无人机航测系统在农村1:500地籍测图中的应用探讨
来源：《测绘地理信息》2017年01期
作者：张久龙, 李淑梅, 张利群, 于胜文, 刘尚国
以固定翼无人机在农村地籍测量中的应用探讨为例，简单介绍了固定翼无人机航测系统的组成。对在农村地籍测量中的应用进行了阐述，包括测区概况与航摄方案设计、数据的获取与预处理、空三加密计算与精度评定。通过实地采集的检查点与空三加密结果的比较，分析和评价了无人机航测系统应用于农村地籍测量中的可行性，试验数据获得的DOM满足1:500的成图精度要求，并将获得的DOM与原有的1:500地形图进行套和和比较，研究表明，无人机航测系统可以满足在农村地籍测图中的任务需要。
无人机是一种无人驾驶航空飞行器，主要利用无线电遥控设备和预先编好程序控制的，由机体、动力装置、稳定云台和导航模块等组成。无人机搭载遥感设备是有人机遥感和卫星遥感的有效补充手段，会在未来成为主要的航空遥感技术之一[1]。低空无人机航摄系统以无人机机动灵活性强的特点，具有成本低廉，时效性强，航飞效率高，任务完成周期短等优点，日益成为一项空间地理信息数据获取的重要手段，适合小面积快速作业，它受天气和场地条件影响相对较小，具有快速响应，获取影像分辨率高的特点，能够对地表进行快速、实时调查和监测[2]。
无人机航测系统在近几年来快速发展，其应用范围也越来越广泛。文献[3-8]分析了无人机航摄在不同方面的应用。其主要应用在地形图快速测绘、森林资源调查、应对地质灾害及城市测绘保障、拆迁两违监控和农村土地承包确权等。无人机凭借其飞行机动灵活、速度缓慢、成本较低、航测范围广泛等优势，有效地解决了小范围高精度低空摄影测量的难题[9]。但是无人机航测系统应用在地籍测量中还很少。根据文献[10-12]所述，其平面测量精度达不到TD/T 1001-2012《地籍调查规程》中规定的宗地界址点的精度要求。
农村土地确权关系到农民的切身利益，关系到土地改革能否顺利进行，对农村社会的稳定具有十分重要的意义。然而土地确权是一项十分复杂的任务，而且时间紧，研究运用无人机低空航测开展地籍图的测绘任务，这是对传统地籍图测绘方式的创新发展，它能够机动灵活的高效工作，同时在一定程度上降低了成本投入。本文介绍了无人机航测系统在农村地籍测量中的应用情况，并对航测系统的精度进行了验证，对农村土地确权和建设美丽乡村等工作具有十分重要的价值。
1无人机航摄系统介绍
航摄试验系统组成有：固定翼无人机飞行平台、飞行控制系统、SWDC-1数字航空摄影仪、各种传感器及地面站、遥控器、内业数据处理软件等。
1.1 固定翼无人机飞行平台
本次航飞试验采用的飞行平台为DE-150型固定翼无人机，该无人机平台主要采用玻钢泡沫材料构成，其重量轻、强度高，如图 1所示。
图 1 固定翼无人机
具体相关参数如表 1所示。
表 1 DE-150固定翼无人机的相关参数
1.2 飞行导航与控制系统
固定翼无人机飞行导航与控制系统主要包括飞行控件、GPS/INS惯性导航系统、GPS接收机、气压传感器、空速传感器、转速传感器等部件，主要作用是无人机的飞行导航、定位和飞行自主控制[13]。它可以采用程控、半自主或自主飞行控制模式，实现飞行姿态、飞行高度、飞行速度的稳定控制，保障无人机按照预先设计的航线平稳飞行，并且航线点数据在飞行中可以修改，目标航点也可实时修改，能实时响应地面监控站的遥控指令、接收和存储航点，并实现航点数据的自动回传。其中，GPS/INS惯性导航系统可以获取曝光时刻影像曝光点的经纬度、飞行高度和飞行姿态，可根据这些数据进行航带设置和航测数据质量评价。
地面监控系统主要包括无线电遥控器、RC接收机、监控计算机系统、地面供电系统以及监控软件等[13]，可以随时监控无人机的飞行高度、航迹、飞行姿态等数据，确保地面监控人员能及时了解无人机的飞行状况，保证飞行任务的顺利完成。
1.3 遥感任务设备
遥感任务设备主要包括SWDC-1数字航摄仪、相机控制模块和有关的辅助器材，主要功能是用于航摄影像的获取与存储[13]。本试验采用北京四维远见公司研制的SWDC-1数字航空摄影仪，相机参数如表 2所示。
表 2 SWDC-1相机参数
2无人机在地籍测图中的应用
2.1 测区概况与航摄方案设计
测区位于河南省原阳县某村，测区东西长950 m，南北宽400 m，地势比较平坦。现有测区1:500外业实测数据一套，在测区地面布标24个，包含8个房角点。选取其中9个均匀分布的作为空三加密的控制点，剩余15个点为检查点，其中控制点和检查点的平面与高程精度均优于±3 cm, 全测区略图如图 2所示。
图 2 测区略图
按照航空摄影的一般规定，航飞的航向重叠度为60%，最小不得小于53%;旁向重叠度为30%，最小不得小于15%[14]。本次航飞试验考虑到外界环境以及飞机性能对航飞数据的影响，航飞方案技术参数如表 3所示。
测区按东西方向布设了5条航线，为了提高后续数据处理的精度，在南北方向布设了2条构架航线，航线布设如图 3所示。
图 3 测区航线布设图
2.2 航测数据的获取
因为无人机航摄姿态稳定性差，而且受飞行高度的限制，影像像幅较小，平台的不稳定使影像畸变大等，所以本次影像数据获取选择在天气晴朗、阳光明媚、风速较低的天气进行航测作业，所获取影像的清晰度较高，俯仰角、旋偏角、横滚角、航带弯曲度以及航向、旁向重叠度等技术指标都满足设计要求，没有航拍漏洞，有效照片数为97张。获取的高清影像数据如图 4所示，其中局部航片按1:1放大，地面标示为0.4 m。
图 4 高质量的航片和局部图
2.3 影像的预处理
无人机航摄系统搭载非量测数码相机为遥感设备进行航拍，无人机本身的特点以及数码相机自身的性能对测量精度影响很大，所以在空三加密之前对影像进行畸变差改正、影像匀光匀色等预处理，避免空三加密平差迭代解算不收敛或计算结果不准确，并提高影像匹配的效率和精度。本次航测影像预处理软件选用SWDC-1配套软件，软件可以自动进行影像的畸变差改正、匀光匀色等预处理。
2.4 空三加密及精度评定
影像匹配的实质是以一幅影像为参考影像，在另一幅或几幅影像上按照一定的匹配算法寻找同名点的过程，并完成同名特征点的提取，其中特征点主要指明显点，如角点、圆点等，它是影像的局部特性，影像特征点的均匀提取是影像匹配的关键，更是空三加密的前提基础。影像提取的均匀分布的特征点和测区航线间点的连接强度 (5°以上重叠) 如图 5、图 6所示。
图 5 均匀分布特征点图
图 6 连接强度 (5°)
空三加密是无人机影像内业处理的核心内容，主要任务是利用影像匹配提取的公共点和少量地面控制点，依据共线条件方程，求得各张像片的外方位元素和加密点地面坐标。空三加密的精度直接影响DSM、DOM、DLG等数字产品的质量。
该测区根据像控点进行空三加密，通过严密光束法平差后，对加密点平面和高程精度及相关误差进行统计，如表 4、表 5所示。
从空三加密检查点残差表 5中得出：平面中误差Mxy=0.024 m, 高程中误差为Mz=0.047 m，空三加密的精度满足低空摄影测量内业规范[15]的精度要求。个别检查点相比其他点出现误差较大的原因可能是：飞行姿态稳定性差影响了数据处理的精度;外业采集地物坐标时仪器位置不准确;内业空三加密人员操作不熟练，没有准确找到加密点的合理位置。
经过外业像片控制点测量、内业空三加密后，对无人机航摄的影像进行重采样，生成核线影像，系统自动匹配三维离散点，得到测区的DSM, 利用立体测图三维矢量数据构建TIN生成DEM，利用获得的DEM和空三加密成果进行单片影像的数字微分纠正得到正射影像。单片正射影像经过拼接、色彩处理、镶嵌、图幅整饰、图幅裁切后得到DOM成果。把DOM成果与全野外实测DLG数据进行套合，如图 7、图 8所示。
图 7 DOM成果与野外实测套合
图 8 局部套合放大图
通过对DOM采集房角等特征点的坐标与DLG进行比较，经检查1:500 DLG和1:500 DOM套合精度较好，线划线与影像重合较为一致，DOM拼接没有出现色彩明显差异和拼接痕迹等问题。而且通过实践表明，航测影像采集成图的工作量，尤其是外业采集工作量要远远少于全野外数据采集，采用航测方法可以完成外业测量任务的80%左右[16], 这与采用传统全野外测图的作业模式相比较，大大地提高了工作的效率，缩短了任务周期，降低了野外人员的工作量和强度。
3结束语
本文通过试验，与原始的大比例尺1:500 DLG套合比较得出:低空无人机获取的影像可满足农村1:500地籍测量中成图精度的要求，满足国家1:500高精度大比例尺数字3D产品的生产要求。
无人机航测的作业方式、飞行规模及获取的数据精度适合于农村地籍调查，其航测获得的数据成果与传统的外业调绘和全野外测绘成果相比较，具有高分辨率、高效率、任务周期短、灵活简便、可在云层下飞行等优势，且成果更加丰富、直观。利用无人机进行航摄获取数据精度较高，能充分满足地籍测绘要求，能够推进地籍测绘应急服务体系的完善，同时也是实现地籍测绘成果向智慧美丽乡村发展的基础。无人机在地籍测绘中的应用能够为调查核实土地变更情况提供专业数据，为相关研究项目发展提供强大的技术支持。
[1]林宗坚, 李德仁, 胥燕婴. 对地观测技术最新进展评述[J]. 测绘科学, 2011, 36(4): 5–8.
[2]冯幼贵, 邢著荣, 韩玉琪. 基于5DMarkⅡ相机的无人机测绘1:500地形图可行性分析[J]. 测绘地理信息, 2015, 40(3): 71–73.
[3]王晓莉. 基于无人机低空遥感系统的矿区地形图快速测绘[J]. 地理空间信息, 2013, 11(6): 41–43.
[4]张园, 陶萍, 梁世祥, 等. 无人机遥感在森林资源调查中的应用[J]. 西南林业大学学报, 2011, 31(3): 49–53.
[5]韩文权, 任幼蓉, 赵少华. 无人机遥感在应对地质灾害中的主要应用[J]. 地理空间信息, 2011, 9(5): 6–8.
[6]王洛飞. 无人机低空摄影测量在城市测绘保障中的应用前景[J]. 测绘与空间地理信息, 2014, (2): 217–219.
[7]吴锦发. 无人机数码航空摄影在两违监控中的应用[J]. 测绘与空间地理信息, 2015, (4): 198–200.
[8]李玉梅. 无人机航空摄影在农村土地承包确权工作中的应用[J]. 价值工程, 2015, (6): 233–234.
[9]杜德竹.基于组合宽角相机低空影像的城市建筑物三维模型构建研究[D].徐州:中国矿业大学, 2010
[10]张兰, 潘宝玉. 博兴县无人飞艇低空航摄测量数据处理[J]. 地矿测绘, 2012, (1): 29–32.
[11]谢建春. 利用无人飞艇获取影像资料制作DOM的实践——以山东省博兴县城为例[J]. 山东国土资源, 2012, 28(7): 35–37.
[12]中华人民共和国国土资源部.TD/T 1001-2012地籍调查规程[S].北京:中国标准出版社, 2012
[13]CH/Z_3002-2010.无人机航摄系统技术要求[S].国家测绘地理信息局, 2010
[14]CH/Z_3004-2010.低空数字航空摄影测量外业规范[S].国家测绘地理信息局, 2010
[15]CH/Z_3003-2010.低空数字航空摄影测量内业规范[S].国家测绘地理信息局, 2010
[16]宋亮. 无人机航测技术在农村地籍调查中的应用[J]. 北京测绘, 2014, (4): 96–98.
推荐阅读
---------------- 推 广 ---------------