楊瑜 馬家駒

（浙江有色勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司 浙江紹興 312000）

1 引言

城市土地利用情況處于不斷變化的狀態(tài)，為了準(zhǔn)確掌握城市土地利用的變化情況，必須做好動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)[1]。無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是近年來(lái)新興的一門低空攝影航測(cè)技術(shù)，在土地利用和城市規(guī)劃方面扮演著越來(lái)越重要的角色。相比傳統(tǒng)的土地利用監(jiān)測(cè)方法，無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)具有效率高、成本低、受區(qū)域限制小等諸多優(yōu)勢(shì)，能夠顯著提高城市土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的精度和效率，對(duì)于決策者科學(xué)指導(dǎo)城市的規(guī)劃與建設(shè)具有重要意義[2]。

Cai G 等[5]提出Perspective-SIFT 算法，進(jìn)一步提升了影像匹配的效率和精度，促進(jìn)了無(wú)人機(jī)技術(shù)在動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用。文雄飛等[4]提出利用無(wú)人機(jī)技術(shù)作為衛(wèi)星影像的有效補(bǔ)充，對(duì)三峽庫(kù)區(qū)水土保持動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)進(jìn)行了探討分析。趙燕伶等[5]提出了一種利用無(wú)人機(jī)遙感進(jìn)行土地違法監(jiān)測(cè)的思路和方法，通過(guò)飛行驗(yàn)證了圖斑識(shí)別的正確率為81.8%。但是，由于城市土地利用變化頻繁，數(shù)據(jù)量較大，如何有效提升監(jiān)測(cè)效率和精度，減少人為干預(yù)，就成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)。

本文基于前人研究理論和經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)建基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的城市土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法，以期能為無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在城市土地動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的進(jìn)一步運(yùn)用提供借鑒。

2 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)

傳統(tǒng)城市土地動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作流程一般為獲取數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)預(yù)處理（制作數(shù)字正射影像圖（Digital Orthophoto Map，簡(jiǎn)稱DOM）和規(guī)劃資料圖件）、制作專題圖、變化信息提取、實(shí)地核查、后期處理和數(shù)據(jù)入庫(kù)。從工作流程來(lái)講，傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法存在如下幾個(gè)問(wèn)題：

（1）監(jiān)測(cè)過(guò)程需大量的人工干預(yù)，依賴于監(jiān)管人員對(duì)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范等的熟練程度。

（2）數(shù)據(jù)處理精度和效率受正射影像、專題圖件以及遙感算法選擇的影響較大。

（3）存在人工賦值屬性環(huán)節(jié)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)性與可靠性難以得到保證。

針對(duì)傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法的不足，提出基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的城市土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法。無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)借助于無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)，搭載特定的遙感傳感器和航拍設(shè)備來(lái)獲取特定的數(shù)據(jù)信息，具有快速的反應(yīng)能力、突出的時(shí)效性和性價(jià)比、監(jiān)控區(qū)域受限制小以及數(shù)據(jù)快速獲取和處理與建模能力等多重優(yōu)勢(shì)，能夠顯著提高城市土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的精度和效率。無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)由飛行控制系統(tǒng)、地面站系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)與GPS 自主導(dǎo)航系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（傾斜相機(jī)）以及傾斜影像處理系統(tǒng)組成?；跓o(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的城市土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法可分為以下流程（見(jiàn)圖1）：

圖1 技術(shù)流程

（1）航攝前的準(zhǔn)備工作。

（2）數(shù)據(jù)采集與處理，包括影像快拼、像控點(diǎn)的布設(shè)、空三加密。

（3）DSM 提取，包括傾斜影像預(yù)處理、影像匹配以及DSM 生成。

（4）基于DSM 的變化信息提取，包括變化信息提取和冗余變化點(diǎn)剔除。

3 數(shù)據(jù)采集與處理

研究試驗(yàn)區(qū)位于浙江紹興某城區(qū)部分區(qū)域，數(shù)據(jù)采集共進(jìn)行兩次，第一次為2018 年10 月，第二次為2019 年10 月，時(shí)間間隔一年，分別對(duì)同一區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集時(shí)采用DM-610G 六旋翼電動(dòng)無(wú)人機(jī)，其續(xù)航時(shí)間為3h，翼展為2.25m，有效載荷為5kg，傾斜相機(jī)采用紅鵬AP5600 型5 鏡頭多視角相機(jī)，鏡頭焦距值為20mm，像素大于1×108(px)，相機(jī)鏡頭的傾角為45°。

數(shù)據(jù)采集完后，首先利用Pix4Dmapper 軟件進(jìn)行影像快拼，在快拼結(jié)果基礎(chǔ)上，選擇航攝區(qū)內(nèi)易于識(shí)別和定位且位置相對(duì)固定的點(diǎn)作為像控點(diǎn)，一般選取建筑物上的點(diǎn)或者圖案標(biāo)志清晰的拐點(diǎn)棱角作為像控點(diǎn)，通過(guò)野外像控點(diǎn)，進(jìn)行未知點(diǎn)坐標(biāo)高程的分析計(jì)算，然后求解全圖像的外方位元素（即進(jìn)行空三加密）。

4 DSM 生成

利用傾斜影像生成DSM 的技術(shù)流程見(jiàn)圖2。通過(guò)空三加密處理的影像，還不能直接進(jìn)行DSM 的生成，這主要是因?yàn)閮A斜相機(jī)獨(dú)特的構(gòu)造，使得在航攝過(guò)程中會(huì)造成影像不同程度的噪聲和畸變，這會(huì)大大降低航片匹配過(guò)程中的匹配精度，故首先需要對(duì)其進(jìn)行去噪、增強(qiáng)和畸變糾正處理。影像去噪處理采用非線性雙邊濾波法，經(jīng)去噪處理后，再對(duì)影像進(jìn)行增強(qiáng)處理以提高影像的顯示質(zhì)量，影像增強(qiáng)采用Wallis 濾波器，然后再利用10 參數(shù)模型作為相機(jī)畸變糾正模型對(duì)航片進(jìn)行畸變糾正。

圖2 DSM 生成技術(shù)流程

經(jīng)去噪、增強(qiáng)和糾正過(guò)后的影像，需進(jìn)行影像分塊匹配，本文主要采用SIFT 算法對(duì)航攝影像進(jìn)行匹配，其具體過(guò)程為：

（1）進(jìn)行高斯差（Difference of Gaussians，DOG）尺度的空間構(gòu)建。

（2）極值點(diǎn)檢測(cè)。

（3）確定關(guān)鍵點(diǎn)主方向。

（4）根據(jù)特征向量匹配照片，匹配策略為：首先對(duì)影像公共區(qū)域部分進(jìn)行分塊處理，其次對(duì)同名影像進(jìn)行匹配，最后再對(duì)所有的影像進(jìn)行融合處理。

由于傾斜攝影過(guò)程中產(chǎn)生的誤差以及影像處理過(guò)程中產(chǎn)生的誤差，會(huì)導(dǎo)致影像精度不佳，故通過(guò)影像匹配處理過(guò)后，還需要對(duì)影像進(jìn)行光束法區(qū)域平差，最終生成兩個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的DSM 見(jiàn)圖3。生成DSM 后，在試驗(yàn)區(qū)選取一個(gè)區(qū)域，布設(shè)10 個(gè)外業(yè)檢查點(diǎn)，然后對(duì)DSM 精度進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果見(jiàn)表1。從表中可以看到：經(jīng)影像預(yù)處理、影像匹配和區(qū)域網(wǎng)平差過(guò)后，一期DSM 的平面最大誤差為0.093m，中誤差為0.0638m，高程最大誤差為0.736m，中誤差為0.328m；二期DSM 的平面最大誤差為0.089m，中誤差為0.0598m，高程最大誤差為0.367m，中誤差為0.21m，誤差精度均滿足對(duì)變化信息的提取要求。

圖3 DSM 生成結(jié)果

表1 DSM 精度評(píng)價(jià)

5 變化信息提取

基于兩期DSM 數(shù)據(jù)，可以對(duì)城市土地變化信息進(jìn)行提取，城市土地的利用主要反映在不同時(shí)期高程的變化，因而，對(duì)兩個(gè)不同時(shí)間段同一位置點(diǎn)的DSM 高程數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取。讀取過(guò)程中為了避免兩期選取的坐標(biāo)位置不是同一精確位置，從而影響讀取數(shù)據(jù)的精度。因此，選擇讀取點(diǎn)和周圍8 個(gè)點(diǎn)的高程值的平均值作為讀取點(diǎn)的高程值，得到兩個(gè)時(shí)間段的高程h1和h2，然后利用兩個(gè)時(shí)間段的高程值之差來(lái)判斷實(shí)地是否發(fā)生土地利用變化，當(dāng)差值超過(guò)閾值α（本文選3.5m）時(shí)，視為發(fā)生變化，當(dāng)差值低于閾值α 時(shí)，視為未發(fā)生變化。高程值解算示意見(jiàn)圖4。

圖4 高程值解算示意

若對(duì)整個(gè)DSM 影響圖的像元進(jìn)行一一對(duì)應(yīng)提取，由于數(shù)據(jù)量太大，不僅會(huì)耗費(fèi)大量的人力物力，還會(huì)造成同一變化提取出多個(gè)變化點(diǎn)。因此，在數(shù)據(jù)讀取過(guò)程中需要對(duì)檢索單元進(jìn)行放大。選擇3.5m 作為高差閾值，并在一個(gè)較小區(qū)域內(nèi)進(jìn)行6m×6m、12m×12m 和15m×15m 三種不同網(wǎng)格檢索單元的提取結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖5。從圖中可以看到：在6m×6m 網(wǎng)格檢索單元下，提取到了15 個(gè)信息點(diǎn)，在12m×12m 網(wǎng)格檢索單元下，共提取到了5 個(gè)信息點(diǎn)，在15m×15m 網(wǎng)格檢索單元下，僅保留了1 個(gè)提取點(diǎn)，因此，從滿足變化提取的要求上來(lái)講，12m×12m 網(wǎng)格檢索單元不僅減少了計(jì)算工作量，而且在X 和Y 兩個(gè)平面上均至少保留了一個(gè)提取點(diǎn)。綜合各項(xiàng)因素，本文選取12m×12m 網(wǎng)格檢索單元進(jìn)行變化信息的提取分析。

圖5 不同網(wǎng)格檢索單元提取結(jié)果

采用12×12m 網(wǎng)格檢索單元提取得到的變化結(jié)果見(jiàn)圖6。從圖6（a）中可以看到：由于各種因素的影響，會(huì)造成提取的變化點(diǎn)數(shù)據(jù)依然存在冗余情況，同時(shí)，檢索網(wǎng)格單元的選取也會(huì)造成同一位置出現(xiàn)多個(gè)提取點(diǎn)的情況發(fā)生。因此，在變化信息提取結(jié)果基礎(chǔ)上，還需要對(duì)冗余點(diǎn)進(jìn)行剔除，剔除思路為：以當(dāng)前提取點(diǎn)為圓心，將指定半徑范圍內(nèi)存在的其他提取點(diǎn)進(jìn)行剔除，最終得到的信息變化提取結(jié)果見(jiàn)圖6（b），從圖中可以觀察到，經(jīng)精簡(jiǎn)過(guò)后的變化信息提取點(diǎn)較精簡(jiǎn)前有大幅度減少，能夠避免對(duì)同一區(qū)域變化的重復(fù)檢測(cè)，可大大提升工作效率。

圖6 變化信息提取結(jié)果

對(duì)變化信息提取結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確度分析，結(jié)果見(jiàn)表2。整個(gè)實(shí)驗(yàn)研究區(qū)共提取到170 個(gè)變化信息點(diǎn)，其中，正確提取點(diǎn)個(gè)數(shù)為150 個(gè)，誤提取點(diǎn)20 個(gè)，漏提取點(diǎn)11 個(gè)，準(zhǔn)確率為82.9%，表明基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的城市土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)分析效果良好，可在工程實(shí)踐中予以合理使用。造成誤提取的主要原因在于植物遮擋、水體反射、特殊建筑物干擾或者數(shù)據(jù)算法存在一定的漏洞，造成漏提取的主要原因在于DSM 影像經(jīng)特殊處理后仍存在部分誤差，檢索網(wǎng)格以及高差閾值的選取對(duì)信息的提取也存在一定影像，因而會(huì)造成漏提取現(xiàn)象，這將在今后做進(jìn)一步探討和研究。

表2 變化信息提取精度分析結(jié)果

6 結(jié)論

基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，構(gòu)建城市土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)基本流程，從數(shù)據(jù)采集與處理、DSM 生成以及變化信息提取三個(gè)方面闡述了技術(shù)要點(diǎn)，得出如下結(jié)論：

（1）傾斜影像數(shù)據(jù)需要經(jīng)過(guò)去噪、增強(qiáng)和糾正，分塊匹配，區(qū)域網(wǎng)平差等減少誤差的處理措施后，才能夠滿足變化信息提取對(duì)數(shù)字地表模型的精度要求。

（2）在變化信息提取過(guò)程中，應(yīng)對(duì)高差閾值以及檢索網(wǎng)格進(jìn)行合理選取。既要保證監(jiān)測(cè)信息提取精度，又要減少數(shù)據(jù)分析量，確保工作效率。

（3）利用處理過(guò)后的DSM，選擇高差閾值為3.5m，網(wǎng)格檢索單元規(guī)格為12m×12m，可使動(dòng)態(tài)變化信息提取準(zhǔn)確度達(dá)到82.9%。