基于無(wú)人機(jī)測(cè)量的地籍測(cè)繪技術(shù)探究

黃科新

（大埔縣自然資源局， 廣東 梅州 514000）

隨著近期經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷推進(jìn)，我國(guó)對(duì)土地資源的利用更加多元化，而土地權(quán)屬結(jié)構(gòu)和利用布局也在不斷變化中，通過(guò)開(kāi)展土地調(diào)查工作，能夠?qū)崿F(xiàn)土地信息建檔，并在大數(shù)據(jù)、信息化技術(shù)的支持下，形成土地資源專屬數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)國(guó)家當(dāng)代土地管理工作意義重大，并保障國(guó)土資源的管理的安全性與可靠性。對(duì)此，地籍測(cè)繪是土地調(diào)查工作的重要一環(huán)，指的是采用測(cè)繪技術(shù)了解國(guó)有或集體土地權(quán)屬、位置、用途、界址等基本情況的調(diào)查活動(dòng)，但是，在以往地籍測(cè)繪工作中，常使用RTK、全站儀等測(cè)繪手段，并不滿足高精度、高效率的地籍測(cè)繪需求。因此，建立以無(wú)人機(jī)測(cè)量為核心的地籍測(cè)繪技術(shù)體系，顯著提高地籍測(cè)繪工作質(zhì)量，推動(dòng)土地調(diào)查工作的創(chuàng)新發(fā)展。

1 無(wú)人機(jī)測(cè)量系統(tǒng)研究

1.1 無(wú)人機(jī)測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)成與性能

無(wú)人機(jī)測(cè)量系統(tǒng)包括飛行控制系統(tǒng)、地面站系統(tǒng)與航拍攝像系統(tǒng)，其中飛行控制系統(tǒng)主要涉及空中飛行、空中定位，地面站系統(tǒng)則主要負(fù)責(zé)航線、遠(yuǎn)程控制、飛行監(jiān)控、信息接收，航拍攝像系統(tǒng)則主要負(fù)責(zé)飛行過(guò)程中的信息采集和實(shí)時(shí)傳輸[1]。在此基礎(chǔ)上，無(wú)人機(jī)測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)成結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 無(wú)人機(jī)測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)成結(jié)構(gòu)

1.1.1 飛行控制系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)航拍測(cè)繪的基礎(chǔ)是無(wú)人機(jī)技術(shù)，而飛行控制系統(tǒng)關(guān)系到無(wú)人機(jī)設(shè)備是否能夠在空中完成任務(wù)，因此該系統(tǒng)無(wú)人機(jī)控制的關(guān)鍵，飛行控制系統(tǒng)包括飛行器本體、傳感器和控制系統(tǒng)，其中傳感器包括陀螺儀、加速計(jì)、地磁感應(yīng)裝置、氣壓傳感器以及GPS 模塊，能夠在無(wú)人機(jī)按照預(yù)定軌跡飛行和依照GPS 技術(shù)進(jìn)行定位的同時(shí)，精確化就無(wú)人機(jī)的飛行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，滿足測(cè)繪工作的具體需求。對(duì)此，該文采用大疆系列作為無(wú)人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)，其具有操作簡(jiǎn)單、控制靈活等特點(diǎn)，能夠給地籍測(cè)繪人員提供便利。

1.1.2 地面站系統(tǒng)

地面站系統(tǒng)是地面總體控制系統(tǒng)，包括了地面路線規(guī)劃和無(wú)人機(jī)測(cè)繪任務(wù)執(zhí)行與監(jiān)控，能夠以地面站系統(tǒng)控制軟件為支撐設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)飛行航線，并包括數(shù)據(jù)顯示與即時(shí)信息下傳功能，能夠使地籍測(cè)繪人員及時(shí)了解無(wú)人機(jī)的飛行軌跡、飛行參數(shù)與飛行姿態(tài)，確保地籍測(cè)繪工作的整體效率。

1.1.3 航拍攝像系統(tǒng)

航拍攝像系統(tǒng)具有兼容性，可以與多種攝像平臺(tái)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同攝像設(shè)備的控制和運(yùn)用[2]。對(duì)此，該文采用A7R2相機(jī)（8.8/24mm）作為攝像設(shè)備，其有效像素達(dá)2000 萬(wàn)px，同時(shí)配備1英寸 CMOS傳感器，最大分辨率為5472px×3078px。

1.1.4 無(wú)人機(jī)設(shè)備

該文使用大疆Phantom 4 Pro 無(wú)人機(jī)作為無(wú)人機(jī)設(shè)備。

1.2 無(wú)人機(jī)測(cè)量的方法與流程

針對(duì)無(wú)人機(jī)測(cè)量視角下的地籍測(cè)繪工作主要包括控制測(cè)量、航片獲取、空三加密、DOM 輸出以及圖形矢量化等5個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)。

1.2.1 控制測(cè)量

1.2.1.1 像控點(diǎn)選擇

考慮到測(cè)繪任務(wù)要求繪制1 ∶500 比例尺地圖，但以無(wú)人機(jī)航拍所獲的圖片分辨率為3PPI，又無(wú)法在攝像時(shí)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，因此業(yè)內(nèi)加工數(shù)據(jù)的任務(wù)難度增加。在此基礎(chǔ)上，為方便像控點(diǎn)控制，盡量在航攝像片清晰位置選擇像控點(diǎn)，不能選擇房角、陰影或高程變化明顯的遮擋區(qū)域。例如可選擇路面車實(shí)線角、清晰道路交角、露天籃球場(chǎng)實(shí)線角作為像控點(diǎn)[3]。此外，為提高圖像精度，一般可借助像控點(diǎn)標(biāo)志輔助攝像工作，即借助油漆在地面上構(gòu)成特定形狀，能夠方便測(cè)繪人員辨識(shí)像控點(diǎn)和進(jìn)行無(wú)人機(jī)定位，提高像控精度。

1.2.1.2 像控點(diǎn)測(cè)量

進(jìn)入像控點(diǎn)測(cè)量環(huán)節(jié)，常用全站儀和GPS-RTK 設(shè)備實(shí)現(xiàn)測(cè)量。其中，在應(yīng)用全站儀對(duì)界址點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，可使用截距法、距離交會(huì)法量取距離，能夠配合全站儀實(shí)現(xiàn)全方位的高精度測(cè)量，同時(shí)，對(duì)不低于5s 級(jí)全站儀的數(shù)據(jù)采集過(guò)程，應(yīng)于定向之后再檢查測(cè)站，將檢測(cè)坐標(biāo)的誤差控制在5cm 內(nèi)。另外，如使用RTK 進(jìn)行測(cè)量，則需要至少在一個(gè)已知點(diǎn)上完成，以規(guī)避誤差。

1.2.2 航片獲取

在航測(cè)過(guò)程中，首先對(duì)測(cè)繪項(xiàng)目進(jìn)行勘察，掌握無(wú)人機(jī)飛行區(qū)域的測(cè)繪需求和作業(yè)特征，設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)的起降點(diǎn)。同時(shí)，根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)書中對(duì)無(wú)人機(jī)測(cè)繪的具體需求，確定地面測(cè)繪分辨率，搭載相應(yīng)的攝像設(shè)備，并調(diào)整無(wú)人機(jī)飛行高度，確保無(wú)人機(jī)測(cè)繪作業(yè)的順利開(kāi)展。此外，在特殊區(qū)域如山區(qū)的無(wú)人機(jī)測(cè)繪作業(yè)中，還需考慮地形地貌及環(huán)境因素對(duì)無(wú)人機(jī)飛行的影響，構(gòu)建應(yīng)急處理方案，并在適時(shí)調(diào)整無(wú)人機(jī)飛行模式的基礎(chǔ)上保證測(cè)繪作業(yè)的整體質(zhì)量。

1.2.3 空三加密

在無(wú)人機(jī)測(cè)繪作業(yè)中，空三加密能夠滿足地面控制點(diǎn)缺少情況下控制點(diǎn)的絕對(duì)定向，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)測(cè)繪作業(yè)的有效技術(shù)支撐。在此基礎(chǔ)上，常見(jiàn)空三加密技術(shù)有模擬空中三角測(cè)量和解析空中三角測(cè)量?jī)煞N，在該文中，以解析空中三角測(cè)量方法作為空三加密手段進(jìn)行研究。其中，解析空中三角測(cè)量由嚴(yán)密的數(shù)學(xué)公式支持，其通過(guò)連續(xù)拍攝相鄰航片并分析其幾何特征與像點(diǎn)坐標(biāo)，在最小二乘原理支持下得出加密控制點(diǎn)的坐標(biāo)，具有計(jì)算效率高、受環(huán)境因素影響小等優(yōu)點(diǎn)，能夠既減少測(cè)繪人員的野外作業(yè)量，提高無(wú)人機(jī)測(cè)繪的整體效率，又保證測(cè)繪結(jié)果的精度，為地籍測(cè)繪工作提供有效支持[4]。

1.2.4 DOM、DSM 制作

對(duì)航片正射影像DOM 的制作，其目的主要在于對(duì)航片影像進(jìn)行幾何糾正，將原始影像的中心投影更改為正射投影，即正射糾正，其具體流程可見(jiàn)圖2。

圖2 航片正射糾正

其中，利用空三加密結(jié)果與DEM 進(jìn)行影像正射校正，生成完整的正射影像，并通過(guò)鑲嵌處理提高影像精度，同時(shí)，正射糾正涉及勻光算法，能夠在保證應(yīng)縣色彩損失最小前提下實(shí)現(xiàn)整體影像色調(diào)的統(tǒng)一完整，并保留原有圖像的色調(diào)、亮度及反差。在此基礎(chǔ)上，該文采用Pix4D 全自動(dòng)處理軟件對(duì)DOM 和DSM 數(shù)據(jù)進(jìn)行制作處理，包括空三加密、點(diǎn)云加密、三維網(wǎng)格紋理生成、數(shù)字表面模型及正射影像生成等環(huán)節(jié)。

1.2.5 圖形矢量化

基于已獲取的DOM 成果，利用CASS 農(nóng)村地籍軟件進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)攝影圖像中道路邊線、房屋邊線、地類界邊線、路燈、井蓋、線桿等地物坐標(biāo)位置的圖形矢量化。

2 無(wú)人機(jī)測(cè)量在地籍測(cè)繪中的應(yīng)用流程與技術(shù)要點(diǎn)

2.1 測(cè)區(qū)概況

以某自然保護(hù)區(qū)作為地籍測(cè)繪案例進(jìn)行研究，其中，該區(qū)域總面積達(dá)400km2，包括耕地、林地以及濕地，由自然保護(hù)區(qū)管理委員會(huì)負(fù)責(zé)，周邊包括三個(gè)行政村。對(duì)此，選取該自然保護(hù)區(qū)內(nèi)一部分區(qū)域作為測(cè)繪試驗(yàn)場(chǎng)地，其總面積約1km2，主要面狀地物以樓房為主，無(wú)房檐遮擋，主要線狀地物包括道路、圍欄，主要點(diǎn)狀地物涉及路燈、線桿、井蓋。同時(shí)，區(qū)域內(nèi)無(wú)高層建筑物，地形相對(duì)平坦，植被相對(duì)較低，滿足無(wú)人機(jī)飛行要求，因此可以進(jìn)行無(wú)人機(jī)測(cè)繪試驗(yàn)。

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容

在統(tǒng)一測(cè)繪要求下，分別采用無(wú)人機(jī)航測(cè)和數(shù)字地籍測(cè)量?jī)煞N測(cè)量方法展開(kāi)測(cè)量作業(yè)，對(duì)比測(cè)繪精度、測(cè)繪時(shí)間、測(cè)繪效率以及測(cè)繪成本研究無(wú)人機(jī)測(cè)量在地籍測(cè)繪工作中的可行性。

2.3 控制網(wǎng)布設(shè)

考慮到該自然保護(hù)區(qū)缺少CORS 站網(wǎng)覆蓋，使用區(qū)域內(nèi)風(fēng)景點(diǎn)及建筑作為起算點(diǎn)，布設(shè)D 級(jí)控制網(wǎng)。同時(shí)，利用靜態(tài)控制網(wǎng)成果點(diǎn)及參數(shù)構(gòu)建針對(duì)地籍測(cè)繪的加密控制點(diǎn)，形成I 級(jí)的GPS 控制點(diǎn)，以方便后續(xù)像片控制點(diǎn)的選擇和調(diào)整。在此基礎(chǔ)上，共布設(shè)D 級(jí)GPS 控制點(diǎn)5 個(gè)，I 級(jí)GPS 控制點(diǎn)23 個(gè)，其控制點(diǎn)分布圖如圖3 所示。

圖3 控制點(diǎn)分布圖

2.4 無(wú)人機(jī)影像獲取

根據(jù)航空攝影規(guī)定，無(wú)人機(jī)航向重疊度不得小于53%，旁向重疊度不得小于15%，因此，在考量地籍測(cè)繪實(shí)際環(huán)境與無(wú)人機(jī)性能基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)航向重疊度為80%，旁向重疊度為65%，航高為232.58m，拍照間距為47.7m 且其配置相機(jī)配置如圖4 所示。

圖4 相機(jī)配置

完成航線設(shè)計(jì)之后，對(duì)無(wú)人機(jī)和其他配套設(shè)備進(jìn)行檢查，重點(diǎn)檢查航拍儀固定座架、拍攝用鏡頭、各操作控制系統(tǒng)等是否運(yùn)行正常，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在隱患，確保航攝飛行穩(wěn)定。同時(shí)，考慮到無(wú)人機(jī)航攝姿態(tài)普遍穩(wěn)定性較差，為避免天氣因素對(duì)測(cè)繪作業(yè)的影響，于風(fēng)速較低條件下進(jìn)行作業(yè)，獲取高精度測(cè)繪圖像。

2.5 無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理

通過(guò)無(wú)人機(jī)測(cè)繪作業(yè)，共收集航片1014 張，將其及對(duì)應(yīng)POS 數(shù)據(jù)和像控點(diǎn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入Pix4D 軟件，結(jié)合GPS 位置與IMU 姿態(tài)數(shù)據(jù)得出外方位元素，生成點(diǎn)云。同時(shí)，利用空三加密進(jìn)行處理，解算模型外方位元素，并在加密點(diǎn)云基礎(chǔ)上獲取DSM、DEM，最終得出DOM 數(shù)字正射影像圖片，如圖5 所示。

圖5 DOM 成果

2.6 成果圖繪制

基于DOM 成果，利用CASS 農(nóng)村地籍軟件進(jìn)行圖像處理，標(biāo)記圖像中的交通設(shè)施、居民地、植被園林、市政部件，形成滿足地籍測(cè)繪要求的地籍圖，并通過(guò)實(shí)地考察完善地籍圖，核實(shí)地籍圖內(nèi)無(wú)法判別的地物，如房屋層數(shù)、結(jié)構(gòu)、檢修井屬性、線桿類別等。

2.7 數(shù)字測(cè)量

為方便對(duì)比，使用全站儀極坐標(biāo)法對(duì)試驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行測(cè)繪，界址點(diǎn)及房屋點(diǎn)、地物點(diǎn)總計(jì)測(cè)量點(diǎn)38381 個(gè)。

2.8 統(tǒng)計(jì)對(duì)比

2.8.1 精度對(duì)比

對(duì)比兩種測(cè)繪方法，發(fā)現(xiàn)數(shù)字地籍測(cè)繪點(diǎn)位中誤差為0.061m。同時(shí)無(wú)人機(jī)航拍平面中誤差為0.063m，滿足地物點(diǎn)和二類界址點(diǎn)精度要求（0.075m），由此可見(jiàn)無(wú)人機(jī)航測(cè)分辨率相對(duì)較高，符合地籍測(cè)量需求。

2.8.2 作業(yè)成本對(duì)比

對(duì)比兩種測(cè)繪方法，發(fā)現(xiàn)無(wú)人機(jī)測(cè)繪僅需要14 個(gè)工時(shí)便可完成任務(wù)，遠(yuǎn)少于地籍測(cè)繪，因此可以確定，無(wú)人機(jī)測(cè)繪具有工作成本低的優(yōu)勢(shì)，可以顯著改善地籍測(cè)繪工作的效率。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，無(wú)人機(jī)測(cè)繪具有精度高、分辨率高、成本低等優(yōu)勢(shì)，而在以實(shí)際案例為支撐進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)無(wú)人機(jī)測(cè)繪符合地籍測(cè)繪工作的具體要求，可有效支撐地籍測(cè)繪工作，推動(dòng)地籍測(cè)繪工作的持續(xù)發(fā)展。