無人機航攝技術在土地整治項目中的應用探究

趙彤

摘要? ? 針對傳統土地整治項目施工監管、后期監測效率不高的問題，本文通過低空無人機航攝和PhotoScan軟件后期處理，對比生成的正射影像圖和Google earth衛星圖的分辨率和位置，發現該影像圖能精準、高效地表征項目區影像數據變化，得到一種可用于土地整治項目各階段動態觀測的簡單、快捷方法，以期為土地整治項目的發展提供參考。

關鍵詞? ? 土地整治;無人機航攝;PhotoScan;數字正射影像圖

中圖分類號? ? P236? ? ? ? 文獻標識碼? ? A

文章編號? ?1007-5739（2019）21-0201-02? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

Abstract? ? In view of the construction supervision of traditional land remediation projects and the low efficiency of post-monitoring，this paper compared the resolution and position of the generated orthophoto map and Google Earth satellite images through low-altitude drone aerial photography and PhotoScan software post-processing.The image map could accurately and efficiently characterized the change of image data in the project area，and obtained a simple and quick method that could be used for dynamic observation of various stages of land remediation projects，so as to provide references for the development of land remediation projects.

Key words? ? land remediation;UAV aerial photography;PhotoScan;digital orthophoto map

土地整治在增加農用地面積、提高耕地質量、優化土地利用結構、提高土地利用效率、改善農業生產條件、增加農民收入等方面都發揮著重要作用[1]。目前，土地整治項目區多為相對落后的丘陵和山區地帶，前期踏勘、測量存在一定技術難度和測量誤差，造成后期項目驗收、監管效率不高[2]。

近年來，無人機航測遙感技術快速發展，它是對衛星遙感、大飛機航測的有效補充，具有靈活性高、成本低、作業周期短、數據分辨率高等特點，在大地測量、國土規劃、資源調查、防災救災等領域得到了廣泛應用[3-4]。該技術的發展和應用，促使土地整治工程在前期踏勘、中期設計施工、后期驗收監管等方面實現高效便捷的動態監測成為可能，許多省市已經將低空無人機航測技術作為土地整治項目設計、驗收、監測的推薦技術[3，5]。本文利用小型無人機采集某土地整治項目區航拍數據，通過專業分析處理軟件進行航拍數據處理，檢驗其在后期監測中的應用可行性。

1? ? 無人機低空攝影測量系統介紹

1.1? ? 無人機低空攝影系統

無人機低空攝影系統以無人機為飛行平臺，通過飛行控制系統實現無人機的固定航線飛行，并拍攝高分辨率遙感影像，從而快速獲取目標區域基礎遙感信息數據。該系統由飛行控制系統、地面站系統、航拍系統等部分組成[5]，獲得的數據經過后期內業處理生成各類直觀影像和模型。

其中，飛行控制系統是無人機攝影系統的飛行控制核心，它能夠接受地面發射的控制信息，使無人機按照預定航線、速度、高程進行自動飛行及返航，該系統通過GPS定位無人機坐標位置，實時計算無人機的飛行速度、高度等信息。地面站系統通過實時向無人機發送信號控制其飛行航線、速度、高程等，能夠顯示無人機飛行區域的電子地圖、飛行航線、參數、無人機姿態等信息，達到監視飛行狀態的目的。航拍系統可以根據實際需要，搭載各類傳感器（如普通數碼相機、紅外多光譜相機等）以及穩定云臺，實現多精度、多角度實時遙感數據采集。

1.2? ? 低空航拍數據處理

利用無人機拍攝的航空影像，通過專業數據處理軟件（Inpho、PhotoScan及Pix4D等）提取無人機坐標、高程、飛行角度、拍攝角度等信息，并進行航拍影像的拼接，最終輸出數字正射影像圖（DOM）、數字表面模型（DSM）、數字高程模型（DEM），其計算周期短、自動化程度高、應用范圍廣[6]。

本研究采用Agisoft公司的PhotoScan軟件，可以對輸入的影像進行自動對齊及優化處理，生成不同等級的密集點云數據，進而生成網格、紋理，通過航拍影像自帶的地理坐標系統，最終生成具有地理參考信息的數字地理模型[7]。

本文以某土地整治項目竣工地塊為拍攝對象，以低空無人機為平臺，基于近似最近鄰（ANN）匹配算法的Agisoft Photoscan軟件實現航拍影像自動拼接，生成地塊正射影像圖[7]，添加到Google earth衛星影像圖中對比其處理效果，以期為土地整治項目相關設計、動態監測提供簡單、易行的航拍影像資料。

2? ? 數據采集

2.1? ? 野外數據采集準備工作

在采集影像數據前，通過相關資料了解測區竣工范圍線和相關地物分布，對該地塊進行實地踏勘，熟悉拍攝范圍并規劃飛行航線，避開航攝范圍內較高地物（建筑物、高壓線等），最后選擇風速低、光線好的日期進行無人機航拍[5]。

2.2? ? 無人機飛行參數設置

本項目采用的無人機平臺為大疆公司的精靈3A機型，它由飛行器、云臺相機、遙控器組成，搭配iPad以及DJI GS Pro App配合使用。該機型配備20 mm（35 mm格式等效）低畸變廣角相機、高精度防抖云臺以及1 200萬像素圖像傳感器，可拍攝1 200萬像素JPEG及無損RAW格式的照片，配備高達66 W·h的高能量密度智能電池和高效率的動力系統，最大平飛速度16 m/s，最大續航時間約為23 min[7]。

無人機起飛前，通過DJI GS Pro軟件設置本次飛行航線，設置飛行速度5 m/s，飛行高度140 m，飛行時間15 min，相機鏡頭垂直拍攝，達到航向重疊率70%、旁向重疊度50%，航攝點共20個[7]。

3? ? 數據處理與結果分析

3.1? ? 軟件處理步驟

（1）打開PhotoScan 軟件，點擊“添加堆塊”，創立新項目。

（2）添加照片并對齊照片。選擇添加無人機飛行拍攝并挑選后的13張航片，然后點擊“對齊照片”，在窗口中選擇適合的精度，軟件能夠自動讀取航片坐標、高程、飛行姿態等信息，通過空中三角測量的基本原理以及多視圖三維重建技術自動排列照片并對齊[6]（圖1）。

（3）生成密集點云、網格、紋理。分別點擊“生成密集點云”“生成網格”“生成紋理”。PhotoScan軟件會基于相機拍攝位置計算深度信息組成密集點云，并生成對應的網格三維模型和紋理模型（圖2）。

（4）構建數字高程模型、數字正攝影像模型。分別點擊“構建數字高程模型”“構建數字正攝影像模型”，選擇WGS 84坐標系，并設置數據來源、像素等參數（圖3）。

（5）輸出相關成果。經過以上步驟之后，選擇合適的分辨率以及所需的投影類型，輸出所需的數字正射影像模型DOM的tif格式和kmL格式，生成的數字正射影像模型像素為1 856×2 047（圖4）。

3.2? ? 結果分析

將正射影像圖的kmL格式文件添加到Google earth衛星圖中，對比最新影像圖，軟件生成的正射影像圖分辨率明顯高于谷歌衛星20級影像圖，并且基本與已有衛星圖重合，說明該低空無人機航攝和軟件技術處理數據位置精度高、分辨率高。通過后期在Arc GIS軟件中結合已有工程圖，可以實現項目地塊的面積、道路、水渠等相關數據的估算，能夠很好地應用在土地整治類項目的前期規劃、施工動態監測以及后期驗收等方面。圖5、圖6分別為正射影像圖加載前后的衛星圖對比效果。

4? ? 結語

小型低空無人機航拍系統在土地整治中具有很多優勢，如能夠快速采集最新數據，靈活性強、成本低、效率高，尤其適用于地形復雜區域拍攝[7]。后期PhotoScan軟件處理便捷，制圖結果和分辨率滿足要求，生成的DOM、DEM、DSM等模型能夠在相關圖像處理軟件中加載，實現項目二維和三維制圖、工程量估算、地類區分等目的。

該方法能夠獲得項目區最新大比例正射影像圖，真實、準確、全面、及時反映項目各階段工程進度變化[8]，結合后期軟件處理，在土地整治類項目的前期規劃、中期施工動態管理、竣工后運營監測等方面將具有廣泛的應用前景[9]。

5? ? 參考文獻

[1] 馮顏博，趙扣.淺析無人機遙感技術在土地工程中的應用[J].西部大開發（土地開發工程研究），2017，2（12）：6-9.

[2] 徐秀云，陳向，劉寶梅.微型無人機助力土地整治項目監管[J].測繪通報，2017（3）：86-90.

[3] 賴云，祁瓊.無人機航測在土地整治項目核查驗收中的應用[J].地理空間信息，2014，12（5）：20-22.

[4] 汪雅婕.Pix4Dmapper在無人機航攝應急救災項目中的應用研究[J].測繪與空間地理信息，2016，39（9）：202-203.

[5] 吳濤.低空無人機航空攝影測量技術在土地整治項目規劃設計階段的運用[J].安徽農業科學，2015，43（2）：295-296.

[6] 李華，王正東.基于PhotoScan和ArcGIS的土方量測量研究[J].礦山測量，2019，47（1）：61-63.

[7] 代婷婷，馬駿，徐雁南.基于Agisoft PhotoScan的無人機影像自動拼接在風景園林規劃中的應用[J].南京林業大學學報（自然科學版），2018，42（4）：165-170.

[8] 任向紅.微型無人機航空攝影測量技術在寧夏土地整治中的應用：以寧夏中北部土地開發整理重大工程項目為例[J].測繪與空間地理信息，2013，36（9）：168-169.

[9] 顧錚鳴，金曉斌，楊曉艷，等.基于無人機遙感影像監測土地整治項目道路溝渠利用情況[J].農業工程學報，2018，34（23）：85-93.