基于無(wú)人機(jī)航測(cè)的區(qū)域土地覆蓋動(dòng)態(tài)變化特征提取方法

陳曉江 王成宏

（1.云南省基礎(chǔ)測(cè)繪技術(shù)中心，云南 昆明 650031；2.勐臘縣房地產(chǎn)交易中心，云南 勐臘 666300）

0.引言

無(wú)人機(jī)航測(cè)是在航空攝影測(cè)量技術(shù)上發(fā)展而來(lái)的新型測(cè)繪技術(shù)，該技術(shù)具有作業(yè)周期短、成本低、機(jī)動(dòng)靈活性強(qiáng)等應(yīng)用特點(diǎn)，在小范圍及飛行相對(duì)困難的區(qū)域中，該技術(shù)能快速捕獲各類型土地的即時(shí)覆蓋特征。在土地覆蓋范圍提取中，高分辨率遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)存在影像拍攝耗時(shí)長(zhǎng)、數(shù)據(jù)存檔不及時(shí)等問(wèn)題，且隨著土地覆蓋面積的增大，航測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)效性也會(huì)逐漸下降[1]。而無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)則可較好地解決上述問(wèn)題，對(duì)于機(jī)組平臺(tái)而言，無(wú)人機(jī)設(shè)備可隨時(shí)出發(fā)執(zhí)行拍攝任務(wù)，相較于有人機(jī)測(cè)繪與軌道衛(wèi)星，該方法能在短時(shí)間內(nèi)完成巡航任務(wù)，并可在此過(guò)程中向用戶展示航測(cè)結(jié)果，且其作業(yè)效率極高，能獨(dú)立完成各種土地巡航指令。

1.基于無(wú)人機(jī)航測(cè)的區(qū)域土地覆蓋數(shù)據(jù)處理

區(qū)域土地覆蓋數(shù)據(jù)處理需要在無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)的基礎(chǔ)上，對(duì)航攝路線進(jìn)行按需規(guī)劃，再根據(jù)航攝分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，確定像控點(diǎn)的實(shí)時(shí)布設(shè)位置。

1.1 無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)

無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)是指無(wú)人機(jī)設(shè)備本身在執(zhí)行航測(cè)任務(wù)過(guò)程中，作為載體類元件，同時(shí)搭載飛行控制系統(tǒng)、遙感傳感器等控制型設(shè)備，包括直升機(jī)、旋翼、固定翼三種基本類型[2]。在執(zhí)行區(qū)域土地航測(cè)任務(wù)時(shí)，無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)中儀器名稱及型號(hào)配置情況如表1所示。

表1 無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)的基本配置

由于發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)、翼展、機(jī)長(zhǎng)、飛行高度、起飛重量等指標(biāo)參量不同，無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)記錄的航測(cè)數(shù)據(jù)也有所不同。在進(jìn)行航測(cè)時(shí)，飛行控制系統(tǒng)能管控Ⅱ型基礎(chǔ)控制平臺(tái)與航測(cè)相機(jī)，而GNSS-RTK作為關(guān)鍵導(dǎo)航定位裝置，可決定無(wú)人機(jī)航線中像控點(diǎn)所處的分布位置。

1.2 航攝分區(qū)與航線設(shè)計(jì)

在區(qū)域土地覆蓋動(dòng)態(tài)變化特征提取之前，需要借助無(wú)人機(jī)對(duì)土地區(qū)域進(jìn)行分區(qū)。因此，本文借助無(wú)人機(jī)航攝分區(qū)，設(shè)計(jì)相應(yīng)提取線路。

在明確拍攝區(qū)工作范圍后，應(yīng)根據(jù)無(wú)人機(jī)工作部署、航測(cè)成果提交要求、區(qū)域土地的地形覆蓋概況，實(shí)現(xiàn)對(duì)航攝分區(qū)條件的按需處理。一般來(lái)說(shuō)，外部分區(qū)節(jié)點(diǎn)應(yīng)與無(wú)人機(jī)航測(cè)圖像的整體輪廓走線保持一致，對(duì)于待測(cè)土地來(lái)說(shuō)，其地形高度應(yīng)超過(guò)實(shí)時(shí)航測(cè)高度的六分之一。在無(wú)人機(jī)航線保持直線飛行狀態(tài)的情況下，基礎(chǔ)分區(qū)跨度條件應(yīng)無(wú)限趨近于物理最大數(shù)值[3]。

航測(cè)基線、航線間隔兩項(xiàng)物理量會(huì)對(duì)巡航圖像曝光時(shí)間和相片重疊度造成影響，在區(qū)域土地覆蓋范圍測(cè)量中，對(duì)無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)而言，航測(cè)基線及間隔與巡航圖像長(zhǎng)度、巡航圖像寬度、航測(cè)相片在航向上的重疊度、無(wú)人機(jī)攝影航高等因素相關(guān)。

一般來(lái)說(shuō)，無(wú)人機(jī)巡航圖像長(zhǎng)度、巡航圖像寬度等指標(biāo)參量的取值結(jié)果并不完全固定，應(yīng)根據(jù)區(qū)域土地的實(shí)際覆蓋面積進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，以滿足土地覆蓋動(dòng)態(tài)變化。

1.3 像控點(diǎn)布設(shè)與測(cè)量

在區(qū)域土地環(huán)境中，無(wú)人機(jī)航測(cè)像控點(diǎn)布設(shè)處理主要依據(jù)巡航圖像控制點(diǎn)航向基線數(shù)跨度，該參數(shù)與相對(duì)航高、無(wú)人機(jī)航測(cè)過(guò)程中的視差權(quán)重值和無(wú)人機(jī)巡航圖像的基線長(zhǎng)度相關(guān)。為保證無(wú)人機(jī)像控點(diǎn)順利布設(shè)，應(yīng)在考慮高精度POS標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，快速解算區(qū)域土地內(nèi)自由網(wǎng)情況，再以此為基礎(chǔ)，繪制測(cè)區(qū)概況拼圖[4，5]。

2.區(qū)域土地覆蓋動(dòng)態(tài)變化特征提取

2.1 植被指數(shù)

在無(wú)人機(jī)航測(cè)區(qū)域中，植被指數(shù)能有效反映待測(cè)土地中的植被活動(dòng)情況，一般來(lái)說(shuō)，將兩個(gè)或更多的無(wú)人機(jī)觀測(cè)通道相結(jié)合，可直接計(jì)算出該區(qū)域中植被指數(shù)的具體數(shù)值。與其他類型區(qū)域土地覆蓋動(dòng)態(tài)變化特征相比，植被指數(shù)能夠直觀反映不同地物類別景觀的生物特性，例如區(qū)域土地覆蓋度、土地生物含量等。一般情況下，選擇NDVI指標(biāo)對(duì)區(qū)域土地覆蓋環(huán)境下植被指數(shù)進(jìn)行描述，利用已知的航測(cè)數(shù)據(jù)可將其表示，如式（1）所示：

式（1）中，Re1、Re2為在土地覆蓋區(qū)域中兩個(gè)不同的植被分布波段系數(shù)；ms為無(wú)人機(jī)航測(cè)連接點(diǎn)的平面誤差（mm）；mh為無(wú)人機(jī)航測(cè)連接點(diǎn)的高程誤差（m）。

2.2 濕度指數(shù)與水體指數(shù)

濕度指數(shù)NDMI對(duì)于區(qū)域土地覆蓋動(dòng)態(tài)變化特征提取結(jié)果的影響能力較強(qiáng)，但根據(jù)土壤濕度水平的不同，該項(xiàng)指標(biāo)參量的數(shù)值結(jié)果也會(huì)有所不同。而在無(wú)人機(jī)航測(cè)區(qū)域中，可通過(guò)整合遙感數(shù)據(jù)的方式，確定NDMI指標(biāo)的具體計(jì)算數(shù)值。考慮到土質(zhì)濕度波段系數(shù)Re3始終處于水的吸收帶（1.4 μm，1.9 μm）之間，所以，受水體吸收帶的影響，可將區(qū)域土地覆蓋動(dòng)態(tài)變化的濕度指數(shù)用NDMI表示，如式（2）所示：

對(duì)于一般的無(wú)人機(jī)航測(cè)土地區(qū)域來(lái)說(shuō)，NDMI數(shù)值的表現(xiàn)情況滿足“水體最大、沼澤林地其次、旱地最小”的排列標(biāo)準(zhǔn)。

3.實(shí)例分析

為驗(yàn)證所提方法的有效性，進(jìn)行試驗(yàn)分析。試驗(yàn)中選擇某地500 m×500 m的區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，考慮到拍攝精度，無(wú)人機(jī)航空拍攝的航向重疊度要求達(dá)到85%，旁向拍攝的重疊度達(dá)75%，以保證無(wú)人機(jī)拍攝的有效性。試驗(yàn)中的基礎(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)人機(jī)拍攝得到，符合試驗(yàn)要求。其中，對(duì)該土地航測(cè)區(qū)域進(jìn)行選取，其中，A、B、C是三塊等大的土地區(qū)域，且每一區(qū)域內(nèi)的植被覆蓋、濕度指數(shù)、水體指數(shù)等特征參量基本保持一致，如圖1所示。

圖1 土地航測(cè)區(qū)域選取

為獲得更真實(shí)的試驗(yàn)結(jié)果，在對(duì)A區(qū)域進(jìn)行航測(cè)時(shí)，要求無(wú)人機(jī)飛行器與航測(cè)基線保持絕對(duì)垂直的狀態(tài)；在對(duì)B區(qū)域進(jìn)行航測(cè)時(shí)，要求無(wú)人機(jī)飛行器處于與航測(cè)基線保持垂直狀態(tài)的直線左側(cè)；在對(duì)C區(qū)域進(jìn)行航測(cè)時(shí)，要求無(wú)人機(jī)飛行器處于與航測(cè)基線保持垂直狀態(tài)的直線右側(cè)。

已知區(qū)域土地動(dòng)態(tài)變化特征提取準(zhǔn)確度受區(qū)域土地分類精度指標(biāo)的直接影響，一般來(lái)說(shuō)，區(qū)域土地分類精度越高，區(qū)域土地動(dòng)態(tài)變化特征的提取結(jié)果越準(zhǔn)確。

區(qū)域土地分類精度（η）的數(shù)值結(jié)果受植被指數(shù)（EVI）、濕度指數(shù)（NDMI）、水體指數(shù)（NDWI）、標(biāo)準(zhǔn)分類參量（）、無(wú)人機(jī)航測(cè)高度（h）五項(xiàng)指標(biāo)參量的直接影響。其中，植被指數(shù)（EVI）、濕度指數(shù)（NDMI）、水體指數(shù)（NDWI）三項(xiàng)指標(biāo)參量的數(shù)值結(jié)果均可通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量的方式直接獲取，而標(biāo)準(zhǔn)分類參量（）在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中的物理取值始終等于0.08。因此，可認(rèn)為無(wú)人機(jī)航測(cè)高度（h）是影響區(qū)域土地分類精度（η）數(shù)值計(jì)算結(jié)果的關(guān)鍵指標(biāo)參量，如式（3）所示：

由式（3）可知，無(wú)人機(jī)航測(cè)高度越低，區(qū)域土地分類精度越高，區(qū)域土地動(dòng)態(tài)變化特征的提取結(jié)果就越準(zhǔn)確。為了驗(yàn)證所提方法的有效性，試驗(yàn)得到的結(jié)果圖像均通過(guò)MATLAB生成。

A區(qū)域內(nèi)土地分類精度（η）數(shù)值變化如圖2所示。

圖2 土地分類精度（A區(qū)域）

由圖2可知：隨著無(wú)人機(jī)航測(cè)高度的改變，土地分類精度數(shù)值的整體變化趨勢(shì)并沒(méi)有明顯變化，大體上保持隨著航測(cè)時(shí)間延長(zhǎng)而不斷降低的變化形式。從全局性角度看，當(dāng)無(wú)人機(jī)航測(cè)高度等于500 m時(shí)，土地分類精度的平均值水平最高；而當(dāng)無(wú)人機(jī)航測(cè)高度等于1 000 m時(shí)，土地分類精度的平均值水平最低。從極限值角度看，土地分類精度最大值的排列方式為：η500＞η700＞η900＞η1100。因此可認(rèn)為：當(dāng)無(wú)人機(jī)航測(cè)高度等于500 m時(shí)，區(qū)域土地動(dòng)態(tài)變化特征的提取結(jié)果最準(zhǔn)確。

B區(qū)域內(nèi)土地分類精度（η）數(shù)值變化如圖3所示。

圖3 土地分類精度（B區(qū)域）

由圖3可知：B區(qū)域內(nèi)土地分類精度變化趨勢(shì)基本與A區(qū)域保持一致。從平均值角度來(lái)看，土地分類精度的排列方式為：η500＞η700＞η900＞η1100；從極限值角度來(lái)看，土地分類精度最大值的排列方式也為：η500＞η700＞η900＞η1100。因此可認(rèn)為：當(dāng)無(wú)人機(jī)航測(cè)高度等于500 m時(shí)，區(qū)域土地動(dòng)態(tài)變化特征的提取結(jié)果最準(zhǔn)確。

C區(qū)域內(nèi)土地分類精度（η）數(shù)值變化如圖4所示。

圖4 土地分類精度（C區(qū)域）

由圖4可知：C區(qū)域內(nèi)土地分類精度變化趨勢(shì)與A區(qū)域、B區(qū)域保持一致，平均值、極限值排列順應(yīng)也與上述兩者相同。因此可認(rèn)為，當(dāng)無(wú)人機(jī)航測(cè)高度等于500 m時(shí)，區(qū)域土地動(dòng)態(tài)變化特征的提取結(jié)果最準(zhǔn)確。

為進(jìn)一步驗(yàn)證所提方法可有效提取特征，測(cè)試了本文方法對(duì)樣本區(qū)域特征提取的精度，得到的結(jié)果如圖5所示。

圖5 本文方法區(qū)域土地覆蓋動(dòng)態(tài)變化特征提取精度

由圖5可知：通過(guò)多次對(duì)樣本區(qū)域特征提取結(jié)果，本文方法提取的精度與理想值較為一致，且始終高于90%，驗(yàn)證了本文方法可有效提取樣本區(qū)域的土地動(dòng)態(tài)覆蓋變化特征。

4.結(jié)束語(yǔ)

在無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的支持下，區(qū)域土地覆蓋動(dòng)態(tài)變化特征提取方法分別針對(duì)植被指數(shù)、濕度指數(shù)、水體指數(shù)進(jìn)行計(jì)算與處理，又聯(lián)合基礎(chǔ)飛行平臺(tái)，確定像控點(diǎn)的布設(shè)，取得關(guān)鍵特征指標(biāo)參量。試驗(yàn)結(jié)果表明：采用該方法可有效提升區(qū)域土地動(dòng)態(tài)變化特征的提取精度，且始終保持在90%以上。