基于無人機(jī)傾斜攝影測量的土地利用變化監(jiān)測研究

唐運(yùn)梁

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2010-5640-0761

摘 要：傳統(tǒng)的土地利用動(dòng)態(tài)調(diào)查方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，難以應(yīng)對(duì)當(dāng)下城市發(fā)展過程中遇到的各種土地規(guī)劃與利用方面的問題。隨著低空攝影測量技術(shù)的不斷進(jìn)步，以無人機(jī)為平臺(tái)的遙感數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)正逐漸受到遙感與測繪行業(yè)的青睞。本文以無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)為數(shù)據(jù)獲取手段，研究利用DSM（DigitalSurface Model，DSM）數(shù)據(jù)獲取城市土地利用變化信息，并進(jìn)一步應(yīng)用到城市土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)管工作中的方法，為解決城市建設(shè)過程中面臨的土地資源利用監(jiān)管方面的問題提供了較好的解決方案。

關(guān)鍵詞：傾斜攝影測量? DSM? 影像匹配? 信息提取

中圖分類號(hào)：P231? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2021）01（c）-0092-03

Land Use Change Monitoring based on UAV Tilt Photogrammetry

TANG Yunliang

（Nanning Natural Resources Information Center， Nanning， Guangxi Zhuang Autonomous Region， 530022 China）

Abstract： The traditional land use dynamic survey method is time-consuming and laborious， and it is difficult to deal with various land planning and utilization problems in the process of urban development. With the continuous progress of low altitude photogrammetry technology， remote sensing data acquisition and processing system based on UAV is gradually favored by the remote sensing and mapping industry. In this paper， UAV tilt photogrammetry technology as a means of data acquisition， the use of DSM （digital surface model， DSM） data to obtain urban land use change information， and further applied to the dynamic monitoring of urban land use methods， and provides a better solution to solve the problems of land resource utilization supervision in the process of urban construction.

Key Words： Tilt photogrammetry;? DSM;? Image matching;? Information extraction

土地利用變化信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以是紙質(zhì)文件中的數(shù)據(jù)，電子表格中的匯總數(shù)據(jù)或矢量圖斑數(shù)據(jù)，以及提取和分析后的遙感圖像數(shù)據(jù)。在這些變化信息數(shù)據(jù)中，最直觀的是提取和分析后的矢量和遙感數(shù)據(jù)。它們可以提供相對(duì)完整和準(zhǔn)確的變更信息，并且可以進(jìn)行精確定位以促進(jìn)監(jiān)視過程的實(shí)施。使用傾斜圖像數(shù)據(jù)生成的DSM數(shù)據(jù)包含地物的全面信息。經(jīng)過一些數(shù)據(jù)處理后，可以提取和分析有關(guān)城市土地利用變化的信息。數(shù)據(jù)清晰直觀，對(duì)于實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)控非常重要。

1? 數(shù)據(jù)源獲取

無人機(jī)——北京數(shù)維翔圖DM-610G 六旋翼電動(dòng)無人機(jī)，翼展2.25m，有效荷載5kg，續(xù)航時(shí)間：約3h。傾斜相機(jī)——紅鵬 AP5600 微型傾斜相機(jī)。采用 5 鏡頭多視角數(shù)碼相機(jī)，鏡頭焦距20mm，側(cè)視相機(jī)傾角45°。本實(shí)驗(yàn)選取南寧部分城區(qū)作為數(shù)據(jù)采集與研究的對(duì)象，數(shù)據(jù)采集分兩次進(jìn)行，在2018年10月和 2019年9月分別對(duì)研究區(qū)進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集工作，共采集到有效相片數(shù)據(jù)2000 、余張。

2? DSM生成

利用傾斜影像生成DSM的流程如圖1所示。為最大限度地提高數(shù)據(jù)的精度，本文采取整體平差策略進(jìn)行光束法區(qū)域網(wǎng)平差，整體平差在各個(gè)視角上同時(shí)進(jìn)行加密點(diǎn)和外方位元素的答解，有效提高了平差效率，為 DSM 的生成提供了精度較高的外方位元素。

經(jīng)過特征匹配，得到各視影像重疊區(qū)域的同名特征點(diǎn);經(jīng)過區(qū)域網(wǎng)平差處理，得到了較高精度的外方位元素。由于分步式匹配會(huì)在各個(gè)方向上分別先進(jìn)行一次DSM的生成，基于此，通過對(duì)各視角生成的 DSM 進(jìn)行融合，生成最終的DSM影像。

DSM 的精度直接影響到變化信息提取的準(zhǔn)確度：在水平方向上，如果兩期 DSM存在較大的誤差，會(huì)導(dǎo)致兩期數(shù)據(jù)同坐標(biāo)點(diǎn)無法準(zhǔn)確匹配;在高程值方面，如果高程精度不夠，會(huì)導(dǎo)致變化信息的漏提取或誤提取。這兩種精度問題都會(huì)導(dǎo)致得到錯(cuò)誤的高差分析結(jié)果，從而使變化提取結(jié)果的置信度大幅降低。DSM 生成之后，在測區(qū)選取一塊區(qū)域，利用 RTK 分別采集若干外業(yè)檢查點(diǎn)，對(duì)影像精度進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。

經(jīng)對(duì)比分析，配準(zhǔn)之后一期各檢查點(diǎn)平面誤差的最大值為0.093m，高程誤差的最大為 0.736m;二期各檢查點(diǎn)平面誤差的最大值為 0.089m，高程誤差的最大值為 0.367m。而除此之外的其他各檢查點(diǎn)誤差較小，也較穩(wěn)定，數(shù)據(jù)精度能夠滿足對(duì)變化信息提取的要求。

3? 基于DSM的變化信息提取

3.1 提取方法

疊加已處理好的兩期 DSM 數(shù)據(jù)，為提高提取結(jié)果的準(zhǔn)確性，應(yīng)首先對(duì)兩期 DSM進(jìn)行一次配準(zhǔn)，保證兩期 DSM 在水平方向上無偏差。

基于兩期 DSM 提取變化信息的過程，實(shí)際上是對(duì)同一位置不同時(shí)期數(shù)據(jù)的高程值進(jìn)行比較的過程。由于DSM數(shù)據(jù)包含有采集對(duì)象的真實(shí)高度信息，因此可利用該信息作為分析對(duì)象進(jìn)行變化提取。

（1）利用DSM數(shù)據(jù)保留了地物真實(shí)的高度信息這一特點(diǎn)，在已知的坐標(biāo)點(diǎn) P（x，y）上，分別讀取兩期 DSM 數(shù)據(jù)中對(duì)應(yīng)位置的高程值 h1，h2。

（2）由于數(shù)據(jù)精度的限制，不能保證在如此確切的坐標(biāo)位置上兩期 DSM 表示的是同一個(gè)精確的位置，為保證提取結(jié)果的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)過程對(duì)該坐標(biāo)點(diǎn)及其周圍八個(gè)方向上的坐標(biāo)點(diǎn)都進(jìn)行高程值的讀取，然后將 9 個(gè)高程值求取平均值，并將該平均值作為中心點(diǎn)的實(shí)際高程值 H。這樣，得到兩個(gè)新的高程值：H1、H2。

（3）城市土地利用的變化，最直接的表現(xiàn)主要是建筑的消長，新增、拆遷活動(dòng)都是建筑物的變化，因此，在對(duì)高差進(jìn)行分析的時(shí)候，可以選取單層房屋的高度α作為高差閾值，即高差在α以下，視為實(shí)地沒有變化，反之視為產(chǎn)生了變化，以此來對(duì)建筑區(qū)的變化信息進(jìn)行提取。

3.2 檢索格網(wǎng)的選擇

在實(shí)際的變化提取過程中，由于 DSM 影像范圍較大，不可能逐個(gè)像元進(jìn)行檢索，這樣不僅會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間，而且會(huì)導(dǎo)致同一處變化提取出很多個(gè)變化點(diǎn)，因此，需要對(duì)檢索單元進(jìn)行放大，但同時(shí)也應(yīng)該考慮避免漏提取情況的發(fā)生。根據(jù)實(shí)際需求，本實(shí)驗(yàn)采取10m×10m的檢索單元進(jìn)行變化信息的提取。提取結(jié)果如圖2所示。

3.3 剔除冗余變化點(diǎn)

由圖2可以發(fā)現(xiàn)，提取的變化點(diǎn)數(shù)據(jù)存在一定的冗余點(diǎn)，由于檢索格網(wǎng)的限制，會(huì)存在一處變化包含多個(gè)鄰近的提取點(diǎn)的情況，因此，還應(yīng)對(duì)提取結(jié)果進(jìn)行冗余點(diǎn)的去除。去除相鄰較近變化點(diǎn)的思想是：以當(dāng)前點(diǎn)為圓心，將落在指定半徑內(nèi)的變化點(diǎn)剔除。冗余點(diǎn)去除是對(duì)變化信息數(shù)據(jù)的精簡，在分析變化信息數(shù)據(jù)的過程中，能夠在不減少變化區(qū)數(shù)量的前提下減少對(duì)同一個(gè)變化區(qū)的重復(fù)讀取，有效提高了工作效率。

3.4 提取結(jié)果分析

圖3是變更提取結(jié)果的比較圖。左側(cè)是第一階段中正在建造的建筑物，右側(cè)是第二階段中已完成的建筑物。從圖中可以看出，提取結(jié)果所在的區(qū)域中的現(xiàn)場建筑物已發(fā)生了不同程度的變化。在建工程會(huì)不斷更新，有些是新的或拆除中的工程，并且高程已更改，因此將對(duì)其進(jìn)行檢測和提取。由于數(shù)據(jù)精度和提取精度等諸多方面，更改提取結(jié)果并非都正確，并且存在某些錯(cuò)誤的提取和提取跳過情況。在該實(shí)驗(yàn)中，總共提取了165個(gè)更改信息，并且正確提取了137個(gè)更改信息，其余28個(gè)提取錯(cuò)誤。經(jīng)過人工調(diào)查，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，總共有11個(gè)發(fā)生變化的區(qū)域未得到準(zhǔn)確提取，提取精度約為77.8%。

4? 實(shí)地調(diào)查與監(jiān)管

根據(jù)疊置分析的結(jié)果，保留的土地利用變更信息數(shù)據(jù)是沒有所有權(quán)記錄或未經(jīng)法律批準(zhǔn)的土地用途變更信息。對(duì)這部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)驗(yàn)證，并結(jié)合了所有權(quán)變更調(diào)查和相關(guān)文檔材料中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，總共刪除了17個(gè)變更點(diǎn)，而沒有土地用途變更的記錄。評(píng)選結(jié)果將進(jìn)行分類和下達(dá)，并安排有關(guān)技術(shù)人員和調(diào)查人員到現(xiàn)場核實(shí)，對(duì)不合理的土地使用單位或職業(yè)人員進(jìn)行逐一調(diào)查。

經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查，發(fā)現(xiàn)有2個(gè)建筑工地的相關(guān)手續(xù)不完善，其中一個(gè)是非法拆遷，另一個(gè)是非法占用土地，其他是從注冊不完整或不正確。調(diào)查完成后，請(qǐng)記錄或修改未記錄或記錄不正確的土地使用信息，并同時(shí)更新本地?cái)?shù)據(jù)庫;遇到有問題的材料及時(shí)報(bào)告。

5? 結(jié)語

基于傾斜攝影測量的土地利用變化動(dòng)態(tài)監(jiān)測過程相對(duì)科學(xué)，節(jié)省了人力和時(shí)間，提高了工作效率，監(jiān)測的結(jié)果能夠滿足指導(dǎo)城市土地合理利用的需要，有助于指導(dǎo)城市規(guī)劃與設(shè)計(jì)，促進(jìn)城市的健康發(fā)展，對(duì)于實(shí)現(xiàn)城市土地資源的可持續(xù)利用意義重大。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉敏，張啟超，趙彬，等.基于低空無人機(jī)傾斜攝影測量在農(nóng)村房屋不動(dòng)產(chǎn)登記權(quán)籍調(diào)查中的應(yīng)用[J].測繪與空間地理信息，2020，43（1）：181-183.

[2] 許承權(quán)，黃小琴，施政.消費(fèi)級(jí)無人機(jī)傾斜攝影測量1∶500測圖方法及精度研究[J].測繪地理信息，2020，45（1）：117-120.

[3] 黎旭升.基于輕型無人機(jī)群的傾斜攝影測量解決方案在美麗鄉(xiāng)村建設(shè)中的應(yīng)用[J].測繪與空間地理信息，2019，42（12）：92-94.

[4] 李利利.無人機(jī)航測在農(nóng)田土地鹽堿化監(jiān)測中的應(yīng)用研究[D].鄭州：華北水利水電大學(xué)，2019.

[5] 肖登枝.無人機(jī)傾斜攝影測量三維建模及應(yīng)用[J].城市勘測，2019（5）：81-83，87.

[6] 宋飛.基于小型無人機(jī)圖像配準(zhǔn)的丘陵山區(qū)耕地變化監(jiān)測研究[D].昆明：云南師范大學(xué)，2019.