無人機航測技術在土地整治中的應用研究

袁士才　唐忠海　劉書婷

摘 要：隨著科學技術的飛速發展及工程行業的更高要求，傳統測量技術逐漸不能滿足土地規劃項目的具體要求，因此以無人機航測技術為代表的先進測量技術，以其技術優勢在工程中的應用愈加廣泛。本文以重慶地區土地整治項目需求入手，詳細分析了無人機航測技術在土地整治項目中的具體優勢，并通過設計具體實驗，驗證了其測量精度滿足項目需求。無人機航測技術既能體現企業自身的技術實力，又能為項目的具體實施節約一定的成本，因此有很廣泛的技術應用前景和市場推廣價值。

關鍵詞：無人機;航測技術;土地整治;應用研究

Research on Application of UAV Aerial Survey Technology in Land Remediation

YUAN Shicai TANG Zhonghai LIU Shuting

（Yangtze Normal University， Chongqing， 408100 China ）

Abstract： With the rapid development of technology and the higher requirements of the engineering industry， traditional measurement technologies are gradually unable to meet the specific requirements of land planning projects. Therefore， advanced measurement technology represented by UAV aerial survey technology has become more and more widely used in engineering， due to its technical advantages. Based on the demand of land remediation project in Chongqing， this article analyzes in detail the specific advantages of UAV aerial survey technology in land remediation projects， and verifies that its measurement accuracy meets the project needs through specific experiments. UAV aerial survey technology can not only reflect the company's own technical strength， but also save a certain amount of cost for the specific implementation of the project， so it has a wide range of technology application prospects and market promotion value.

Key Words： UAV; Aerial survey technology; Land remediation; Application research

重慶地區多為山地、丘陵地貌，地形起伏多變，降水較多，且地面水系豐富，由于早期存在邊坡盲目開墾種植農田、非法砍伐樹木、非法開采等現象，以及邊坡風化失穩等不良地質，再加上惡劣天氣條件影響，常發生滑坡、泥石流、堰塞湖等地質災害問題。為治理上述問題，國家發展改革委、水利部和重慶市財政下撥專項經費進行土地整治工作，主要開展坡耕地水土流失綜合治理項目和農村小水電扶貧項目，前期開展的測量項目主要是全野外數字測圖工作，通過數字地形圖的更新，為后續規劃、設計、施工等工作開展打下堅實的數據基礎^[1]。

在傳統的土地整治項目中，主要采用全站儀、水準儀、皮尺等常規工程測量儀器，測量技術落后，且受地形影響，勞動強度極大。后來隨著測量設備的更新換代，衛星定位技術逐漸在該領域廣泛應用，如采用自行架設單基站GNSS-RTK或利用市地理信息中心提供的CORS網絡GNSS-RTK等形式，避免了站點間的通視問題，極大提高了工作效率，但是由于山區地形復雜，衛星信號及手機信號均收到不同程度的影響，尤其是在中午11點～14點之間，CORS信號極易斷線，因此工作中不能時時提供坐標數據，往往影響施工進度。不論是全站儀，還是GNSS衛星定位設備，都是接觸式測量方式，必須要人員到相應點位才能得到具體坐標信息，原始地面起伏較大，爬坡下坎比較消耗體力，且易發生人身安全問題這都是不利因素，同時，這些測量方法，僅能測量點的三維坐標，生成二維線劃圖，高程以等高線來表示，不能直觀反映地形起伏變化情況，給設計、施工帶來一定的不便，因此目前所用測量技術和方式逐漸不能滿足當前土地整治中規劃、設計、施工的具體需求。

隨著測量技術的進一步發展，衛星遙感技術、無人機航測技術、三維激光掃描技術、激光雷達等非接觸式測量技術逐漸嶄露頭角，它們以非接觸式測量方式，直接獲得高精度的掃描點云數據，可以高效地對真實世界進行三維建模和虛擬重現，并在文物數字化保護、土木工程、工業測量、自然災害調查、數字城市地形可視化、城鄉規劃等領域有廣泛的應用^[2]，特別是無人機航測技術，在地形條件復雜，高差起伏很大的地域，基本代替了傳統的人工測量^[3]。

1.無人機航測技術在土地整治項目應用中的優勢

遙感技術根據遙感平臺的不同，可分為地面遙感、航空遙感和航天遙感三種形式^[4]，無人機航測技術屬于航空遙感中的一種。航天遙感，主要是指衛星遙感，具有測量面積大、范圍廣、不受國界和地理條件限制的優點，適于大面積地形測繪。地面遙感，主要指地面架設遙感設備，具備大面積的同步觀測，獲得資料的速度快，周期短，時效性強特點，但受到遙感平臺高度和視角廣度影響。航空遙感中，傳統的航空攝影測量方法，受空域申請、航攝周期等影響，在快速響應的應急保障和小區域的精準測繪中無法滿足快速更新的需求^[5]，隨著低空遙感技術的發展，使得低空無人機航測技術成為一個嶄新應用方向。無人機具有機動靈活、生產周期短等特點，可為復雜地形區的測量項目提供有效的技術支持，可有效彌補傳統測量手段的不足^[6]，在土地整治項目中具有明顯優勢。

1.1 數據成果齊全，便于后續工作開展

傳統測量技術，如全站儀、GNSS-RTK等由于技術的局限性，測量數據成果單一，二維線劃圖（DLG）識讀性不佳，且在繪制中會舍棄大量要素信息，對設計施工不利。而無人機航測技術可生成DOM、DEM、DSM、DLG等4D產品，可見航測成果信息更加齊全，直觀性強，對后續的規劃、設計、施工、管理維護也有很好的指導意義。

1.2 工作效率高，勞動強度低

在土地整治項目中，傳統測繪方法以實地踏勘測量為主，受地形影響，視角不足，因此需要集中大量的人力物力，耗費較多的時間完成測量任務，而通過無人機航測技術，只需讓無人機航飛覆蓋整個待測區域，觀測人員布設少量像控點，即可完成外業工作，之后回到室內，以Context Capture Master、Pix4D、PhotoScan、Inpho等專業航測軟件處理數據，得到4D成果，很大程度上縮短了工作周期，提高了工作效率，保證了工作人員的安全。

1.3 成果可讀性好，便于匯報及交接工作

利用無人機航測技術可以獲得規劃前、施工中及竣工后等多階段的工程影像資料，而工程項目的竣工驗收、資料存檔材料中，工程影像資料是非常重要的一項。由于影像資料的可讀性極好，不需要專業技能的積累，就可清晰的了解整個工程項目的進展歷程，在向上級部門匯報、竣工驗收以及向使用單位交接能很好地體現出公司具備的技術優勢。

2.無人機土地整治測量精度實驗

為充分利用無人機航測技術的項目優勢，為驗證其精度，以某區域土地整理規劃為例，采用大疆精靈4Pro無人機進行航測工作，航測實驗實施流程如圖1所示。

2.1實驗規劃

根據實驗區域地形情況分析，地勢為北高南低，東高西低，最大高差不超過30m。根據航高計算公式

（1）

式中，H-相對航高，m;f-鏡頭焦距，mm;a-像元大小，μm;GSD-地面分辨率，cm。

為盡可能提高測量精度，以最低點起飛，按照地面分辨率為2cm進行航線規劃，設定航向重疊度為80%，旁向重疊度為70%，經計算起飛點相對航高為73m，同理，計算山頂點（區域最高點）飛行參數，可見數據滿足規范規定，航測具體參數如表1所示。

按照計算參數進行航線規劃，并現場布置像控點及檢驗點，像控點大致均勻布設于區域四周及中心，檢核點基本以方格網形式布設，為充分檢核精度，檢核點位較多，因此點位布設工作量較大，點位布設如圖2所示。

2.2航飛及實地測點

利用深圳大疆公司研發的DJI GS Pro航飛軟件控制無人機，使其根據設置航線自主飛行。由于本次采集點位較多，所以采用后采法采集像控點及檢查點，利用高精度GNSS-RTK多次采集取均值，并且測量過程中，應采用三角支撐桿固定，使其氣泡居中，確保點位數據的準確性。

2.3內業處理

本次采用Pix4D軟件進行內業處理工作。首先，新建工程，將像片加載至軟件中，設置影像屬性;其次，快速檢查處理，檢查像片重疊度及相機參數等情況;再次，加入像控點，并在圖像上進行刺點工作，一般每點刺3～8張圖像，并設置輸出坐標系;最后，設置本地處理參數，之后就按照初步處理、空三加密以及數字表面模型和正射影像圖 全自動處理。質量分析報告中，像控點中誤差僅為5mm，可見數據處理過程滿足要求。

2.4成果分析

根據數據處理成果，將檢核點坐標實地測量值和軟件量測值進行分析，計算誤差如表2所示。

由于點位過多，為更加清晰的展示點位誤差的分布的離散情況，如圖3所示。

通過比較實地測量值和軟件上的量測值獲得平面和高程方向的真誤差，計算出三維模型三個方向的中誤差及平面中誤差，計算公式為

（2）

式中，m_i為中誤差，[Δ_iΔ_i]= Δ₁²+Δ₂²+……+Δ_n²，Δ_i為提取值與觀測值之差，n為檢查點個數。

經計算，x方向中誤差為3.2cm，y方向中誤差為4.3cm，h方向中誤差為6.8cm，即檢查點平面中誤差5.3cm，高程中誤差為6.8cm。可見，除去少量幾個錯誤的離散點需要進一步分析外，點位精度符合1：500地形圖測量精度要求。

3.結論

通過利用無人機開展區域土地整治航測實驗，驗證了其測量精度的可靠性，在土地整治項目中，可以利用其優勢，快速高效率的獲取4D成果以及影像視頻資料，為后續的規劃、設計、施工、管理提供基礎資料和過程數據。在航測成果中，能夠直觀地展示原始地物地貌，在項目實施上，能有效反映現場數據，數據成果齊全，展示性極好，能夠反映企業自身的技術實力，為項目匯報、成果展示提供一個很好的技術支撐，因此有很廣泛的技術應用前景和市場推廣價值。但是，無人機航測技術受天氣影響較大，且在地面植被覆蓋較密時無法準確測量植被下地面情況，因此，在實際應用中還可以結合機載激光雷達等技術，進一步的探索研究。

參考文獻

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