论文 | 有人机+无人机测绘航空摄影与摄影测量获取多源数据方法
摘要
本文结合我公司承担的×市B区农村土地承包经营权确权项目,阐述了应用测绘航空摄影、摄影测量与遥感技术制作农村土地承包经营权确权基础地理信息工作图的方法。文中重点对像控测量、内业空三加密、DEM、DOM制作等环节进行了扼要说明。实践证明，在土地确权工作中，在满足成果数据、地图使用精度的前提条件下，应用测绘航空摄影测量、摄影测量与遥感技术，在外业数据采集中，使用有人机与无人机相结合的外业测绘航空摄影数据采集方式，在中国西部大范围、大面积，多种复杂地形、地貌环境下快速地完成地理信息数据采集，进行内业多源数据编辑、处理及成图，对缩短成图周期，降低生产成本，提高确权工效是十分有效和可行的。
关键词：有人机；无人机；测绘航空摄影；摄影测量；多源数据
在农村土地承包经营权确权项目中，内外业一体化数字化测绘成图、平板仪测量成图、GPS RTK测量成图、航天航空影像扫描处理成图、纸质地图经过扫描、纠偏、校准后数字化（矢量化）成图等方法各自具有其优点。即使是几种方法组合运用，对于在大范围、大面积，多种复杂地形、地貌环境下快速完成外业数据采集，内业多源数据编辑、处理及成图均存在着局限性。农村土地承包经营权确权登记工作，事关农民切身利益和社会稳定大局，而测绘航空摄影技术方法可以快速采集、获取精度高、时效强的大比例尺地理信息工作底图数据，用于农村土地经营承包权外业调查工作中。
本文以农村土地承包经营权确权工作为案例背景，阐述使用有人机与无人机相结合的地理信息数据采集方法，应用测绘航空摄影、摄影测量与遥感技术快速完成外业数据采集，内业多源数据编辑、处理及成图，制作农村土地承包经营权确权所需基础地理信息工作图的方法。该方法在我公司土地确权工作中的广泛应用，产生了较好的社会效益和经济效益，有力地推动了土地确权工作的顺利开展。
资料收集
1.1市、县各级政府关于承包土地确权的政策文件、要求等。用于了解总体政策要求；
1.2招标单位提供的测区范围及行政区划矢量数据底图。在国土部门收集二调数据库、全县区划图，所有权确权划分的地籍区，地籍子区以及组界分布图。全县的县界用于项目区航空摄影范围的依据,行政界线用于制作乡(镇)、村、村民小组工作底图；
1.3比例尺1：10000地形图，全测区30m精度的SRTM高程数据。用于航空摄影航线设计、后期内业制作正射影像图DOM参考；
1.4历年的、近期的、未来一周至半个月的气象资料，用于分析最佳的航空摄影时间段，安排像控测量的工作计划；
1.5测区内的国家C级GPS点、测区内的国家I、II等水准点等，可用于IMU/GPS辅助航空摄影和像片控制测量；
1.6航空摄影相关规范、法律、法规文件及地方相关资料。
二
资源准备
外业数据采集设备保障：对有人驾驶飞机、无人飞机、航摄仪器、IMU/GPS辅助惯性导航系统、测量仪器等设备进行检定；车辆保障：汽车（含加油卡）为越野车辆；测量仪器保障：GPS RTK仪器、全站仪；内业设备：服务器、台式机、3D立体眼镜、手轮、脚盘、储存器、移动硬盘等。
项目共投入人员53人。其中,项目管理人员3人、航飞作业10人、控测15人、内业摄影测量与遥感数据处理20人、后勤保障5人。
三
技术目的
随着国家经济建设的迅速发展，虽然，目前在我国诸多领域都已拥有了大量的卫星遥感影像和传统航空摄影数据，但对局部地区急需的实时性、机动性、高分辨率遥感数据的需求量，也在明显呈现为增加趋势。相对于传统的以卫星、有人驾驶的大飞机为搭载平台的遥感数据和影像资料获取大范围的地理信息而言，低空无人机航摄遥感具有机动性、灵活性、安全性，低空作业，获取高分辨率影像，成本低，耗费低的显著特征。同时，无人机航测对操控员的培养周期相对较短，系统的保养和维修简便，无需专用机场起降，是当前将摄影与测量集为一体的航摄方法，可实现测绘单位按需开展航摄飞行作业的理想生产模式，特别是在小区域测绘和应急数据获取等方面具有独到的优势，使得低空无人机逐步成为小范围、高精度、实时、快速测量的重要平台，是传统卫星遥感与普通航空摄影测量不可缺少的补充，可为大比例尺4D(DOM、DEM、DLG、DRG)数字产品生产、尤其是局域重点地区数字正射影像图DOM制作、高精度DEM格网和DLG产品提供高分辨率清晰影像数据源。本例中，因地制宜使用“有人机+无人机”模式进行测绘航空摄影与摄影测量获取多源数据的方法，其根本技术目的就在于：结合二者的优势，完成复杂地区测绘航空摄影及摄影测量与遥感工作任务。
四
案例枚举
数学基础：比例尺为1：1000，分辨率为0.1m，坐标系统为国家2000坐标系，投影分带采用高斯-克吕格投影，3度分带，高程系统采用1985国家高程基准。
B区幅员面积2586km2，东西跨度约100km，南北跨度约74km。B区以X山山脉和南北向X山支脉为骨架，与沟谷盆地等自然组合形成形态各异的地貌。西北高而东南低，最低点位于X镇落炉，海拔为489m，最高点位于X镇的X山，海拔为1849m。地势高差大，森林覆盖较密，GNSS信号较弱，开展外业像控测量时，精度难保障；加上Z地区无GNSS CORS网络，像控工期难保障。B区属亚热带季风气候区，年均气温14.7℃，终年温凉湿润，冬无严寒，夏无酷暑，气候宜人，年均降水量1200mm，年均日照1146.9h（47.8天），无霜期270天。年平均相对湿度在82%左右，年平均蒸发量1150mm。每年3月、4月、5月属于雨季，适合航飞天气太少。根据工程合同要求，航摄时间阶段设计选择在3～5月。
项目对飞行平台的要求为：采用有人机航摄和无人机航摄。为此，我公司安排Cessna（塞斯纳）208机搭配DMC162相机和大白II无人机搭载Canon 5D相机、Sonyα7R相机、NIKON D800相机执行航摄任务。外业航摄人员根据摄区的天气情况，及时向民航空管部门上报飞行计划。有人机、无人机划分区域分开航摄。投入有飞机、无人机在天气较好时段同步作业，有人驾驶大飞机2架高空飞、无人机3架低空飞、云下飞。
图1 B区航飞分区图。
图2 B区有人机、无人机航摄区域图。
根据划分航摄分区应遵循的原则，结合测区综合因素及拟采用设备的自身特点，为了及时完成外业数据采集，根据项目区地形、将整个测区划分为18个分区。本测区共计558条航线，隔10条基线跨度，隔航线布设1个平高像控点，最大不得超过12条基线跨度，2586km2正射影像图测区布设像控点2752个。
刺点的精度和要求、对刺点目标的要求及略图、说明按 《1：500 1：1000 1：2000 地形图航空摄影测量外业规范》（GB/T 7931-2008）执行；像控点联测采用GPS RTK动态测量技术，对采用RTK测量技术进行的像控点的平面和高程做了抽样检验，检验结果证明，平面坐标中误差和高程中误差均达到像控点测量的精度要求，完全满足了航空测量内业的加密需要；采用INPHO软件进行全数字空三加密，将外业控制点成果数据导入系统，得到影像外方位元素和加密点大地坐标成果，之后利用检查点对平差结果进行检验。
应用空三加密成果恢复立体模型，在立体上采集特征点线。使用特征点、线在MapMatrix软件中进行匹配，根据立体影像进行DEM编辑，用MapMatrix生成DEM。DEM的格网间距采用2.5m×2.5m，格网点高程以米为单位，中误差不大于±0.7m，接边精度为：同名格网点上的高程较差不超过2倍格网点高程中误差。
DEM按1：1000图幅范围分幅进行裁切, 格式为Geotif，并带有.TFW坐标文件。将DTM数据转换为.GRD数据格式，并与DOM叠加，上机目视检查等高线是否有突变情况。特别是在测区面积较大需要区域之间接边时，需要检查影像是否存在变形错位等问题。
DOM是根据单张航片的内、外方位元素和DEM，采用微分纠正软件对各个模型的数字化航空像片进行影像重采样，纠正影像因地面起伏、飞机倾斜等因素引起的失真，把中心投影转换为垂直投影，从而得到单张像片的正射影像。单片正射影像经调色、匀光、镶嵌、裁切、检查、编辑等步骤，生成1:1000标准分幅的DOM。
按质量控制的实施办法，实行二级质量检查制度，即摄影员自查、航摄部设立的专职检查人员的过程检查、公司质检部门的最终检查。过程检查和最终检查按《数字测绘成果质量检查与验收》（GB/T 18316-2008）、《测绘成果质量检查与验收》（GB/T 24356-2009）执行。高程精度检测、平面位置精度检测及相对位置精度检测，检测点（边）分布均匀、位置明显，检测点（边）数量视地物复杂程度等具体情况确定。
项目完成后，按照航飞、像控、正射影像成果整理好数据、合同、技术设计书、总结，确认无误后备份所有数据，提交省级质检站进行检查。项目成果经质量检查，影像平面中误差=±0.141m（限差：±0.600m），粗差0%（限差：5%），影像成果粗差未超限，精度合格。该项目通过X省测绘产品质量监督检验站检验，其结果为良，此项目在2017年获得了中国地理信息产业协会优秀工程银奖。
结束语
本项目严格按照ISO 9001-2008《质量管理体系要求》、公司《质量手册》《质量体系程序文件》《作业指导书》进行质量控制作业，成果的产品进行了二级检查一级验收，各项精度符合设计要求，作业过程严格按照设计书执行，使用软件、设备可靠，检查结果真实可信，通过省级测绘产品质量监督检验站的质量检查与验收。项目为×市B区农村土地承包经营权确权登记工作提供了精确的、现势性高的高分辨率的地理信息数据及工作图，缩短了成图周期，降低了生产成本，加快了土地承包经营权确权登记工作的进度，保障了B区确权工作的按质、按期实施。同时，本项目也为应用无人机在山地、高山地等航摄困难地区，如何高效的进行大比例尺测绘地理信息数据的采集，提供了宝贵的生产作业经验。
作者：张 雄 谢天会
空间信息产业发展股份有限公司
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