（廈門海滄市政建設管理中心 福建廈門 361026）

1 引言

黨的十八大提出建設美麗中國的方針，美麗鄉(xiāng)村建設是生態(tài)文明建設的重要組成部分，是建設美麗中國的重要組成部分。在加快新農村建設步伐之中，農村土地信息調查和規(guī)劃設計起著至關重要的作用。在新農村規(guī)劃建設過程中，數(shù)字測繪產品如數(shù)字正射影像、數(shù)字線劃圖等作為基礎的數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)依據(jù)，是土地信息調查和規(guī)劃設計中的不可或缺的組成部分。

傳統(tǒng)地信息調查和規(guī)劃設計中，采用高空攝影測量或衛(wèi)星遙感的測量手段以獲取大范圍影像數(shù)據(jù)，但具有成本高、分辨率低等缺點。為獲取大比例尺，如比例尺為1:5000、1:2000的地形圖時，往往采用傳統(tǒng)的工程測量的方式進行，但工程測量獲取測繪成果的方式制作周期長、自動化程度低、成本高，具有一定的局限性。無人機是一種靈活機動的數(shù)據(jù)采集平臺，采用無人機進行低空攝影測量獲取快速可靠的測量成果已廣泛應用于農村規(guī)劃和建設∶文獻[1]中利用無人機遙感信息提取進行用地類型現(xiàn)狀提取用于新農村規(guī)劃；文獻[2]中利用無人機遙感系統(tǒng)進行土地復墾；文獻[3]則針對無人機所采集的數(shù)據(jù)進行農村宅基地半自動提取。

筆者以廈門市海滄區(qū)東孚鎮(zhèn)美麗鄉(xiāng)村項目為應用案例，介紹無人機航測數(shù)據(jù)采集方法和數(shù)據(jù)處理手段，對所獲取的數(shù)據(jù)成果進行精度評定，分析無人機航測系統(tǒng)的特點和優(yōu)勢，對其應用前景進行展望。

2 無人機低空航測系統(tǒng)組成、特點

近年來，無人機（UAV，Unmmanned Aerial Vehicles）技術得到了長足發(fā)展，基于無人機飛行平臺的低空攝影測量技術已顯示其獨特優(yōu)勢。無人機低空航測系統(tǒng)以無人機為飛行平臺，搭載非量測數(shù)碼相機，并集成相應的飛行控制系統(tǒng)，由地面控制系統(tǒng)實現(xiàn)航跡規(guī)劃，實現(xiàn)自動化精的確獲取地面影像數(shù)據(jù)。

相較于傳統(tǒng)航空攝影測量，無人機低空攝影測量具有如下獨特優(yōu)勢∶購置和維護成本極低；隨著國家政策對低空空域的逐漸開放，無人機的審批流程和作業(yè)方式更加機動靈活；受天氣影響??；能快速獲取大比例尺的高精度精細影像，制作周期短[2]。因此，它彌補了傳統(tǒng)航測和工程測量的不足，是獲取大比例尺地形圖技術手段的一種有力補充。

但與此同時，由于無人機所搭載的相機為非量測相機，成像具有較大的畸變差；飛行姿態(tài)容易受風力影響，導致其旋偏角過大，匹配難度高、效率低；無人機所采集的數(shù)據(jù)重疊度高，影像數(shù)據(jù)量大等這些特點，使得無人機影像數(shù)據(jù)處理具有一定難度。

3 無人機數(shù)據(jù)處理流程

采用意大利Menci 公司的APS 數(shù)據(jù)處理軟件，可以處理帶有GPS的無人機數(shù)據(jù)影像，并可用于制作DTM、等高線、正射鑲嵌影像等。其處理流程如下圖1所示。

圖1 無人機低空攝影測量數(shù)據(jù)處理流程圖

具體處理步驟如下∶

1）相機內定向和畸變糾正。由于無人機所搭載的相機為非量測相機，在成像時會存在較大的畸變差，必須對影像進行畸變差改正，主要是光學畸變差改正。進行光學畸變差改正的前提是需要獲取相應的相機參數(shù)，基于計算機視角的方法，采集區(qū)域內的影像樣張，進行相機標定，即相機內定向，從而最終得到經過相機畸變糾正后的影像。

2）影像匹配。無人機具有易受風力影響，旋偏角大，飛行姿態(tài)不穩(wěn)定等特點，采用傳統(tǒng)的基于像素匹配的算法很難得到穩(wěn)定可靠的匹配點。APS 采用具有旋轉尺度不變性的匹配算子，并能采用基于多線程的GPU 加速算法[4]，快速獲取得到具有魯棒性的密集匹配點。

3）加入相控點的空中三角測量。基于無人機所采集的GPS 數(shù)據(jù)，以及影像匹配所得到的密集匹配點，采用光束法區(qū)域網(wǎng)平差算法，解算出相機曝光時刻的飛行位置和姿態(tài)。并引入實際相控點位置進行聯(lián)合平差，將測量成果轉換為地方坐標。

4）DEM 生成。通過空三算解算獲取得到無人機的飛行姿態(tài)和位置信息，以及密集匹配得到的特征點，獲取到大量的地面加密點坐標信息。采用相應的坐標內插方法和濾波算法得到相應的DEM數(shù)據(jù)。并將DEM 采用人工交互的方式對其進行編輯，修改不滿足空間幾何拓撲關系的地物，最終基于修改后的DEM 成果。

5）正射影像糾正和鑲嵌。對生成的DEM 進行正射影像糾正，基于拼接線避開房屋斷裂區(qū)域和光照不均勻陰影區(qū)域對正射影像鑲嵌，并進行色調調整和勻光處理，使得到的正射影像色調一致，成像均勻。

6）其他測繪產品生成。在完成空三解算后，將畸變糾正后的影像和空三數(shù)據(jù)導入到適普的立體測圖環(huán)境中，在立體環(huán)境下進行測圖，得到相應的數(shù)字線劃圖。并生成等高線和高程點。

4 應用案例

筆者這次無人機數(shù)據(jù)采集，采用的Ebee 無人機是由瑞士傳感器制造商SenseFly 生產的一款輕型無人機，它采用模塊化設計，有可拆卸機翼，方便攜帶和運輸。飛機采用彈性泡沫制作而成，靜重0.63kg，翼展96cm，巡航速度36-57km/h，續(xù)航時間45min。飛機采用手動拋射起飛、機腹滑降模式，爬升、飛行攝影和降落過程都按照地面控制系統(tǒng)的飛控軟件Emotion2 事先規(guī)劃的路線進行自主完成，易于操控，不需要配備專門的飛行操控手。該飛機搭載了一臺像素為1600萬像素的相機的卡片相機，地面分辨率可捕獲3-30厘米地面分辨率的相片。

測區(qū)隸屬于福建省廈門市海滄區(qū)東孚鎮(zhèn)，寨后村、過坂村、洪塘村、山邊村，測區(qū)以居民地為主，人口較密集，地貌以平地為主。以過坂村楊厝、后坑社作為具體案例進行分析，共獲取了約0.97 平方公里的影像數(shù)據(jù)。航攝當天，風力四級左右，光照條件良好。航高約200米，影像分辨率達到0.1m，航攝過程中的航向重疊度為為70%，旁向重疊度60%。下圖2所示為航攝飛行所獲取的樣張數(shù)據(jù)，從該相片可以看出，影像成像清晰，反差適中，色調柔和，相點位移小，符合內業(yè)數(shù)據(jù)處理要求[5]。

圖2 低空攝影測量數(shù)據(jù)采集獲取影像樣張

基于區(qū)域網(wǎng)空中三角攝影測量相控點布設方法在區(qū)域網(wǎng)周邊進行布設相控點。為保證相控點選點要求，采用塑料標靶布設相控點，標靶放置于位置開闊、不被陰影遮蔽的平地上。采用網(wǎng)絡RTK測量方法進行測量，并與基站進行聯(lián)測，獲取其對應的WGS84坐標和西安80坐標。

基于所獲取的無人機遙感影像和相控點測量成果采用本文所述的數(shù)據(jù)處理方法，得到相應的數(shù)字正射影像、數(shù)字線劃圖。如下圖3所示，分別為生成的正射影像概略圖、以相應細節(jié)的放大圖、數(shù)字線劃圖。

圖3 無人機低空攝影測量應用實例測繪成果。左圖：數(shù)字正射影像概略圖；右圖上：正射影像細節(jié)圖；右圖下：細節(jié)部位數(shù)字線劃圖成果

5 結果分析

1）質量分析。從圖3中可以看出，正射影像的成像清晰，層次豐富，反差適中，色調柔和，沒有明顯的拼接線痕跡。能夠建立清晰的立體模型，并繪制出相應的數(shù)字線劃圖。

2）精度分析。根據(jù)成圖比例尺為1:2000的測量規(guī)范要求，基本定向點平面坐標殘差和地物點平面位置中誤差不應大于下表1的規(guī)定。

表1 成圖比例尺為1:2000 數(shù)字正射影像基本定向點殘差和平面位置中誤差

在本測區(qū)均勻布設了8個相控點，控制點的平面位置中誤差如下表2所示。

從表2結果可知，其測量精度完全符合相應的1:2000 數(shù)字正射影像圖和數(shù)字線劃圖規(guī)范要求[5]。

3）效率分析。采用無人機低空攝影測量，大大縮短了成圖制作周期。以院前村為例，外業(yè)航飛和相控點的布設時間只耗費了1個工日，內業(yè)數(shù)據(jù)處理和成圖總共只耗費了4個工日，相較于傳統(tǒng)的航空攝影測量和工程測量，大大提高了成圖效率。并且由于自動化程度高，極大程度上節(jié)省了人力物力。

表2 平面控制點誤差精度

6 結論

隨著新農村建設步伐的加快，農村土地信息調查和規(guī)劃設計起著至關重要的作用。為獲取得到相應的測繪成果，無人機低空攝影測量技術作為一種有效的技術手段，對于傳統(tǒng)航空攝影測量和工程測量而言，它具有如下明顯優(yōu)勢∶①作業(yè)效率高，所花費的成本低、自動化程度高；②由于體積小方便攜帶、受空域限制小，受氣候和季節(jié)影響小，作業(yè)方式更加靈活機動；③內業(yè)數(shù)據(jù)處理成果精度高、制作周期短，數(shù)據(jù)成果直觀、準確。

綜上所述，采用無人機航測系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理，能為大比例尺土地信息調查提供測繪數(shù)據(jù)的輸入，同時滿足土地規(guī)劃設計的需求，從而為我國現(xiàn)階段新農村建設提供快速的測繪數(shù)據(jù)更新成果，為農村土地資源的合理規(guī)劃利用和管理提供一種可靠的數(shù)據(jù)采集手段和數(shù)據(jù)支持。

[1]徐麗華.基于無人機航拍遙感影像的新農村規(guī)劃研究[J].上海農業(yè)學報，2010(3).

[2]吳正鵬.無人機低空遙感系統(tǒng)在土地復墾中的應用[J].城市勘測，2013（12）:82～88.

[3]張栩然.顧及紋理和形狀特征的無人機影像中農村宅基地提取研究[J].遙感信息，2013(4).

[4]John D Owens，David Luebke，Naga Govindaraju，et al.A Survey ofGeneral-Purpose Computation on Graphics Hardware[J].Computer Graphics.2007.

[5]CH/Z 3003—2010.低空數(shù)字攝影測量內業(yè)規(guī)范[S].