低空傾斜攝影測量在梯田面積調查中的應用

曾 毅

（長江空間信息技術工程有限公司（武漢），湖北 武漢 430010）

我國山區地形多為斜坡地形，地形陡峭，梯田可以利用山坡的高低差，通過修建不同高度的平臺形成多層臺階狀的種植田地，以增加種植面積，避免水土流失，提高土地利用率，在種植和保護土地方面具有明顯優勢，成為山區農業的重要形式。梯田面積測量作為土地資源普查的重要內容之一，對幫助農民掌握自己的土地資源狀況、方便土地的管理和土地權屬的確立、合理規劃和利用土地資源等都具有重要意義[1-3]。當前梯田面積測量主要有航空影像解譯和實地調查兩種方式，前者由于梯田的高度差較大，存在梯田間的重合或交叉現象，基于航空影像確定重合或交叉部分的面積難度大，使得最終測算結果偏差較大；后者由于梯田的形狀和大小不規則，分布零散且山區地形復雜，人工實地調查需要耗費大量時間和精力。隨著科學技術的飛速發展，無人機傾斜攝影測量技術可獲取多角度、高分辨率的影像，能夠生成直觀形象的實景三維模型，具有高精度、高效率等特點，還具有距離、高度、面積和體積等量算功能，因此在不動產測繪及土地資源保護等領域具有良好的應用前景。本文以某山區梯田面積統計工程項目為例，將低空傾斜攝影測量技術應用到山區梯田面積測量工作中，驗證了低空傾斜攝影測量在梯田面積測量的可行性，研究結果可為當地土地資源規劃提供基礎數據、提升當地土地利用效率等提供參考。

1 低空傾斜攝影測量技術

無人機傾斜攝影測量技術是以無人機為飛行平臺，搭載多角度相機，通過航拍獲取目標物清晰完整的影像數據，改變了傳統的航拍技術的限制，有效提高三維模型生產效率，可以更清晰地反映地面實物的實際情況，大幅度降低了三維建模數據獲取的時間、人力和經濟成本。攝影測量的主要測量對象是地球表面，根據對地面獲取影像時攝像機安放的位置不同，攝影測量可分為航天攝影測量、航空攝影測量、低空攝影測量和地面攝影測量。低空攝影測量一般航高在100～1 000 m之間，低空攝影測量具有生產周期短、運作成本低以及可操作性強等特點，在危險區域圖像實時獲取、土地變化監測、建筑物違章監管、環境監測和應急指揮等方面廣泛應用。

2 影像數據采集及處理

2.1 作業區概況

本研究項目為某山區梯田建設開發項目，項目區屬旱作農業區，以糧食生產為主，該地區長期受到土壤侵蝕，地貌被分割成溝谷、梁坡和河谷川地等，應當地資源管理部門要求，現需要通過治理開發控制水土流失，改善當地生態和農業生產條件。首先需要摸排當地梯田面積情況，該地區梯田種植分散加上整體測區面積偏小，傳統的人工調查和航空影像調繪人力、物力成本較高，因此本項目應用低空傾斜攝影測量技術進行梯田面積調查。整體技術流程主要包括三大部分，即采集影像數據、實景三維模型重建、梯田面積調查和驗證[4]。

傾斜攝影測量技術構建實景三維模型整體流程如圖1所示。

圖1 傾斜攝影測量技術構建實景三維模型整體流程

2.2 低空傾斜攝影測量影像數據采集

本項目選擇“混合翼無人機+五鏡頭傾斜相機”等搭載傾斜相機的方式獲取傾斜影像，利用飛馬V100混合翼無人機。

飛馬V100參數如表1所示。

表1 飛馬V100參數

本次航拍作業飛行航高為80 m，航向重疊度為80%，旁向重疊度為75%。像控點布設采用呈矩形或方形的區域網布設方案，大小依據航攝分區的劃分、航攝影像情況、測區地形特點、空中三角測量精度要求等情況進行考慮，采用網絡RTK方式測量平面坐標，使用似大地水準面模型進行高程精化處理[5]。

為了保證三維數據生產的成果質量，首先根據飛行區域的面積、地形起伏、基站布設以及測區跨帶等對航線進行設計。為了保證三維數據生產的成果質量，攝區航向方向邊界向外延伸不少于5條基線，攝區旁向方向邊界區域向外側延伸不少于2條航線，按照要求進行影像數據采集，飛行完畢后將傾斜影像數據和飛行數據下載。

2.3 實景三維模型重建

低空傾斜攝影測量使用Context Capture軟件，首先添加要建模的照片和控制點信息文件，并進行POS解算，根據外業像控點實測數據，找到影像中像控點位置進行刺點，輸入外業實測的像控點坐標。然后進行空三加密，經過提取特征點、提取同名像對、相對定向、匹配連接點、區域網平差等步驟的運算處理，得到測區空中三角測量成果。最后進行模型重建，根據測區大小和影像分辨率，對模型采取規則平面網格進行瓦片劃分，瓦片分割完成后根據空三加密成果利用影像匹配技術進行同名點匹配生產DSM，調取模型各個面對應視角中最清晰的影像進行紋理貼圖[6]。

梯田實景三維模型如圖2所示。

圖2 梯田實景三維模型

3 梯田面積統計及偏差對比

3.1 梯田面積統計

梯田面積統計如圖3所示。

圖3 梯田面積統計

梯田面積統計應用LocaSpaceViewer軟件，該軟件提供了完善的地球空間數據可視化分析功能。

打開LSV軟件，點擊“傾斜攝影-數據轉換”工具欄，點擊并找到實景三維模型生成的data文件夾，生成lfp文件。再將傾斜模型導入LSV軟件，選擇“測量”工具欄中的“面積測量”工具，將模型切換到合適視角（一般為俯視圖），對梯田邊界進行“勾勒”，“勾勒”結束后雙擊鼠標跳出“面積計算”對話框，顯示目標區域面積。

3.2 面積偏差對比

為檢驗本文提出方法的精度是否可靠，隨機選取某6塊梯田進行精度驗證，實測面積采用手持高精度面積測量儀進行測量，并對低空傾斜攝影測量法和航空影像解譯法進行對比。

測量結果精度對比如表2所示。

表2 測量結果精度對比

田塊測量允許誤差的范圍通常取決于涉及的具體行業和應用領域，可以根據具體情況進行調整。梯田農業土地調查和劃分中，田塊測量允許誤差一般不允許超過3%。由表2可知，低空傾斜攝影測量法相對誤差均小于3%，因此可以滿足梯田面積調查要求。傳統的航空影像解譯法在梯田面積核算中，梯田田塊間較差重合較多，因此影像視角原因偏差較大，通過統計分析對比結果可以看出平均相對偏差在6%以上，無法滿足應用要求。

4 結語

梯田具有防止水土流失、蓄水、保土以及增產的作用，修建梯田是改土造田、治理坡耕地的主要方法，是山區、丘陵地區實現農業高產穩產的重要措施，梯田面積調查一直是土地調查的重要內容，而傳統調查方式存在較大局限性。本文將低空傾斜攝影測量技術應用在梯田面積調查應用中，研究結果表明，該方法可以為梯田調查提供新思路，具有較好的借鑒和推廣價值。