2 機動快速的響應能力

在接到航攝任務后,可以做到快速出動、快速獲取、快速處理、快速分析判別,具有成圖周期短、時效性強的特點,能完成突發(fā)性 的緊急任務。

2.3 高分辨率航空影像的獲取能力

高分辨率航空影像，影像色彩豐富、清晰、直觀、準確,滿足地類判別、土地監(jiān)測需求,可作為重要的決策依據(jù)。[5]

3 作業(yè)流程和內(nèi)容

對土地復墾監(jiān)測范圍區(qū)域內(nèi)利用無人機攝影測量進行航測,獲取1∶500 數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)(DOM)。結合上海市詳查層和第二次全國土地調(diào)查資料與檢測范圍內(nèi)地類地塊面積做對比，生成地類流向并制作土地整理復墾地類調(diào)查技術報告書。無人機航測復墾內(nèi)外業(yè)具體作業(yè)流程圖，如圖1 所示。

圖1 無人機航測復墾內(nèi)外業(yè)具體作業(yè)流程圖

3.1 測區(qū)踏勘、收集資料

測區(qū)概況: 松江天馬山位于佘山西南10 公里，距松江區(qū)府11 公里。天馬山山勢陡峭，山體脊線近東西方向，山形如一匹展翅欲飛的天馬，今稱天馬山。天馬山是佘山九峰十二山中山林面積最大、海拔最高的一座山，山林面積1433 畝，海拔高度99.8米。

3.2 布置像控點

因為精靈4-RTK 只能直接獲取WGS84 或CGCS2000 坐標系下的POS 數(shù)據(jù), 影像直接處理只能生成CGCS2000 或者WGS84 坐標下的正射[6]。如果需要xian80 坐標系下的正攝,則需要采用像控點糾正或者提前轉(zhuǎn)換POS 坐標為xian80 坐標,對于無千尋覆蓋區(qū)域和復雜的地形, 可以在使用UBase 的同時添加少量像控點,使精度進一步提高,進而滿足測圖精度要求。像控的目的是為了更好地獲取高精度的影像數(shù)據(jù)[7]。1:500 的話建議間隔500-800 米一個像控點，1:1000,1:2000 可以間隔1 公里一個點，小范圍的話以控制住測區(qū)為宜，適量布設像控點。[8]如圖星標為此次航測的像控點。

圖2 天馬山復墾區(qū)域驗收地塊像控點

3.3 航線設計

由于測區(qū)位于松江天馬山周圍的平原，故沒有特殊的航線要求，只需滿足覆蓋率和精度。在使用無人機的時候，一開始需要按照國際上通用標準設計的相關規(guī)定，這樣做的目的是要把無人機作為遙感平臺。當開始進行航空的立體成像時，選用的無人飛機需要將相機沿飛行線（或條帶）進行垂直航空攝像。因為在實際測繪中一般多選用航空像片的立體像對，所以一次成功的飛行，需要航向重疊達到80%，旁向重疊達到70%。像片的重疊的意義在于，在相隔一定的范圍內(nèi)的不同的位置拍攝同一各目標時會存在視差，這樣就構成了立體像對，并能夠進一步的獲得立體模型[9]。最終運用一些內(nèi)業(yè)的數(shù)字測圖軟件繪制成高精度地形圖。

3.4 自動飛行拍攝采集數(shù)據(jù)

飛行正射時選擇關閉畸變校正，后期相機參數(shù)進行計算輸入PIX4D（處理軟件）。飛行前首先測區(qū)KML 導入，規(guī)劃航線，飛行高度依據(jù)項目要求，一般重疊率航向80%，旁向70%,如果測區(qū)顏色單一或者地形起伏較大,可適當增加重疊度。本次飛行一共使用6 塊專用電池，耗時2 個小時。相比傳統(tǒng)手持RTK 作業(yè)，如此復雜的圖斑一般需要兩天才能完成地類界限打點，且還需分別為不同地類地塊拍上照片以便內(nèi)業(yè)人員甄別。而無人機的高清分辨影像可以輕松識別地類，無需再拍攝其他角度照片，極大地提升了作業(yè)效率。

3.5 數(shù)據(jù)處理成圖

獲取xian80 坐標系下的正攝模型，我們這次采用的是RTK模式數(shù)據(jù)處理，即為應用精靈-4 RTK 本身內(nèi)嵌的千尋網(wǎng)絡，實時載波相位差分定位實現(xiàn)飛機的POS 精度達到厘米級精度。隨后提取照片POS 數(shù)據(jù)（POS 數(shù)據(jù)主要包括GPS 數(shù)據(jù)和IMU 數(shù)據(jù)，即傾斜攝影測量中的外方位元素：（緯度、經(jīng)度、高程、航向角（Phi）、俯仰角（Omega）及翻滾角（Kappa））。先轉(zhuǎn)換坐標再處理。在無人機照片數(shù)據(jù)中每個文件夾有一個.MRK 的文件，用電子表格打開該文件，將經(jīng)緯度三列單獨復制出來。點名按照照片順序，把名稱編輯好,點名一定要和照片名稱對應，包括.JPG,然后導入坐標轉(zhuǎn)換軟件通過RTK 計算的坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)將經(jīng)緯度坐標轉(zhuǎn)換為當?shù)刈鴺藬?shù)據(jù)。最終運用PIX4D 軟件，結合像控點坐標，處理成上海市城市坐標的高清影像成果圖形。

圖3 高清影像成果圖

3.6 地類構圖、生成成果

土地變化信息提取與勾繪。將無人機攝影測量獲取的影像成果進行人工勾繪，并進行地類判別。與傳統(tǒng)外業(yè)實測相比，基于正射影像能實時采集地類邊界角點，直觀快速地勾繪地類圖斑，并且通過影像高程信息，自動生成2.5D 影像，與傳統(tǒng)內(nèi)業(yè)制圖相比，高清影像成果圖像可旋轉(zhuǎn)識別高差，可實現(xiàn)內(nèi)業(yè)輔助判斷溝渠、河流、堆土等，極大地提高了出圖效率。如下圖：

圖4 2.5D 全方位視角圖

最終得到運用構圖軟件生成dwg 格式文件，然后再進行土地復墾驗收的內(nèi)業(yè)環(huán)節(jié)，如圖5 所示。

圖5 CAD 成果圖形

4 結語與展望

本次飛行航測試驗旨在研究新的測量手段在土地整理復墾調(diào)查等項目中的應用前景，通過調(diào)查成果和作業(yè)效率等因素，對比無人機航測和傳統(tǒng)測量手段的優(yōu)缺點。而復墾項目選取了土地復墾項目中較大規(guī)模的案例，無人機航測作業(yè)時間短相比傳統(tǒng)手持RTK 野外測繪極大的提高了作業(yè)效率，但是在一般小型項目時，無人機飛行則需要更多的限制條件，比如：小型復墾項目設置像控點比較費時且無人機飛行電池續(xù)航時間較短等。總體來說兩者皆有利弊，但無人機的使用為測繪人員提供了一個強大的工具，克服了傳統(tǒng)技術中的諸多不足，使土地測繪更加科學精準，保障了土地規(guī)劃和管理科學實用和可操作性。在將來，無人機必將獲得更大的發(fā)展空間，為土地規(guī)劃管理工作帶來更大的便利條件。