吳正鵬,王琳,奚歌

(1.天津市測(cè)繪院,天津 300381； 2.國(guó)家海洋信息中心,天津 300171)

無(wú)人機(jī)低空遙感系統(tǒng)在土地復(fù)墾中的應(yīng)用

吳正鵬1?,王琳1,奚歌2

(1.天津市測(cè)繪院,天津 300381； 2.國(guó)家海洋信息中心,天津 300171)

簡(jiǎn)單介紹無(wú)人機(jī)低空遙感系統(tǒng)組成、特點(diǎn)及數(shù)據(jù)處理流程；以天津市示范小城鎮(zhèn)建設(shè)項(xiàng)目為背景，依據(jù)土地復(fù)墾工作要求，建議使用無(wú)人機(jī)低空遙感系統(tǒng)獲取遙感影像資料；結(jié)合津南區(qū)葛沽鎮(zhèn)示范小城鎮(zhèn)建設(shè)土地復(fù)墾項(xiàng)目詳細(xì)論述其具體應(yīng)用；針對(duì)土地資源開(kāi)發(fā)、利用、保護(hù)現(xiàn)狀對(duì)其應(yīng)用前景進(jìn)行展望。

無(wú)人機(jī)；低空遙感；土地復(fù)墾；空中三角測(cè)量；DEM；DOM

1 引 言

1988年國(guó)務(wù)院頒布的《土地復(fù)墾規(guī)定》將土地復(fù)墾定義為“對(duì)在生產(chǎn)建設(shè)中因挖損、塌陷、壓占等造成破壞的土地,采取整治措施,使其恢復(fù)到可供利用狀態(tài)的活動(dòng)”。其廣義定義是指對(duì)被破壞或退化土地的再生利用及其生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的綜合性技術(shù)過(guò)程；狹義定義是專指對(duì)工礦業(yè)用地的再生利用和生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)。

為改善農(nóng)民生產(chǎn)、生活環(huán)境,促進(jìn)城鄉(xiāng)統(tǒng)籌發(fā)展,天津市啟動(dòng)了以宅基地?fù)Q房建設(shè)示范小城鎮(zhèn)工作,并出臺(tái)了相應(yīng)管理辦法。示范小城鎮(zhèn)建設(shè)旨在依據(jù)土地利用總體規(guī)劃,將擬復(fù)墾為耕地的農(nóng)村建設(shè)用地地塊(包括宅基地)和用于小城鎮(zhèn)建設(shè)的地塊共同組成建新拆舊項(xiàng)目區(qū),通過(guò)建新拆舊和土地復(fù)墾,最終實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目區(qū)內(nèi)建設(shè)用地的總量不增加,耕地面積不減少、質(zhì)量不降低,用地布局更加合理的目標(biāo)。管理辦法要求復(fù)墾土地檢查驗(yàn)收時(shí),區(qū)縣應(yīng)提供項(xiàng)目區(qū)實(shí)施前后1∶10 000或更大比例尺的土地利用現(xiàn)狀圖和遙感影像資料。

2 無(wú)人機(jī)低空遙感系統(tǒng)組成、特點(diǎn)及數(shù)據(jù)處理流程

2.1 無(wú)人機(jī)低空遙感系統(tǒng)組成

無(wú)人機(jī)低空遙感系統(tǒng)以無(wú)人機(jī)為飛行平臺(tái),搭載高檔民用相機(jī),基于地面控制系統(tǒng)實(shí)施航跡規(guī)劃、監(jiān)控,借助飛行控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高分辨率遙感影像的自動(dòng)拍攝,從而快速獲取目標(biāo)區(qū)域基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)；是具備高智能化、高集約度,穩(wěn)定可靠,低空作業(yè)能力優(yōu)勢(shì)突出的航空攝影測(cè)量系統(tǒng)[1]。與常規(guī)航空攝影測(cè)量系統(tǒng)類似,其組成部分主要包括:飛行平臺(tái)、遙感傳感器、飛行控制、地面控制及遙感數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)。

2.2 無(wú)人機(jī)低空遙感系統(tǒng)特點(diǎn)

與衛(wèi)星遙感、載人航空遙感平臺(tái)相比,無(wú)人機(jī)低空遙感平臺(tái)具有以下幾個(gè)獨(dú)特的優(yōu)勢(shì):①平臺(tái)構(gòu)建容易、維護(hù)成本極低；②受天氣的影響較小,作業(yè)方式機(jī)動(dòng)靈活；③飛行高度低,能夠獲得大比例尺高精度影像,在局部信息獲取方面有巨大優(yōu)勢(shì)；④不受重訪周期限制,可在云下飛行,能有效避免云的影響,獲取高時(shí)間分辨率影像；⑤能夠獲取高重疊度的影像,增強(qiáng)了后續(xù)處理的可靠性；⑥受空域限制較小[2]。此外,無(wú)人機(jī)遙感平臺(tái)還具有便于攜帶,轉(zhuǎn)移方便等優(yōu)點(diǎn)。

2.3 無(wú)人機(jī)低空遙感系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程

與傳統(tǒng)航空攝影數(shù)據(jù)相比,無(wú)人機(jī)低空遙感數(shù)據(jù)具有以下幾個(gè)特點(diǎn):①由于采用了非量測(cè)數(shù)碼相機(jī),鏡頭畸變較傳統(tǒng)航攝儀大；②低空寬視角,因視點(diǎn)變化的原因,影像四周地物幾何變形大,特征匹配難度大,有效匹配率低；③低空、窄像幅且高重疊度,影像數(shù)據(jù)量大；[2]④無(wú)人機(jī)遙感平臺(tái)穩(wěn)定向較差,雖采取了積極防范措施,仍避免不了受高空風(fēng)力影響出現(xiàn)的大傾角、大旋偏角及由航跡偏離引起的航向重疊度、旁向重疊度不規(guī)則問(wèn)題。因此,無(wú)人機(jī)低空遙感影像數(shù)據(jù)處理手段較傳統(tǒng)航片在某些環(huán)節(jié)上算法有其特殊之處；總體來(lái)說(shuō),其數(shù)據(jù)處理流程與傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量基本一致,具體流程如圖1所示:

圖1 無(wú)人機(jī)低空遙感數(shù)據(jù)處理流程

3 土地復(fù)墾應(yīng)用案例

3.1 飛行情況簡(jiǎn)介

2011年9月下旬,采用天津市測(cè)繪院CK-GY04型無(wú)人機(jī)機(jī)載雙相機(jī)低空遙感系統(tǒng)對(duì)天津市津南區(qū)葛沽鎮(zhèn)示范小城鎮(zhèn)建設(shè)項(xiàng)目區(qū)內(nèi)土地復(fù)墾區(qū)域?qū)嵤┖娇諗z影,獲取了約4.0 km2的影像數(shù)據(jù)。航攝當(dāng)天,當(dāng)?shù)仫L(fēng)力4級(jí)左右,航高400 m,影像地面分辨率0.1 m,航片的航向重疊度70%、旁向重疊度40%；通過(guò)檢查雙相拼接影像(如圖2所示),認(rèn)為該系統(tǒng)所拍攝的影像在像片重疊、傾斜角、旋偏角及航線彎曲度、航高保持等方面均能滿足內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理要求。

圖2 雙像拼接示意圖

3.2 無(wú)人機(jī)低空遙感數(shù)據(jù)處理

由于無(wú)人機(jī)低空遙感系統(tǒng)獲取的影像數(shù)據(jù)存在像幅小、畸變大、數(shù)量多、基線短、重疊度不規(guī)則且傾角、旋偏角過(guò)大等問(wèn)題,該項(xiàng)目采用中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院研發(fā)的高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)一體化測(cè)圖系統(tǒng)Pixel Grid(該系統(tǒng)支持非量測(cè)相機(jī)的畸變差校正,能針對(duì)無(wú)人機(jī)影像重疊度不規(guī)范、像幅較小、相片數(shù)量多、傾角過(guò)大且傾斜方向沒(méi)有規(guī)律,攝區(qū)地形起伏大、高程變化顯著等特點(diǎn)快速拼接生成大范圍遙感影像圖,高效完成基于無(wú)人機(jī)遙感影像的測(cè)量和觀測(cè)任務(wù)[3])、ERDAS及Photoshop等軟件進(jìn)行后期遙感數(shù)據(jù)處理。其中:

區(qū)域網(wǎng)空中三角測(cè)量像控點(diǎn)布設(shè)方案采用周邊布點(diǎn)法；平差所需像控點(diǎn)及檢查點(diǎn)的平面與高程均采用網(wǎng)絡(luò)RTK測(cè)量方法,直接測(cè)量像控點(diǎn)WGS84坐標(biāo)并依據(jù)要求將WGS84大地坐標(biāo)換算至天津90地方坐標(biāo)系。具體參考如下要求:①衛(wèi)星高度角:≥15°；②有效觀測(cè)衛(wèi)星數(shù):≥5；③數(shù)據(jù)采樣時(shí)間:3 min；④點(diǎn)位幾何圖形強(qiáng)度(PDOP值)≤6。

空中三角測(cè)量是無(wú)人機(jī)低空遙感影像數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵,也是整個(gè)處理流程中的難點(diǎn)問(wèn)題,對(duì)最終產(chǎn)品的精度有直接影響。采用Pixel Grid系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)影像快速處理模塊作業(yè),相對(duì)定向和模型連接完成后,針對(duì)由航飛不穩(wěn)造成模型連接不可靠的區(qū)域,定義航帶初始偏移量時(shí)適當(dāng)增加偏移點(diǎn)個(gè)數(shù),以提高模型間轉(zhuǎn)點(diǎn)的成功率和精度；對(duì)于部分自動(dòng)連接失敗的模型,通過(guò)人工干預(yù)增強(qiáng)連接強(qiáng)度。

DEM數(shù)據(jù)生產(chǎn),采用Pixel Grid系統(tǒng)基于多基線/多重匹配特征的高精度DSM匹配算法[4],自動(dòng)提取整個(gè)測(cè)區(qū)的高密度DSM數(shù)據(jù)；利用坡度法對(duì)建筑區(qū)和樹(shù)林進(jìn)行濾波[4],生成高密度高精度DEM,對(duì)于誤匹配區(qū)域通過(guò)觀測(cè)立體像對(duì)進(jìn)行編輯、修復(fù)。

DOM制作方面,正射糾正采用Pixel Grid軟件完成；影像鑲嵌及分幅裁剪則采用ERDAS一次性完成,能避免大量圖幅接邊工作；色調(diào)調(diào)整分兩步進(jìn)行,首先使用專業(yè)勻光、調(diào)色軟件對(duì)原始影像進(jìn)行勻光處理,消除“燒餅”效應(yīng)等問(wèn)題并依據(jù)“標(biāo)準(zhǔn)片”分航線將測(cè)區(qū)內(nèi)的影像色調(diào)統(tǒng)一處理使之接近標(biāo)準(zhǔn)色調(diào),最后使用Photoshop調(diào)整整體色調(diào),從而保證最終成果顏色整體一致性。

3.3 土地復(fù)墾情況對(duì)比分析

鑒于示范小城鎮(zhèn)建設(shè)項(xiàng)目土地復(fù)墾面積小、作業(yè)區(qū)分散且對(duì)遙感影像數(shù)據(jù)現(xiàn)勢(shì)性、地面分辨率要求較高的特點(diǎn),常規(guī)航空攝影與衛(wèi)星遙感手段由于其數(shù)據(jù)采集周期長(zhǎng)、數(shù)據(jù)起拍價(jià)格高等原因無(wú)法滿足該類項(xiàng)目需求。因此,采用無(wú)人機(jī)低空遙感系統(tǒng)獲取遙感影像資料,從而掌握復(fù)墾區(qū)域土地利用現(xiàn)狀是保障項(xiàng)目順利實(shí)施的最佳方案。

為方便核查土地復(fù)墾前后土地利用狀況,通過(guò)綜合對(duì)比分析天津市津南區(qū)葛沽鎮(zhèn)辛莊子村不同地面分辨率、多源、多時(shí)相存檔遙感影像數(shù)據(jù),確定將能全面反映土地復(fù)墾前辛莊子村土地利用狀況且地面分辨率較高的2010年10月遙感影像數(shù)據(jù)(如圖3所示)作為對(duì)比核查的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖3 津南區(qū)葛沽鎮(zhèn)辛莊子村土地復(fù)墾對(duì)比圖

經(jīng)對(duì)比分析辛莊子村2010年10月和2012年9月兩期遙感影像數(shù)據(jù),有如下結(jié)論:土地復(fù)墾前該村用地性質(zhì)為村莊建設(shè)用地(主要包括居住用地和工業(yè)用地),土地復(fù)墾后用地性質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)楦兀唤刂?012年9月土地復(fù)墾工作基本完成,復(fù)墾總面積約521 500 m2；土地復(fù)墾后生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)狀況有待進(jìn)一步監(jiān)測(cè)。

4 結(jié) 語(yǔ)

我國(guó)正處于工業(yè)化快速發(fā)展階段,大規(guī)模的生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)挖廢、塌陷、壓占了大量土地資源,使原本就十分緊張的耕地保護(hù)形勢(shì)更為嚴(yán)峻。因此,為貫徹“十分珍惜和合理利用每寸土地,切實(shí)保護(hù)耕地”的基本國(guó)策,實(shí)現(xiàn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展、土地資源可持續(xù)利用,加快建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì),土地復(fù)墾作為切實(shí)有效的耕地保護(hù)措施已越來(lái)越得到政府和社會(huì)的認(rèn)可與重視[5]。以無(wú)人機(jī)低空遙感、常規(guī)航空攝影及衛(wèi)星遙感為代表的對(duì)地觀測(cè)技術(shù)與基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)相結(jié)合的技術(shù)體系是進(jìn)行土地資源監(jiān)管的最高效手段,可以快速、有效地對(duì)土地資源開(kāi)發(fā)、利用、復(fù)墾情況進(jìn)行及時(shí)、準(zhǔn)確地動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),具有宏觀、快速、準(zhǔn)確、直觀等特點(diǎn)。同時(shí),運(yùn)用定量檢測(cè)和定性分析相結(jié)合的手段,可以增強(qiáng)土地資源開(kāi)發(fā)利用監(jiān)測(cè)的科學(xué)性和精確性,從而為土地資源的科學(xué)管理和合理開(kāi)發(fā)提供依據(jù)。

[1] 王峰，吳云東.無(wú)人機(jī)遙感平臺(tái)技術(shù)研究與應(yīng)用[J].遙感信息，2010(2)：114～118.

[2] 吳正鵬.無(wú)人機(jī)載雙相機(jī)低空遙感系統(tǒng)應(yīng)用初探[J].城市勘測(cè)，2011(1)：76～80.

[3] 谷國(guó)濤，吳良才.無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)數(shù)據(jù)特點(diǎn)及其應(yīng)用[J].科技致富向?qū)В?011(35)：57～58.

[4] 周曉敏，趙力彬，張新利.低空無(wú)人機(jī)影像處理技術(shù)及方法探討[J].測(cè)繪與空間地理信息，2012，35(2)：182～184.

[5] 雷雙友，尹向紅，李軒宇.無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在城鎮(zhèn)土地集約利用監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].測(cè)繪通報(bào)，2011(7)：34～36.

Application of UAV Low-altitude Remote Sensing System in Land Reclamation

Wu Zhengpeng1,Wang Lin1,Xi Ge2
(1.Tianjin Institute of Surveying and Mapping,Tianjin 300381,China；2.National Marine Data Information＆Service,Tianjin 300171,China)

The composition,features and data processing of UAV low-altitude remote sensing system was introduced in brief.On the background of small town construction demonstrative project in Tianjin,UAV low-altitude remote sensing system was recommended while obtain remote sensing image information in order to meet the land reclamation requirements.The specific application was expounded in detail combine with land reclamation for the small town construction demonstrative project in Jinnan District Gegu Town.Prospect its application against the present situation of land resource exploitation,utilization and protection.

UAV；low-altitude remote sensing；land reclamation；aerotriangulation；DEM；DOM

1672-8262(2013)06-82-04

P237

B

2013—01—31

吳正鵬(1981—),男,注冊(cè)測(cè)繪師,高級(jí)工程師,主要從事攝影測(cè)量與遙感數(shù)據(jù)處理、應(yīng)用研究工作。