基于傾斜攝影測量技術(shù)的茶園數(shù)字化確權(quán)研究

楊劍秋 程素丹 何沛榮

（杭州市勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310012）

1 引言

近年來，全國各地正在依法有序開展土地確權(quán)登記工作[1]，通過土地確權(quán)明確相關(guān)權(quán)利人的合法權(quán)益，掌握土地開發(fā)利用現(xiàn)狀，為加強(qiáng)土地管理、解決土地承包經(jīng)營糾紛、維護(hù)農(nóng)民土地承包合法權(quán)益提供有力支撐[2]。茶葉是我國重要的經(jīng)濟(jì)作物，其種植種類、范圍、面積和權(quán)利人等信息對(duì)茶葉產(chǎn)業(yè)布局發(fā)展和數(shù)字化管理具有重要作用，開展茶園數(shù)字化確權(quán)工作有利于推動(dòng)茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展和管理。目前，由于土地確權(quán)工作主要在農(nóng)村宅基地和集體農(nóng)用地等領(lǐng)域開展[3]，在茶園確權(quán)方面研究較少。基于茶園地類地形的實(shí)際特點(diǎn)，采用先進(jìn)的測量技術(shù)，完成茶園數(shù)字化確權(quán)工作，具有較強(qiáng)的研究意義和實(shí)踐意義。

本文以實(shí)際工程項(xiàng)目為依托，采用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)，開展了某縣20 萬畝茶園確權(quán)工作，實(shí)現(xiàn)了茶園權(quán)屬信息數(shù)字化，研究內(nèi)容和結(jié)果可為后續(xù)茶園智能化監(jiān)測提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，為相關(guān)工程應(yīng)用提供參考。

2 測區(qū)概況

某縣是白茶產(chǎn)業(yè)的發(fā)源地，茶葉已成為該縣主要產(chǎn)業(yè)。為加強(qiáng)茶葉產(chǎn)業(yè)化管理，需了解該縣20 萬畝茶葉的種植范圍、面積、權(quán)利人等信息。該縣下轄14 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道、214 個(gè)行政村（社區(qū)），擁有鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道和行政村（社區(qū)）的地理邊界矢量數(shù)據(jù)。目前，該縣已完成全縣1∶2000 數(shù)字高程模型生產(chǎn)，浙江省連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位系統(tǒng)（ZJCORS）已覆蓋該縣。該縣地形呈三面環(huán)山、中間凹陷的輻聚狀盆地地形，包括平原、丘陵和高山地三種地類，縣境最高山海拔1587.4 米，地勢(shì)西南高、東北低，地形起伏高差大、垂直氣候較明顯，風(fēng)向季節(jié)變化明顯，夏季盛行東南風(fēng)，冬季盛行西北風(fēng)。常年平均氣溫16.1℃，年平均日較差9.8℃，年降水量1423.4 毫米，年雨日152.8 天，年日照時(shí)數(shù)1771.7 小時(shí)。

3 傾斜攝影測量

項(xiàng)目利用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)，獲取測區(qū)0.15 米分辨率影像，并制作1∶2000 正射影像圖。

3.1 像控點(diǎn)布設(shè)

像控點(diǎn)測量采用區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)方案，每平方公里至少布設(shè)一個(gè)像控點(diǎn)，每個(gè)像控點(diǎn)需布設(shè)在五片以上重疊范圍內(nèi)[4]，且全部布設(shè)成平高點(diǎn)。像控點(diǎn)應(yīng)統(tǒng)一、均勻布設(shè)[5]，各分區(qū)之間不產(chǎn)生裂縫。項(xiàng)目采用ZJCORS 服務(wù)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)RTK 技術(shù)測定像控點(diǎn)坐標(biāo)，觀測像控點(diǎn)時(shí)，應(yīng)在RTK 固定解穩(wěn)定收斂后進(jìn)行，RTK 單次觀測的平面收斂精度應(yīng)不大于2cm，高程收斂精度不大于3cm[6]。像控點(diǎn)觀測2 次，每次觀測之間應(yīng)重新初始化，每次觀測歷元數(shù)為15 個(gè)，采樣間隔2s[7]，像控點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程坐標(biāo)應(yīng)精確記錄至0.001m。像控點(diǎn)測量完成后，選擇不少于總數(shù)10%的像控點(diǎn)進(jìn)行檢測。測量完成后，重新均勻布設(shè)不少于總數(shù)10%的檢查像控點(diǎn)，用于檢測正射影像數(shù)據(jù)的平面精度和高程精度。

3.2 無人機(jī)航空攝影

項(xiàng)目采用大鵬CW-15 固定翼無人機(jī)搭載SONY a7R Ⅱ正射航攝相機(jī)進(jìn)行作業(yè)。根據(jù)現(xiàn)場踏勘情況，作業(yè)區(qū)包括平原、丘陵和高山地等區(qū)域，主要為丘陵和高山地。將作業(yè)區(qū)劃分為3 個(gè)航攝分區(qū)，分區(qū)內(nèi)的地形高差不大于1/4 相對(duì)航高。在丘陵和高山地采集數(shù)據(jù)時(shí)，采用大重疊度以解決投影差帶來的數(shù)字影像自動(dòng)匹配困難問題[8]，為此設(shè)計(jì)航向重疊度為60%～70%，旁向重疊度為50%～60%[9]。根據(jù)航攝技術(shù)參數(shù)計(jì)算表以及航攝分區(qū)的形狀分布，項(xiàng)目航線沿山體走向設(shè)計(jì)，同時(shí)，航向超出攝區(qū)邊界2 條基線，旁向覆蓋超出攝區(qū)邊界線不少于像幅的50%，相對(duì)航高設(shè)置為1167m。航線敷設(shè)時(shí)引入數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)，能自動(dòng)根據(jù)地形起伏調(diào)整曝光點(diǎn)之間的基線長，從而在航攝設(shè)計(jì)階段杜絕了航攝漏洞的發(fā)生，項(xiàng)目航線設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 航線設(shè)計(jì)

3.3 數(shù)據(jù)處理

由于大氣對(duì)光的折射、吸收和散射直接影響航空影像的色差、色調(diào)和清晰度，不同時(shí)期的航空影像存在一定程度上的色調(diào)差異，因此需要對(duì)原始航空影像進(jìn)行勻光勻色處理。處理時(shí)，先通過勻色軟件進(jìn)行整體勻光，再利用圖像處理軟件進(jìn)行局部調(diào)整，然后采用Wallis 整體勻光和小波濾波法進(jìn)行整體勻光[10]。勻光勻色處理后，采用Pix 4D 攝影測量軟件進(jìn)行空中三角測量和平差解算，在該軟件中直接導(dǎo)入航攝相機(jī)參數(shù)和外業(yè)像控點(diǎn)成果，通過自動(dòng)匹配相關(guān)影像產(chǎn)生匹配點(diǎn)，對(duì)于點(diǎn)位不足的區(qū)域進(jìn)行人工加點(diǎn)。在像片上量測外業(yè)像控點(diǎn)后，通過光束法區(qū)域網(wǎng)平差后，輸出加密成果。

3.4 數(shù)字正射影像生產(chǎn)

數(shù)字正射影像圖生產(chǎn)是利用空三加密成果、影像數(shù)據(jù)進(jìn)行單片正射糾正、鑲嵌處理、影像色彩處理等生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)分幅的數(shù)字正射影像圖成果[11]。利用Pix 4D 攝影測量軟件進(jìn)行鑲嵌線全自動(dòng)生成，并采用人機(jī)交互模式，對(duì)自動(dòng)生成的鑲嵌線走向不合理地方進(jìn)行編輯和修改，確保地物的完整性、房屋倒向合理性，不增減地物，避免重影、錯(cuò)位等現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)相鄰單片正射影像的無縫鑲嵌。制作的數(shù)字正射影像（DOM）如圖2 所示。

圖2 數(shù)字正射影像

4 茶園測繪

茶園測繪時(shí)，先以數(shù)字正射影像（DOM）為底圖，疊加鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道、行政村等界線數(shù)據(jù)，形成調(diào)查底圖，然后根據(jù)現(xiàn)場權(quán)屬調(diào)查成果，采用“圖解+實(shí)測”相結(jié)合的方式制作茶園紅線圖，再利用DOM、DEM 及茶園紅線計(jì)算每個(gè)茶園地塊的面積。具體流程如下：

4.1 調(diào)查底圖制作

利用ArcGIS 軟件制作茶園權(quán)屬調(diào)查的工作底圖，在ArcGIS 軟件中加載DOM 數(shù)據(jù)、行政村界線的矢量數(shù)據(jù)，進(jìn)行符號(hào)化處理，形成統(tǒng)一的調(diào)查工作底圖。調(diào)查工作底圖可根據(jù)工作需要以行政村（社區(qū)）為單元打印成紙質(zhì)圖。

4.2 權(quán)屬調(diào)查

以行政村（社區(qū)）為調(diào)查基本單元開展權(quán)屬調(diào)查，結(jié)合調(diào)查工作底圖，由該行政村（社區(qū)）各茶園權(quán)利人現(xiàn)場指界，確認(rèn)茶園的空間位置、范圍、茶葉品種及權(quán)屬等信息，形成調(diào)查草圖。

4.3 茶園測繪

基于外業(yè)權(quán)屬調(diào)查成果，內(nèi)業(yè)人員開展茶園測繪工作。茶園測繪主要包括茶園測量和茶園面積計(jì)算等內(nèi)容。參考以往確權(quán)工作實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來看，茶園測量主要采用圖解法和實(shí)測法兩種方式進(jìn)行。圖解法是利用已生產(chǎn)的DOM 數(shù)據(jù)，基于調(diào)查草圖通過圖解量算獲取茶園紅線的一種方法，也是獲取茶園紅線最有效、最便捷的方法。采用圖解法可以精確測定每個(gè)茶園的空間位置和形狀等信息。根據(jù)界址點(diǎn)測量規(guī)范，利用圖解法測量時(shí)，相鄰界址點(diǎn)間距中誤差不超過表1 中的規(guī)定，兩倍中誤差為其限差，特殊困難地區(qū)放寬50%。按照?qǐng)D解法，對(duì)照調(diào)查工作底圖，完成測區(qū)茶園測繪工作。經(jīng)計(jì)算，本次圖解法界址點(diǎn)精度指標(biāo)均符合表1 的規(guī)定要求。

表1 圖解法界址點(diǎn)精度指標(biāo)

當(dāng)茶園間沒有明顯界線，或受樹木遮擋等因素影響，無法在內(nèi)業(yè)通過圖解法測定時(shí)，需要采用網(wǎng)絡(luò)RTK 技術(shù)或全站儀極坐標(biāo)法，到現(xiàn)場測量茶園范圍的界址點(diǎn)坐標(biāo)。實(shí)測法測量時(shí)，相鄰界址點(diǎn)間距中誤差不超過表2 的規(guī)定，兩倍中誤差為其限差。通過實(shí)測法，完成剩余部分的測繪工作，經(jīng)計(jì)算，實(shí)測法界址點(diǎn)精度指標(biāo)均符合表2 的規(guī)定要求。

表2 實(shí)測法界址點(diǎn)精度指標(biāo)

4.4 面積計(jì)算

茶園測繪完成后，還需要進(jìn)行面積計(jì)算。茶園面積包括平面投影面積和坡度面積兩類，坡度面積也就是茶園的表面積。根據(jù)茶園特性，坡度面積相對(duì)于平面投影面積更具有實(shí)際意義，因此本文采用坡度面積。每個(gè)茶園的平面投影面積由ArcGIS 根據(jù)DOM 數(shù)據(jù)直接計(jì)算，坡度面積計(jì)算首先將DEM 數(shù)據(jù)按照茶園紅線進(jìn)行批量裁切，再利用ArcGIS 軟件的坡度計(jì)算工具，計(jì)算出每個(gè)茶園的坡度面積，并將面積單位由平方米轉(zhuǎn)為畝。坡度面積計(jì)算如圖3 所示。

圖3 坡度面積計(jì)算

4.5 成果檢查

項(xiàng)目采用權(quán)利人簽字率和隨機(jī)面積精度檢測這兩種方式檢驗(yàn)確權(quán)成果。根據(jù)茶園權(quán)屬調(diào)查登記表，項(xiàng)目共完成46492 個(gè)茶園地塊20.5 萬畝茶園權(quán)屬調(diào)查及成果公示工作，茶園地塊和茶園面積的簽字確認(rèn)率分別為95.18%和93.50%，滿足現(xiàn)場指界確認(rèn)率不低于90%的要求。隨機(jī)抽取326 個(gè)茶園地塊進(jìn)行面積精度檢測，最大面積測量誤差為3.9%，最小面積測量誤差為1.4%，平均3.0%，符合面積測量誤差在5%以內(nèi)的要求。成果檢查結(jié)果表明本次茶園確權(quán)結(jié)果符合要求。

5 結(jié)束語

本文基于茶園地形特征，采用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)進(jìn)行數(shù)字化確權(quán)，介紹了傾斜攝影測量和茶園測繪技術(shù)流程，成果檢查發(fā)現(xiàn)茶園面積測量誤差為3%，表明該技術(shù)能滿足茶園確權(quán)要求，研究內(nèi)容可為相關(guān)工作提供技術(shù)參考。無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)具有測量精度高、工作效率高、投入成本低等特點(diǎn)，在茶園地形地貌測繪和智慧化監(jiān)管中具有較好的應(yīng)用前景。