无人机航测技术在农村土地调查工作底图制作中的应用
来源：《国土资源遥感》2016年6月
作者：毕凯，黄少林
第一作者简介：毕凯，工程师，主要从事低空数码遥感系统集成应用方面的研究。
摘要：针对农村土地调查工作底图制作工作的实际需求，提出了将无人机航测技术应用于农村土地调查工作底图生产的方案，分析了无人机应用于农村土地调查工作底图制作的已有基础，重点论述了基于无人机航测技术的农村土地调查底图制作的工作流程和需要达到的技术要求，可为农村宅基地和集体建设用地确权登记发证工作提供新的解决方案。
关键词：无人机;土地调查;工作底图;航空摄影;正射影像图
0、引言
开展农村宅基地和集体建设用地使用权确权登记发证工作的主要任务是全面查清农村范围内包括宅基地、集体建设用地等每一宗土地的权属、位置、界址、面积、用途、地上房屋等建筑物、构筑物的基本情况[1]，主要选用国土、测绘等行业累积的大比例尺(1∶500—1∶2000)地形图、正射影像图或已有地籍图作为制作工作底图的基础图件[1]。然而，受经济水平、测绘经费投入等的限制，部分农村地区至今没有大比例尺基础图件，这已经成为制约农村宅基地和集体建设用地使用权确权登记发证工作的最大障碍。
为了解决土地调查工作底图制作时的影像源短缺问题，各地国土和测绘地理信息部门也在积极谋划，收集满足1∶500—1∶2000比例尺工作底图制作所需的优于0.2m分辨率的航空航天遥感影像。对于小范围大比例尺农村土地调查来说，由于受卫星固定轨道、影像分辨率等因素制约，难以快速获取能满足于成图所需的高分辨率影像。近30a来，我国已逐步构建起了航空遥感监测体系，具有多传感器、多平台航空遥感能力，但受空域、天气、机场条件、航摄成本等因素限制，航空遥感同样难以满足全国农村高分辨率遥感数据快速获取的需要。
低空轻小型无人机遥感系统具有机动灵活、受天气影响小、成本低、能获取高分辨率影像等特点。与卫星遥感相比，无人机获取影像分辨率高，是满足小范围大比例尺调查底图制作的理想数据源。与有人机相比，小型无人机在飞行速度、范围、条件等方面具有极高的机动性;无需专用机场跑道，起降方便，具有极强的环境适应性;无人机飞机购买价格低廉，使用费用便宜，工作效率高，具有极好的经济性。因此，小型无人机航摄系统对于农村宅基地和集体建设用地使用权确权登记发证工作具有十分重要的意义[2]。
针对小面积农村土地调查的实际需求，以生产示意工作底图和正射影像工作底图为目标，本文提出了利用现有无人机航摄系统进行小面积农村土地调查底图制作的解决方案，重点论述了基于无人机航测技术的农村土地调查底图制作的工艺流程和技术指标，为大规模开展农村土地确权登记发证等工作积累经验。
1、已有基础分析
1.1 小型无人机已在多领域广泛使用
据科技部不完全统计，仅仅在“十一五”期间，从事测绘遥感工作已备案并在使用的小型无人机系统近300套，飞行平台有固定翼无人机、无人直升机、旋翼无人机和无人飞艇等，起飞总重量在30kg以下占据了装备总量的87%，使用数码相机作为传感器的占到了77%，数百人次参加过各类无人飞机航摄系统技术与标准培训班，一个遍布全国的无人机应用队伍的专业低空遥感影像获取服务网络已初步建立。
此外，各地国土、水利、农业、规划等部门也相继装备了小型无人机航摄系统，并已在土地整理、水利资源监测、农业灾害评估、城镇规划等方面发挥了积极作用。
1.2 无人机航测作业规范得到推广使用
2010年底，国家测绘地理信息局相继发布了低空无人机航测作业内、外业规范，使得小型无人机航测技术得到了快速发展。特别是《低空数字航空摄影规范》、《低空数字航空摄影测量内业规范》和《低空数字航空摄影测量外业规范》等标准化技术文件的发布，进一步规范了无人机影像获取、像控测量和数据处理等方面的作业行为。
值得注意的是，无人机航空规范改变了数字航空摄影旋偏角的检查方法，将旋偏角检查改为旋角和倾角的分别检查;明确了像片控制点航向基线数跨度和旁向相邻平面控制点的航线跨度，是轻小型无人机像控测量等外业工作的最新指南。
1.3技术瓶颈不断突破
近年来，随着技术的进步和对无人机研究的深入，小型无人机航测技术瓶颈逐步突破。实现了GPS辅助航空摄影，飞行平台硬件上集成双频GPS，在飞行时精确记录曝光时刻的位置信息，通过事后查分解算，得出每个曝光时刻的摄影中心的X，Y，Z方向的坐标，作为带权观测值参与平差计算，以减少摄影测量成图所需的外业像控点[3]。各类型手抛无人机、旋翼无人机也相继研制成功并投入使用，特别是手抛起飞伞降回收和垂直起飞降落等无需专业人员操控的简单易学的无人机的出现，进一步降低了小型无人机的使用难度，使得非专业人士也能熟练操控无人机开展影像获取工作。
2、适用于农村土地调查工作底图制作的无人机航摄系统
2.1 总体性能
采用轻小型无人机航摄系统开展农村土地调查需要根据任务要求快速规划航摄区域，开展航线设计，精确计算摄区内的曝光点坐标、航摄高度和像控点数量，据此估算像控测量、影像处理所需的工期和人员、设备等的投入。到达现场后3h内完成不小于3km2范围的影像获取任务，包括：开展优于5～20cm分辨率的航空遥感影像获取，制定像控点布点方案、实施像控测量，开展航摄影像现场质量检查、影像数据处理、制图整饰与输出等。
2.2系统组成
轻小型无人机农村土地调查航摄系统由现场数据采集系统、像控测量系统、数据处理系统、制图输出系统和运输保障车5部分组成(图1)。其中，现场数据采集系统针对农村地区小面积范围，采用无人机快速获取航空遥感影像，现场检查航摄数据的质量;像控测量系统实现航摄现场快速像控点观测与数据解算;数据快速处理系统实现影像镶嵌处理;制图输出系统实现工作底图的现场制图整饰与输出。
2.3可形成的主要成果
采用无人机航摄技术，获取满足成图分辨率要求的航空遥感影像，通过像控测量、内业数据处理和外业调绘，形成符合宅基地确权登记发证所需的工作底图。
2.3.1土地调查示意工作底图
利用无人机获取的高分辨率影像，通过影像快速处理生成高分辨率镶嵌影像图，在此基础上标注宅基地的相关信息，以此作为统计宅基地数量，计算生产地籍图的工作量、投入调查人数和入户调查工期的重要依据。
2.3.2土地调查正射影像工作底图
利用无人机获取的高分辨率影像，采用实测控制点或已有地形图、正射影像图等作为控制资料，生产正射影像图。
3、工作底图的制作流程及技术要求
3.1 总体工作流程
接收土地调查无人机航摄指令后，基于“天地图”公众服务平台开展航摄规划，基于DEM开展精确航线设计。选定适合的无人机飞行平台开展航空摄影，获取航摄影像。现场检查数据质量，主要包括航摄数据覆盖完整性检查、重叠度检查以及影像色彩方面的检查。现场处理航摄数据，形成摄区DEM、镶嵌影像图，结合像控测量成果生产摄区正射影像图等成果，一方面可利用电子版数据成果作为工作底图开展土地调查;另一方面经制图整饰后现场输出成纸质底图，供现场开展土地调查使用。无人机农村土地调查工作底图制作工作流程见图2。
3.2无人机航空摄影
3.2.1 航摄规划与设计
基于“天地图”在线服务平台的无人机现场航线快速规划。在广域网络环境下，根据土地调查地名信息或四至坐标等信息，利用遥感影像、地图和三维数据成果快速摸清农村土地调查区域的基本情况，划定调查范围并导出拐点坐标。结合90m分辨率数学高程模型(digitaleleva-tionmodel，DEM)数据信息开发航摄设计软件，根据地形起伏自动调整曝光点之间的基线长度，避免产生航摄漏洞;生成设计报表，快速了解航摄面积、四至范围、航摄高度、航线数、影像数、总航程等信息，以便合理规划航摄时间和数据处理时间。
3.2.2 影像质量检查
航摄设计覆盖范围与实际覆盖范围的快速可视化检测和基于影像匹配的航摄数据重叠度检测。自动提取和同步显示机载记录的曝光点信息文件经纬度信息、摄区航摄设计拐点坐标信息，必要时加载航摄影像数据，可视化检测航摄覆盖情况;提取机载记录的曝光点高度信息，计算航带内最大航高差;利用影像快速匹配算法，统计摄区航带内与航带间的最大、最小重叠度等[4]。
3.2.3技术要求
与传统航空摄影获取的影像相比，轻小型无人机在影像重叠度的保证、影像旋偏角的保持、航线弯曲度的保证等方面还有不小的差距。相比传统航空摄影在航向和旁向重叠度上的严格的技术要求，轻小型无人机主要以保证最高点航向和旁向重叠度，以及摄区最低点影像分辨率[5]。
1)航向和旁向重叠度保证。在航摄设计时，可适当增加航向和旁向重叠度，航向重叠度一般设定为70%～80%，保证摄区地面最高点的航向重叠不小于60%;旁向重叠度一般设定为45%～50%，保证摄区地面最高点的旁向地面重叠不小于30%。
2)影像分辨率保证。满足1∶500，1∶1000和1∶2000比例尺成图要求时，摄区地面最低点的分辨率不小于0.05m，0.1m和0.2m。3)数码相机检校精度保证。生产正射影像工作底图时，无人机搭载的数码相机必须经过几何检校，检校精度应满足主点坐标中误差不大于10μm，主距中误差不大于5μm，经过畸变差方程式及测定的系数值拟合后，残余畸变差应小于0.3个像素[5]。
3.3基于无人机影像的像控测量
3.3.1布点方案
无人机像控测量与传统航空摄影像控测量的最大不同之处在于像控点的布设方案存在差异。其重要的环节是计算像片控制点航向基线数跨度和旁向相邻平面控制点的航线跨度，航向基线跨度的计算见公式(1)和(2)[6]，即
式中：ms为连接点(空三加密点)的平面中误差;mh为连接点(空三加密点)的高程中误差;K为像片放大成图的倍数;H为相对航高;b为像片基线长度;mq为视差量测的单位权中误差;n为航线方向相邻平高控制点的间隔基线数。
与传统航空摄影的像控测量工作相比，其不同之处在于：①正确选择像片放大成图倍数，根据相关理论，像片放大成图的倍数为0.1mm/单像元尺寸[7]。②正确选择与地面分辨率和像点量测精度密切相关的视差量测单位权中误差，传统胶片式航空摄影按照0.02mm取值，这在数码航摄中不再适用;通过统计，无人机数码航空摄影视差量测的单位权中视差一般设定为1/3～2/3像元。③在顾及高程精度影响时，1∶500，1∶1000和1∶2000比例尺像控测量高程控制点旁向间隔航线条数为零，即每条航线必须布点。
3.3.2技术要求
在像控点精度方面，针对农村地区土地确权登记发证工作实际，实测点相对邻近国家等级控制点的点位平面位置误差不大于0.01m;高程误差不大于0.1m，困难地区可放宽1倍[6]。
3.4无人机影像数据处理
3.4.1 示意工作底图生产
利用无人机获取的高分辨率影像，在无需控制资料情况下，通过影像快速处理生成高分辨率镶嵌影像图，在此基础上标注宅基地的相关信息，以此作为统计宅基地数量，计算生产地籍图的工作量、投入调查人数和入户调查工期的重要参考依据。
3.4.2正射影像图生产
基于无人机遥感影像的正射影像底图制作的重点是生产数字正射影像，这与传统航空影像制作正射影像的步骤基本相同。所不同的是，在空三加密环节，可实现并行处理，以提高效率。在DEM制作环节，可利用高精度空三成果进行全自动密集匹配，生成高密度、高精度的数字表面模型(digitalsurfacemodel，DSM)，再进行滤波处理即可得到高精度的DEM，生产过程可采用高性能刀片机进行分布式处理，无需人工采集特征线。在数字正摄影像(digitalorthophotomap，DOM)制作环节，匀光匀色和智能镶嵌实现并行处理，提高了工作效率。
3.4.3技术要求
示意工作底图满足影像几何和色彩的相关要求。在几何精度方面，虽不强求高精度，但需要保证对地物识别，尤其是对建筑物的识别精度能满足任务要求;影像细节方面，要求纹理清晰、层次丰富、无明显失真，道路、水系、建筑物等重要地物无镶嵌拼接痕迹，房屋边线无变形，房屋与房屋、地块与地块之间能清晰辨别;在灰度分布和色彩方面，需要保证影像色调均匀一致、整体反差适中，无明显的色彩拼接痕迹，灰度直方图呈正态分布。
利用无人机遥感影像制作的正射影像工作底图的平面位置中误差不大于图上6mm，与相邻影像图接边误差不大于2个像素[8]。
4、结论
1)利用无人机航测技术生产土地调查工作底图具有实地调查不可比拟的优势。一是清晰直观，外业调查人员能更加准确地判别地类及边界;二是在底图上标注权属，大大节省了草图的绘制时间，提高了外业调查的工作效率。
2)利用无人机航测技术生产土地调查工作底图，不仅为核算外业界址点测量和权属调查工作量的提供了重要依据，获取的农村地区影像亦能作为基础资料保 49 30750 49 15289 0 0 3375 0 0:00:09 0:00:04 0:00:05 3375存，必要时可将其作为新农村建设、村镇规划、应急测绘保障工作等的重要基础图件。
3)随着无人机航测技术的发展，集成RTK或高精度POS系统的无人机可在无需或仅需极少量实测的地面控制点的情况下快速制作正射影像工作底图，这将进一步提高农村土地调查的工作效率。
4)利用无人机航测技术生产土地调查工作底图不仅是解决无资料地区农村集体土地所有权确权登记发证工作的有效手段，亦能在有关地区的不动产登记、土地利用快速执法监测、生态保护与环境监测、矿产资源开展与利用监测等方面发挥积极作用。
参考文献：
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[4]陈洁，杨达昌，杜磊，等.框幅式数字航空摄影飞行质量检查方法[J].国土资源遥感，2014，26(4)：91-96.doi：10.6046/gtyyg.2014.04.15.
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