基于無人機傾斜攝影測量的DSM生成及變化信息提取研究

劉嬋娟

摘 ?要：傳統的土地利用動態調查方法費時費力，難以應對當下城市發展過程中遇到的各種土地規劃與利用方面的問題。隨著低空攝影測量技術的不斷進步，以無人機為平臺的遙感數據采集和處理系統正逐漸受到遙感與測繪行業的青睞。本文以無人機傾斜攝影測量技術為數據獲取手段，研究利用DSM（Digital Surface Model，DSM）數據獲取城市土地利用變化信息，并進一步應用到城市土地利用動態監管工作中的方法，為解決城市建設過程中面臨的土地資源利用監管方面的問題提供了較好的解決方案。

關鍵詞：傾斜攝影測量 ?DSM ?影像匹配 ?信息提取

中圖分類號：P231 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2021）04（b）-0149-03

Research on DSM Generation and Change Information Extraction Based on UAV Tilt Photogrammetry

LIU Chanjuan

（Guizhou Qianmei Institute of Surveying and Mapping Engineering， Guiyang， Guizhou Province，

550000 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， to solve the problems in the process of urban construction land use supervision provides a better solution.

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

無人機傾斜攝影測量將無人駕駛飛行技術與低空攝影測量技術有機結合起來，并借助先進的通訊與定位技術，能夠輕松實現低空對地觀測，快速、高效獲取高精度的遙感數據，解決了傳統的遙感數據獲取手段無法保證數據現勢性的難題[1]。

利用傾斜影像數據制作的DSM數據，包含了地表之上完整的地物信息，經過一定的數據處理之后，可以從中提取并分析城市土地利用變化信息，數據清晰、直觀，對于動態監管的實施具有至關重要的作用。

1 ?數據源獲取

無人機—— 北京數維翔圖 DM-610G 六旋翼電動無人機，翼展2.25m，有效荷載5kg，續航時間約3h。傾斜相機——紅鵬AP5600微型傾斜相機。采用5鏡頭多視角數碼相機，鏡頭焦距20mm，側視相機傾角45°。本實驗選取貴陽市部分城區作為數據采集與研究的對象，數據采集分兩次進行，在2018年10月和2019年9月分別對研究區進行了數據采集工作，共采集到有效相片數據2000余張。

2 ?DSM生成

利用傾斜影像生成DSM的流程如圖1所示。

2.1 傾斜影像預處理

影像預處理包括影像去噪、增強處理和相機畸變糾正。對航片進行去噪處理，能夠有效減弱噪聲對航片匹配過程的干擾，提高影像的匹配精度，是保證數據分析的準確度和變化信息提取的置信度的重要環節[2]。增強處理通過減弱影像中較大的反差，增強影像中較小的反差，來實現對影像的增強處理。相機畸變糾正模型是基于數學模型對影像中的畸變進行校正。

2.2 影像匹配

本文采用 SIFT 算法對傾斜影像進行匹配，SIFT 算法將圖像被檢測的特征點用特征向量描述出來，因此，經過 SIFT 匹配算法處理之后的影像會被表示為特征向量集。SIFT 是一種比較穩定的局部特征匹配算法，適用于海量圖像的快速匹配，在無人機低空攝影測量等領域應用廣泛[3]。

2.3 DSM的生成與精度評價

為最大限度地提高數據的精度，本文采取整體平差策略進行光束法區域網平差，整體平差在各個視角上同時進行加密點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。

經過特征匹配，得到各視影像重疊區域的同名特征點;經過區域網平差處理，得到了較高精度的外方位元素。由于分步式匹配會在各個方向上分別先進行一次 DSM的生成，基于此，通過對各視角生成的 DSM 進行融合，生成最終的DSM影像[4]。

DSM的精度直接影響變化信息提取的精度：在水平方向上，如果兩個DSM周期中存在較大誤差，則將導致兩個數據周期無法精確匹配坐標點。在高程值方面，如果高程精度不夠，則會導致變化信息的錯誤刪除或遺漏。這兩個精度問題都會導致不正確的高度差分析結果，從而大大降低了變化提取結果的可信度[5]。生成DSM后，在研究區域中選擇一個區域，使用RTK收集多個現場檢查點以分析和評估圖像的精度。

經過比較分析，第一階段每個控制點的最大平面誤差為0.092m，最大高程誤差為0.735m。第二階段每個控制點的最大平面誤差為0.087m，最大高程誤差為0.365m。另外，其他控制點誤差較小，相對穩定，數據精度可以滿足變化信息提取的要求。

3 ?基于DSM的變化信息提取

3.1 提取方法介紹

疊加已處理好的兩期DSM數據，為提高提取結果的準確性，應首先對兩期DSM進行一次配準，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，實際上是對同一位置不同時期數據的高程值進行比較的過程。由于DSM數據包含有采集對象的真實高度信息，因此可利用該信息作為分析對象進行變化提取[6]。

（1）利用DSM數據保留了地物真實的高度信息這一特點，在已知的坐標點P（x，y）上，分別讀取兩期DSM數據中對應位置的高程值h1、h2。

（2）由于數據精度的限制，不能保證在如此確切的坐標位置上兩期DSM表示的是同一個精確的位置，為保證提取結果的準確性，實驗過程對該坐標點及其周圍八個方向上的坐標點都進行高程值的讀取，然后將9個高程值求取平均值，并將該平均值作為中心點的實際高程值H。這樣，得到兩個新的高程值：H1、H2。

（3）城市土地利用的變化，最直接的表現主要是建筑的消長，新增、拆遷活動都是建筑物的變化，因此，在對高差進行分析的時候，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，視為實地沒有變化，反之視為產生了變化，以此來對建筑區的變化信息進行提取。

3.2 剔除冗余變化點

在提取的變化點數據中存在某些冗余點。由于搜索網格的限制，將存在一個變化，其中包含多個相鄰提取點的情況。因此，還必須從提取結果中刪除多余的點。刪除相鄰的變化點的思路是：以當前點為圓心，并刪除指定半徑內的變化點。消除冗余點有助于簡化更改信息數據。在分析變更信息數據的過程中，可以減少對相同變更區域的重復讀取，而不會減少變更區域的數量，有效地提高了工作效率。

3.3 提取結果分析

圖2是變化提取結果對比圖，從圖中可以看出，提取結果所在的區域實地建筑均已發生不同程度的變化，有些是在建工程不斷地更新，有些是新建或拆遷工程，高程上均發生了變化，因此會被檢測提取出來。

由于受數據精度和提取精度等多方面的影響，變化提取結果并非都是正確的，還存在部分誤提取和漏提取的情況。

本次實驗共提取到變化信息165處，正確提取出 137 處變化信息，其余28處為誤提取，經過人工排查之后統計，共有11處實地發生變化的區域沒有準確提取出來，提取準確度約為 77.8%。

4 ?實地調查與監管

根據疊加分析的結果，保留的土地用途變更信息數據是沒有所有權記錄或未經法律批準的土地用途變更信息。這部分數據經過了詳細驗證，并分析了相關的權屬變更調查數據和文檔，總共刪除了17個沒有土地用途變更的記錄的變更點。對檢查結果進行分類和下達，并組織有關技術人員和調查人員到現場核實，對不合理的土地使用單位和個人進行調查，例如非法占用土地，違法建設。

經過現場調查，發現有2個建筑工地的相關手續不完備，其中一個是工廠 ，非法拆遷和非法占用耕地的程序，另外一個是不完整的或不正確的注冊信息。調查結束后，記錄或修改未記錄或記錄不正確的土地使用信息，并同時更新本地數據庫;形成發現有問題的土地使用的材料并及時報告。

5 ?結語

基于傾斜攝影測量的土地利用變化動態監測過程相對科學，節省了人力和時間，提高了工作效率，監測的結果能夠滿足指導城市土地合理利用的需要，有助于指導城市規劃與設計，促進城市的健康發展，對于實現城市土地資源的可持續利用意義重大。

參考文獻

[1] 劉敏，張啟超，趙彬，等.基于低空無人機傾斜攝影測量在農村房屋不動產登記權籍調查中的應用[J].測繪與空間地理信息，2020，43（1）：181-183.

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

[3] 杜芙蓉.基于無人機傾斜攝影測量的違章建筑探測技術研究[D].西安：西安科技大學，2020.

[4] 付嬈.傾斜攝影測量在城市規劃中的應用[J].國土資源，2019（12）：42-43.

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

[6] 雍昭君.無人機傾斜攝影測量三維建模精度多層次模糊綜合評價研究[D].武漢：華中科技大學，2019.