基于無人機航攝的土地確權調查研究

作者簡介：張勝（1981—），男，碩士，工程師，研究方向為土地管理。

摘要：針對農村土地承包經營的確權問題，基于無人機航拍和攝影測量技術，實現農村土地面積、界址、位置和權屬方面的調查。首先，利用搭載光學相機的無人機航拍各個村落，獲取作業區域內的影像數據和對應的POS數據。其次，利用Inpho軟件對具有少量的地面控制點進行空三加密，密集匹配生成數字表面模型（Digital Surface Model，DSM），地物對象濾除獲得數字高程模型（Digital Elevation Model，DEM），再進行數字微分糾正，制作數字正射影像地圖（Digital Orthophoto Map，DOM）。最后，將DOM結合矢量圖、基本農田保護等級的分類，獲取土地邊界信息，確定經營權屬。試驗測試表明，測點位置精度遠高于農村土地權屬調查中規定的精度要求。

關鍵詞：無人機" DOM" 土地確權" 矢量圖采集

中圖分類號：P231

Abstract： Aiming at the confirmation of rural land contractual management， this paper realizes the investigation of the area， boundary， location and ownership of rural land based on UAV aerial photography and photogrammetry. First， it uses UAVs equipped with optical cameras to take aerial photos of villages to obtain image data and corresponding POS data in the operation area. Secondly， it uses Inpho software to perform aerial triangulation to a small number of ground control points， generates a digital surface model （DSM） by dense matching， filters out ground objects to obtain a digital elevation model （DEM）， and then conducts digital differential correction to produce a digital orthophoto map （DOM）. Finally， it combines the DOM with vector diagrams and the classification of basic farmland protection grades to obtain land boundary information and determine management ownership. The experimental test shows that the location accuracy of measuring points is far higher than the accuracy requirements specified in the survey of rural land ownership.

Key Words：" UAV; DOM; Confirmation of land ownership; Vector diagram acquisition

農村土地承包經營權確權登記是將農村土地承包經營權的承包關系、承包地塊、面積、空間位置、用途、地類、等級等情況記錄于專門的簿冊，以確定農村土地承包經營權。這是進一步明晰土地承包關系、強化對土地承包經營權的物權保護、保持現有土地承包關系穩定并長久不變的根本手段[1]。另外，農村土地流轉的一個重要前提是明晰農村土地承包關系，明確參與流轉的主體，這是確保農村土地合法有序流轉應當具備的一個基本條件。家庭承包地的轉讓和互換，以及其他方式承包的農村土地流轉，在客觀上都需要通過農村土地承包經營權確權登記來維護土地流轉市場的基本秩序，這不僅會提高農村土地的利用率，促進農村土地資源的合理配置，還可以進一步推動和加快全省農村土地流轉的市場化進程[2]。

近年來，隨著全球定位系統技術的迅速發展，全球定位系統測量變得更加精確，飛機變得更輕、更小。無人駕駛的航空測量逐步并廣泛地開始應用全球定位系統。本文利用無人機低空攝影測量技術制作了測量地圖。無人機的飛行對起降環境的要求很低，它可以每天飛行多次，飛行空間很大。根據對基本地形圖的需要，以獲得原始圖像和數字影像，可以確定地面分辨率、高度、空中攝影等，從而為農村地區土地承包合同快速登記提供了良好的基礎。無人機航空攝影技術的使用，縮短了該項目的運作周期，提高了工作效率。

1 試驗區概況及作業流程

1.1 試驗區概況

試驗項目位于湖北省某市，總面積約1.8 km2。耕地分布一般為山谷壟田或平原，耕地分布相對分散，整體測區地形及耕地分布情況比較具有代表性，所以選擇該測區作為試驗區，經過測試論證的工作技術方案有利于在全市其他區縣推廣。該試驗區在圖像上可以清晰地區分田埂、田間道路、溝渠、池塘、山脊和居民區的邊界，有利于后期識別承包地。為此，在這一進程中，我們采用將航空攝影測量結合、實地調查及實時動態測量技術（Real Time Kinematic，RTK），確定農村土地承包經營權及頒發經營權證書。通過使用固定翼飛機獲得真實顏色的原始圖像，制作DOM數據，以繪制底圖，從而縮短項目周期，獲取到測區圖。

1.2 作業流程

項目利用Pentax 645D數碼航空相機和采用固定翼無人機機載POS進行航拍，獲取作業區域內的影像數據和對應的POS數據，同時得到每張照片的外方位元素坐標。

在空中三角測量作業過程中，我們利用INPHO軟件根據少量的地面控制點對其進行空三加密?？杖葷M足精度要求后，通過密集匹配生成數字表面模型（Digital Surface Model，DSM），再對DSM進行濾波處理，編輯得到數字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）[3]，再根據空三加密結果和DEM進行數字微分糾正，制作數字正射影像地圖（Digital Orthophoto Map，DOM）。獲取土地邊界信息，在室內作業工作中無法分辨出的地方，做出標記，利用GPS進行現場測量，可以獲得更準確的合同地塊邊界點坐標。這種坐標結合了航空測量和實地測量，將數據聚集在一起。DOM結合矢量圖、基本農田保護等級的分類，調查底圖，進行權屬調查。作業流程如圖1所示。

2 影像數據獲取與處理

作為項目的一部分，在試驗區使用固定翼飛機和Pentax數碼相機，以獲得測區的真實原始影像和POS數據，極個別不連片的小面積復雜地區采用輕小型多旋翼無人機[4]。通過分析POS數據，可以獲得每個影像的外方位元素。利用北京CORS系統和GNSS-RTK系統，獲取像控點坐標，與POS數據進行空三測量作業，最后得到DOM在疊加其他農田數據，生成調查所需底圖。

2.1 航線設計

在執行飛行任務之前，所收集的大比例尺地形數據是基于現場收集的數據，而地形數據是根據實地需求中的制圖精確度設計的[5]。在此次實驗中，采用75%的航向重疊設計、65%的旁向重疊設計和0.2 m的地面分辨率，計算了無人機的旁向間隔、基線長度、飛行高度等相關飛行參數。局部航攝線路設計如圖2所示。

（1）采用專業設計軟件，根據測試區的形狀，進行航空攝影飛行，覆蓋整個測試區。（2）測量圖采用1：2000比例尺，0.2 m地面分辨率旨在確保路徑設計中的影像圖像質量。（3）航向重疊度設計為75%，旁向重疊度設計為65%，旨在滿足后續的空三加密要求。（4）測試區共設計16條飛行航線。

2.2 像片控制點及檢查點的施測

對圖像控制點和控制點的聯合測量是利用由某地參考站連續系統支持的網絡RTK技術進行的，該技術計算了每個點三項觀測的平均值。在這一項目中，所有已建立的圖像控制點都是平高控制點，部分圖像控制點是在圖像控制點經過測試、圖像控制點被用于檢查和檢查之后建立的，所有測量到的圖像控制點都符合空三加密的精度要求，局部控制點布設如圖2所示。

在完成圖像定位和圖像控制點的測量過程中，要從不同角度拍攝測量控制點的照片。

2.3 空三加密

該項目使用常用的航測數據處理軟件INPHO進行空三加密。該軟件在自動匹配連接點時即使在沙漠或者森林這樣的地區，也有很強的功能。利用這些功能可以很好地進行連接點匹配，先是根據地區特點、添加攝像機參數并進行數據轉換。每一個數據的參數都是通過自動匹配算法確定的，每一項任務都是通過平差程序處理的[5]。在與圖像匹配后，可以得到一份關于空三精度的報告。位置可分為：航帶內的立體相對、航帶內的三度連接以及航帶間的連接三個部分。

然后，在輸入計算的POS數據和圖像控制點數據的過程中，將測區四角的控制點刺到影像上，進行一次粗略的區域網平差計算，再在控制點預覽中直接在對應的影像中將其余像控點準確地刺到相應的位置。

2.4 正射影像制作

2.4.1 單張DOM生成

原始圖像將根據DEM數據的結果和空中三角測量結果進行校正。然后選擇具有鮮艷顏色、均勻色調和亮度均勻的圖像生成DOM，再逐個生成單個DOM。

2.4.2 影像勻光勻色

影像處理既可以單個圖像處理，也可以整體均等地處理。模糊的圖像結果力求盡保持原始圖像的顏色、亮度和對比度，從而使圖像的整體色調保持一致。在實踐中，先對一張影像進行勻光勻色得到色彩一致，以此作為樣本，在整個測區區域進行均勻的勻光勻色處理，從而確保所有測區區域的處理結果一致[6]。

2.4.3 影像鑲嵌

加載全部單張DOM后，軟件根據自己相應的模塊能自動生成不交叉的鑲嵌線，搜索特征避開密集的房屋，在房屋稠密地區進行鑲嵌線的編輯。最好選擇沿地物邊界或變化緩慢的地區的鑲嵌線，以避免高差劇烈變化的地區和典型的建筑物。航空攝影圖像重疊較大時，保證地面上地物投影方向應盡可能一致。在自動生成鑲嵌線后檢查DOM是否拉花扭曲變形，不要有任何變形。在顏色一致的情況下，鑲嵌線兩側地物拼接自然，無明顯色差。

3 矢量圖采集與數據處理

本文中矢量圖的結果質量對整個調查底圖的整體質量以及外業實地調查的效率和質量有重大影響。矢量地圖數據采集的工作通常是在全數字攝影測量軟件系統上進行的。在采集過程中，雖然不需要收集勘探區內的所有地物，但只是一些具體的因素，原則上包括農村道路、合同地塊邊界、溝渠、居民區、池塘、陡坎等，三維立體采集是對確定和可以判斷的地物和地貌要素進行的，必須在測量標志的中心正確地切掉物體的外輪廓線，并用規定的圖層和符號正確地繪制。如果三維地物圖像不清晰或位置不確定，應做好標記，供野外工作驗證和補充測量。精確測量可為下一步工作提供完整的數據。野外工作收集完成后，移交現場進行實地調查核實。

本項目的立體采集工作由航天遠景采集工作站完成。空三加密完成后，將空三成果導入該系統。由于從無人駕駛航空器的空中拍攝中獲得的高分辨率和高清晰度DOM，收集的圖像覆蓋面較低。這非常有利于影像的室內判讀工作。在立體視覺狀態下，可以清晰地看到承包地的邊界、道路邊緣、山脊、溝渠和居民區的輪廓線，認清地形的起伏。對于陡坡，給予區分陡坡的上行下行的高路程。田埂清晰可見，承包地的邊界可以被直接采集。如果無法區分同一土地類型和山脊，那么需要在野外進行現場采集。

道路、河流等邊界線可以在立體狀態下精確采集。對內部行業無法準確判斷和繪制的地物，可以進行野外測繪，然后采集數據信息，確定影像圖。

3.1 田塊信息數據

田塊數據是矢量圖的一個重要部分，也是整個項目執行工作的一個關鍵組成部分。這些圖像顯示了每種作物的情況，因此，我們很容易根據顏色區分不同作物。在平原上，大部分作物是水稻，相同影像特征的可以劃分為一個地塊。當同一土地類型、同一作物、同一生長趨勢在影像圖上無法區分時，只有在現場才能區分，通過實測法補充和區別?？睖y員與村長委派村民開展指界工作，根據指界工作確定的承包地之間的邊界點進行了現場測量，并將現場測量結果繪制在測量圖中，如圖3所示。

3.2 調查工作底圖制作

將所得到的結果，也就是權屬圖再按照《國家基本比例尺地圖圖式》的要求作圖修剪，形成矢量圖形，一套DOM數據。農業用地信息按行政區收集，并在1：2000比例尺的范圍內調查。

在工作過程中，使用一個完整的數字攝影測量系統確定立體區塊的界限。從而獲得比制圖方法更高的精度，且精度完全滿足規范要求。

圖4顯示了采集地塊圖、矢量圖和實地圖像的重疊情況。

3.3 數據接邊及數據入庫

外部調查完成后，數據方面應由另一方初步匯總外部結果，并根據情況進行調整，以便圖形能順利接上邊。內業矢量化后，調整直到確保數據的唯一性和完整性。工作人員應在將修正數據重新輸入登記冊之前公布這些數據。將宗地屬性表、締約方資料單和承包人的數據重新輸入數據庫。

4 結語

在全國范圍內無人機航測遙感技術多次應用于農村土地確權工作，其技術已經成熟，不僅成果精度遠優于傳統測量方式，而且工作耗時大大縮短，減輕了農村基層管理人員的工作量，節約了人力物力成本，在農村土地確權工作中值得推廣。同時，隨著北斗高精度 GNSS 技術的日趨成熟，北斗高精度無人機航測系統利用多頻 GNSS 接收機對飛機姿態和航攝路徑進行載波觀測，輔助原有無人機攝影測量系統中 POS 數據，提高了定位數據的可靠性和準確性。采用 GNSS 輔助光束法區域網平差技術，大幅減少了像控點的數量，將精度控制指標分解到無人機航測的各個環節，從而實現無人機的高精度測繪。傳統的無人機航測正在被北斗高精度無人機航測取代，以其高機動性、高性價比及高安全性服務于經濟社會發展的各個環節。

參考文獻

[1] 黃毓，顧呈劍，周就貓，等.內置RTK無人機航拍技術在土地整治項目測繪與輔助規劃設計中的應用[J].湖南科技大學學報（自然科學版），2022，37（3）：87-94.

[2] 徐欣.無人機低空攝影測量在農村土地確權工作中的應用[J].華北自然資源，2022（3）：92-94.

[3] 劉舒，朱航.基于超高空間分辨率無人機影像的面向對象土地利用分類方法[J].農業工程學報，2020，36（2）：87-94.

[4] 王穎.無人機遙感影像在第三次土地調查中的應用研究[D].長春：吉林大學，2019.

[5] 趙磊. 無人機土地覆蓋圖像分割方法研究[D].北京：北京林業大學，2021.

[6] 袁江紅，顏學錚，袁淑君.無人機遙感技術在湖南省第三次土地調查中的應用[J].國土資源導刊，2021，18（3）：92-96.