关键词：倾斜摄影测量 自然保护区 无人机 边界勘测 实景三维模型 引文格式：周阳阳, 徐尚昭, 陈斌, 等. 无人机倾斜摄影测量技术应用于自然保护区勘界[J]. 测绘通报，2021(9)：43-48. DOI: 10.13474/j.cnki.11-2246.2021.0271 .摘要 ：随着自然保护地整合优化预案的实施及勘界立标工作的进展，对勘界成果的现势性和准确性要求日益提高。为解决传统勘界工作中存在的监测技术落后、工作量繁多、成果界线不精确、边界不客观等问题，本文基于无人机倾斜摄影测量技术，结合Google地图和数字正射影像，通过摄影测量和实地测量相结合的方法，实现了满足精度要求的自然保护地边界快速识别和提取。以韶关市北江特种珍稀鱼类省级自然保护区为例，构建1：500实景三维模型，为"高标准打造粤北生态特别保护区，做好自然保护地优化整合工作"提供了清晰、可靠的本底数据。试验结果表明，该方法技术先进成熟，自动化程度高，能够满足保护地边界勘测的精度要求，具有广阔的探索潜力与应用前景且易于推广。自然保护地对于建设重要自然生态系统、维护生物多样性、提高自然遗产保存率及改善生态环境质量至关重要[1-3]。长期以来，我国实行“重数量轻质量”策略，保护地面积和数量不断扩张，忽略了保护地所面临的交叉重叠、生境破碎化、土地权属不清等诸多问题，现实矛盾冲突尖锐[4]，降低了自然资源的保护效率，阻碍了保护地的健康发展。因此，加强自然保护地的勘界立标，为优化整合工作提供准确、可靠的本底数据，有助于推动保护地的规范化建设和精细化管控，促进保护地与周边区域协调发展，对加强新时代生态文明建设具有重要现实意义。随着新型信息观测技术的发展，无人机倾斜摄影测量通过飞行平台搭载多角度传感器，可同时得到地物正射和倾斜方向的真实纹理，获得更加立体的地理环境信息[5]。相较于传统航空摄影二维平面观测的局限和实地勘测成本高、工作量大的限制，倾斜摄影测量拥有高效率的三维模型生产技术，成果更符合人类视觉系统的直观真实感知，大大提高了地表特征的判读解译效率和精度，可提供多种直接的测量手段，因此，被广泛应用于不动产更新测绘、城市规划、自然资源勘查和管理[6-8]等领域。目前，自然保护地界主要通过人工携带RTK或全站仪等装置进行实地勘测，该种方法在地势险峻地区勘测阻力较大，难以保证工作的全面覆盖。基于此，本文基于倾斜摄影测量技术，结合Google地图和数字正射影像(DOM)，获取测区1∶500实景三维模型，在兼顾测绘精度要求的同时，以期快速、高效地解决勘界过程中存在的边界不客观、不符合实际情况等问题，实现自然保护地边界的识别和提取。
利用无人机倾斜摄影测量技术进行自然保护地勘界的流程[9]主要包括像控点布设、倾斜摄影测量平台设定、飞行航线设计、像控点测量、空三解算、实景三维建模及边界识别与提取。
像控点布设作为倾斜摄影测量中不可或缺的基础步骤，在保证像控点测定几何精度的同时，其数量、质量还需满足像片处理和模型精度的要求，确保目标地物在空间系统中的绝对位置，技术流程如图 1所示。像控点应避免布设在建筑物密集区、可能被基础设施建设和植被遮挡区域，而应布设在纹理明显、色彩差异较大的空旷区，如道路交叉点、房前空地等区域。
无人机倾斜摄影测量是以无人机为飞行平台、以倾斜摄影相机为传感器的航空摄影测量系统。对于飞行平台而言，应着重考虑续航时间、飞行速度、载重、安全性及抗风性等因素；对于传感器而言，应着重关注其波段数、焦距、POS数据采集能力等主要指标。通过POS采集与相机拍摄的同步设置，最大限度减少了机械延时产生的定位误差，保证了高动态场景下的影像获取精度[6]；通过无人机与航摄系统融合的设计使飞行更趋于稳定；通过高精度双RTK模块导航定位与精准飞行技术相结合的方式，使航线误差控制在2 cm、定向精度在0.2°以内。
根据任务需求设定合适的地面分辨率，依据测区地物高度和类型设置重叠率，结合倾斜相机的性能计算航摄高度[10]为式中，H为航高；f为相机焦距；GSD为地面分辨率；a为像元尺寸。《低空数字航空摄影规范》(CHZ 3005—2010)规定：航向重叠率应不低于53%；旁向重叠率应不低于8%，通常设置为60%~80%与15%~60%。考虑地物遮挡和模型形变等问题，航向及旁向重叠率大于75%较适宜。
倾斜摄影空三解算时，将机载POS提供的外方位元素视为观测值引入摄影测量区域网平差中，利用后处理软件采用统一的数学模型和算法，对多视影像进行自动匹配，获得同名连接点，构建自由网；在初次空三结果基础上加入控制点进行联合平差，可优化精度至1/3像素，通过同名点匹配技术建立影像与模型间的严格对应关系，以满足后续自动化建模精度[11-12]。当空三运算精度结果中像控点中误差小于0.03 m(小于0.01 m效果最佳)，残差满足限差要求，丢片合理，无分层、断层、错位，则认定空三运算满足质量要求。韶关北江特有珍稀鱼类省级自然保护区(以下简称“保护区”)于2006年建立，2008年升格为省级自然保护区，位于广东省韶关市北江水系的武江，总面积为2820 hm2，主要保护对象为特有珍稀濒危鱼类及水生生态环境等，属内陆湿地和水域生态系统类保护区。为了确保保护区范围的准确性和现实性，将完成优化整合工作后的保护区界线成果叠加至Google地图，发现3处区域与实际情况存在一定偏差(如图 2所示)。通过在大疆官方网站安全飞行指引限飞区域查询可知，图 2(a)区域和图 2(b)区域位于桂头机场限飞区，因此选定图 2(c)区域作为试验区进行野外飞行作业。试验区位于保护区核心范围，面积为5.64 hm2，西侧江面停靠少许渔船，岸边多为低矮居民住宅及河边厂。测区内建筑物最大高度约为30 m，电塔高约30 m，树木最大高度约为40 m。
本次倾斜摄影作业选用大疆M600 Pro双轴六旋翼无人机搭载睿铂RIY-S2五镜头倾斜相机，航线管理多任务一体化，同时兼容BDS、GPS、GLONASS 3种卫星定位模式，单镜头像素为2400万，传感器大小为23.5 mm×15.6 mm。测图比例尺为1∶500，基本等高距为0.5 m，三维模型及主要地物点平面精度为5 cm，高程中误差≤10 cm。为了能快速、准确地在成图范围内布设符合规范、满足精度要求的像控点，在倾斜摄影测量之前采用大疆精灵4 RTK小型航测无人机获取测区DOM。该飞行平台具备厘米级导航定位和高性能成像系统，拥有快速、高效等成图优势。本次航摄飞行高度为80 m，航向重叠率为85%，旁向重叠率为80%，平均飞行速度为8.3 m/s，飞行时间共19.42 min，有效飞行面积为10.28 hm2(如图 3所示)。
本文于2020年9月19日和10月11日共进行2次飞行试验，试验区呈条带状分布，共分2个架次完成，有效飞行面积为20.11 hm2。试验1飞行航高为100 m，航向重叠率为80%，旁向重叠率为75%；试验2飞行航高为80 m，航向和旁向重叠率均为80%，航线规划如图 4所示。飞行期间通视条件良好，均为无风晴天，航摄数据经检查无遗漏，对应POS信息齐全，飞行数据范围及质量均满足测区生产需求。
采用密周边隔基线的区域网控制点布设法[13]，依据DOM室内选点结合实地踏勘，预制标准对三角地面人工标志，以80~200 m为间距，共布设10个控制点(如图 3所示)。本文采用GPS实时动态差分定位技术(GPS RTK)，依据已知基准站接收卫星信号，以流动站形式采用智能中海达iRTK 2，求得基准站和流动站间的坐标增量，实现实时联合解算，获取全部像控点位置信息[14]。坐标系统采用2000国家大地坐标系和1985国家高程基准。
在明确任务需求的基础上，充分考虑航测平台参数设置和航线规划(见表 1)，确保影像的获取质量。此外，在奥维地图中圈定适宜的飞行范围，导入无人机飞行平台以备使用。
项目采用ContextCapture Center软件，集群调用8组GPU同步运算。通过集成处理POS数据，验证POS精度并对其姿态角数据进行子午线收敛角补偿，解算出精确外方位元素；利用特征匹配算法获取高精度同名点匹配结果，通过光束法局域网平差实现空中三角测量；根据聚簇算法和密集匹配算法初步构建高密度点云数据，依据空三建立的影像间三角关系经由高密度点云构建TIN网格模型；最后经由纹理映射形成实景三维模型，效果真实性强，纹理现势性好。
为保证模型精度的准确性和可靠性，验证倾斜摄影测量在自然保护区三维模型构建中所能达到的精度，依据《三维地理信息模型数据产品规范》(CH/T 9015—2012)，本文引入中误差，通过选择平整道路地面特征点及建模效果较好的房角点、房前空地点共9个检验点进行综合点位几何精度验证，计算公式为式中，Mx、My、Ms、Mz分别为x方向、y方向、平面、高程中误差；Δ为检测较差；n为检验点总数。经计算(见表 2—表 3)，试验1：x方向的中误差为0.053 m，y方向的中误差为0.047 m，平面中误差为0.071 m，高程中误差为0.062 m，其中最大高程误差为0.160 m，最小高程误差为0.001 m。试验2：x、y方向中误差均为0.017 m，平面中误差为0.025 m，高程中误差为0.047 m，其中最大高程误差为0.142 0 m，最小高程误差为0.001 m。由此可知，试验2模型精度优于试验1，模型成果满足1∶500地籍测图精度要求。
内业处理采用北京山维科技EPS测图软件，该软件可集成真三维与真正射环境，通过二三维联动采编实现保护区岸线识别和提取(如图 5所示)。同时，输出成果能与南方CASS和ArcGIS等软件相结合处理，操作界面友好便捷。对于部分树冠遮挡区通过外业调绘补测完善。
依据行业标准规范检查指标，采用人机交互检查方式，检查模型完整性及场景协调性[15]。首次飞行所获取模型效果不佳，岸边部分房屋和船只存在变形，树木具有少许粘连和拉花，江岸边及水面部分区域呈空洞和塌陷状态，水面呈高低起伏的波浪形状，质量未能达到要求。此类现象的发生是在摄影测量平台设计、航线规划、像控布设、风速、光照、测区立地环境等内外因素综合作用下形成的，经分析总结得出以下问题及模型优化决方法：(1) 由于测区属于内陆湿地和水域生态类保护区，受水域及风速影响，航向飞行初期加速阶段及旁向拐角时刻易造成地面倾斜角偏大，飞行器不平行于水平地面，致使航线边缘和拐角处照片具有偏移、模糊等现象。通常此类照片无法参与模型构建，导致照片丢失。因此，为了最大限度规避影响因素，确保模型精度，本文在模型测图范围基础上以飞行航高为距离创建缓冲区，作为实际飞行范围，航线边缘及拐角处照片将不参与模型构建。(2) 由于测区岸边多为低矮平房和植被，通过降低飞行航高、增加旁向重叠率等更加精细化的处理方式，可有效减少建筑物和局部地区异常等现象，使模型更加形象、逼真。(3) 对于水面而言，因缺少同名特征点或同名特征点较少，建模时难以实现精确匹配，导致输出水面凹凸不平且存在大量空洞。通过添加水面约束的方式对水域进行平面化处理，实现水面破洞修复。
本文通过无人机倾斜摄影测量技术首次实施北江特种珍稀鱼类自然保护区勘界工作。试验表明，该方法具有较好的适用性及实用性，能满足划定保护地边界的勘查及定期测量。其自动化程度高，大大减少了外业工作量；成果精度高，模型效果好，可针对特殊区域施行重点监测，弥补了航空、航天遥感的平面观测缺陷和现场监测技术的不足。实景三维模型、DOM和DSM等地理信息数据的获取，推动了自然保护地勘界立标工作的信息化发展，为自然保护地整合优化工作提供了现势性好和准确的基础数据，应用前景十分广阔，易于推广。无人机倾斜摄影测量是否适用于湿地、森林等高植被覆盖的自然公园勘界有待进一步研究。此外，如何高效获取更直观的三维展示成果、提高无人机续航力及减少数据冗余等问题仍是今后探索的趋势。作者简介: 周阳阳(1990-), 女, 硕士, 助理工程师, 主要研究方向为GIS设计与环境遥感监测。E-mail: zhouyangyanger@163.com周阳阳1,2,3,4, 徐尚昭1,3,4, 陈斌1,3,4, 张青峰2
1. 核工业290研究所, 广东 韶关 512026;
2. 西北农林科技大学资源环境学院, 陕西 杨凌 712100;
3. 广东省环境保护核辐射追踪研究重点实验室, 广东 韶关 512026;
4. 广东省放射性生态环境保护工程技术研究中心, 广东 韶关 512026基金项目：中核集团核工业二九〇研究所科研创新项目（202004）；国家留学基金委资助项目（201906300098）
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