王文龍，黃中和，喬 煒，單 靜，劉 濤

（1.武漢市測繪研究院，湖北 武漢430022）

低空航攝系統(tǒng)開展地理國情外業(yè)調(diào)查研究

王文龍1，黃中和1，喬 煒1，單 靜1，劉 濤1

（1.武漢市測繪研究院，湖北 武漢430022）

針對地理國情外業(yè)調(diào)查工作中現(xiàn)有方法存在一些不足，通過無人機(jī)低空航攝來提高外業(yè)調(diào)查的工作質(zhì)量和效率，并利用無人機(jī)開展地理國情監(jiān)測深化研究。

低空航攝；地表覆蓋分類；地理國情；解譯樣本采集；外業(yè)調(diào)查

當(dāng)前，世界主要發(fā)達(dá)國家為了應(yīng)對氣候變化、公共安全、糧食安全以及資源安全，都將地理國情監(jiān)測作為國家可持續(xù)發(fā)展的重要舉措[1-6]。英國倫敦大學(xué)建立了全球干旱監(jiān)測網(wǎng)，以空間分辨率100 km的數(shù)據(jù)發(fā)布全球旱情[1]；歐洲發(fā)布分辨率為300 m的全球土壤覆蓋圖[2]，圖中展示了22種不同的土地覆蓋類型；歐盟等組織擴(kuò)大對糧食危機(jī)地區(qū)的地理監(jiān)測，構(gòu)建了一個(gè)以衛(wèi)星數(shù)據(jù)和農(nóng)業(yè)氣候模型為基礎(chǔ)的監(jiān)測與預(yù)測系統(tǒng)[2]；歐盟的“全球環(huán)境與安全監(jiān)測計(jì)劃”，主要目的是獲取影響地球和氣候變化的各類環(huán)境信息[3]；美國建立國家生態(tài)觀測網(wǎng)，開展全面、綜合的生態(tài)環(huán)境觀測，預(yù)測環(huán)境變化趨勢，保證美國的生物和生態(tài)安全[3]；美國地質(zhì)調(diào)查局啟動(dòng)了“地理分析和動(dòng)態(tài)監(jiān)測計(jì)劃”，主要研究土地覆蓋現(xiàn)狀與趨勢、氣候和生態(tài)系統(tǒng)變化[3]；日本地理信息局開展災(zāi)害監(jiān)測，尤其是在地殼形變方面做了大量工作[4]；日本牽頭開展亞太地區(qū)環(huán)境革新戰(zhàn)略項(xiàng)目環(huán)境綜合監(jiān)測子項(xiàng)目[5]，旨在建立和發(fā)展一個(gè)綜合性的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，對亞太地區(qū)的環(huán)境破壞、環(huán)境退化和生態(tài)脆弱區(qū)進(jìn)行長期有效的監(jiān)測。我國正處于全面建設(shè)小康社會(huì)的關(guān)鍵期，經(jīng)濟(jì)發(fā)展與資源環(huán)境之間存在重重矛盾。為了摸清地理國情家底，準(zhǔn)確把握國情國力，準(zhǔn)確掌握、科學(xué)分析資源環(huán)境的承載能力和發(fā)展?jié)摿?，我國開展了第一次全國地理國情普查，建立地理國情監(jiān)測本底數(shù)據(jù)庫[6]。

本次地理國情普查對象是我國陸地國土范圍內(nèi)的地理國情要素和地表覆蓋分類的信息內(nèi)容。如果內(nèi)業(yè)資料不能全面、客觀反映各種地理國情要素和地表覆蓋分類的信息，地理國情外業(yè)調(diào)查就是保證地理國情普查數(shù)據(jù)質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[7]。

1 地理國情外業(yè)調(diào)查問題分析

外業(yè)調(diào)查應(yīng)嚴(yán)格遵循走到、看到、記到的原則，客觀真實(shí)地反映出可到達(dá)工作區(qū)域內(nèi)各種地理國情要素和地表覆蓋分類的信息內(nèi)容[8]。針對這一原則，本次地理國情外業(yè)調(diào)查實(shí)施方案如下：每個(gè)外業(yè)小組配備2名作業(yè)人員和1名司機(jī)，攜帶一幅外業(yè)調(diào)查區(qū)域的紙質(zhì)底圖和一個(gè)具有導(dǎo)航、拍照、電子地圖功能的IPAD，駕車對行進(jìn)線路兩側(cè)的要素、圖斑進(jìn)行核對，并觀察沿途周邊的地表特征，遇需要重點(diǎn)關(guān)注或特殊的覆蓋類型、要素時(shí)，及時(shí)開展遙感影像解譯樣本數(shù)據(jù)采集工作。

按照實(shí)施方案，在調(diào)查實(shí)踐中存在以下問題：1） 車輛無法到達(dá)區(qū)域的圖斑，只能采用同類地物類比、地理相關(guān)分析及調(diào)查、詢問和參照相關(guān)資料等方法進(jìn)行核查。2）車輛在行進(jìn)過程中，隨車調(diào)查人員的視野范圍有限，且容易疏漏對一些地物的觀察。在整個(gè)調(diào)查過程中，調(diào)查人員工作強(qiáng)度較高，每行駛2～ km還需要甄選各類典型地物，多次下車拍攝解譯樣本。3）有些規(guī)劃的調(diào)查路線路面狹窄，路基松軟，路邊沒有安全護(hù)欄，車上普查人員有一定的人身安全風(fēng)險(xiǎn)。4）有些外業(yè)調(diào)查區(qū)域被鐵路、高等級公路、河流等地物分割，調(diào)查路線規(guī)劃時(shí)要設(shè)計(jì)額外繞行路線；在城市調(diào)查時(shí)，常常會(huì)遇到交通堵塞；在鄉(xiāng)鎮(zhèn)調(diào)查時(shí)，窄小的道路有時(shí)還被農(nóng)用車輛或人工障礙物阻擋。這些情況都影響到外業(yè)調(diào)查效率。5）導(dǎo)航信號(hào)容易受到大面積水面、高密度高層建筑物、茂密的樹林等地物的干擾，造成調(diào)查路徑定位不準(zhǔn)，為后續(xù)的調(diào)查成果內(nèi)業(yè)整理造成諸多不便。6）調(diào)查底圖采用的是往年的航空或衛(wèi)星影像，存在現(xiàn)勢性滯后、有些區(qū)域被云遮擋的問題。

2 高效地理國情外業(yè)調(diào)查

通過分析本次外業(yè)調(diào)查方案的幾個(gè)不足，提出用無人機(jī)航攝系統(tǒng)開展地理國情外業(yè)調(diào)查的新作業(yè)方案。無人機(jī)系統(tǒng)為云下作業(yè)，能夠獲取分辨率更高、質(zhì)量更好、現(xiàn)勢性強(qiáng)的影像。有利于對地理環(huán)境的正確認(rèn)知，提高對遙感影像的正確解譯能力，提高地表覆蓋分類和地理國情要素外業(yè)調(diào)查的效率。如果在測區(qū)內(nèi)適量地布置了控制點(diǎn)，還能補(bǔ)測大面積新增或變化的圖斑和要素。

2.1 作業(yè)規(guī)劃

本次無人機(jī)外業(yè)調(diào)查選擇位于武漢市江夏區(qū)金口一個(gè)8 km×8 km的任務(wù)區(qū)域。該區(qū)域內(nèi)道路密度低，一些調(diào)查區(qū)域可達(dá)性差；許多地面調(diào)查道路為機(jī)耕路和碎石路等低等級道路，影響地面調(diào)查通行速度；調(diào)查區(qū)域?yàn)榍鹆甑匦?，地面調(diào)查人員的可視范圍不大；調(diào)查區(qū)域被高速公路和鐵路割裂，地面調(diào)查必須增加許多迂回路線。

根據(jù)無人機(jī)續(xù)航時(shí)間、飛行速度、機(jī)載傳感器作業(yè)特性等參數(shù)，針對外業(yè)調(diào)查區(qū)域設(shè)計(jì)飛行軌跡以及航拍作業(yè)計(jì)劃。無人機(jī)作業(yè)區(qū)域和時(shí)間計(jì)劃報(bào)航空管理部門審批，獲得測區(qū)空管部門的批準(zhǔn)后合法作業(yè)。

為了能夠獲得覆蓋64 km2區(qū)域，滿足地理國情普查外業(yè)調(diào)查需要的高分辨率影像，航拍參數(shù)設(shè)置如圖1所示。航攝相機(jī)選用了Nikon D800，主要參數(shù)設(shè)置如下：焦距35 mm、像元大小4．76 μm、航向重疊度80%、旁向重疊度60%、攝影基線長度78．6 m、航線間距235．5 m、巡航速度35 m/s、最小盤旋半徑216．5 m。

圖1 航拍參數(shù)設(shè)置

無人機(jī)完成64 km2目標(biāo)測區(qū)的航攝任務(wù)耗時(shí)2．5 h，飛行了34條航線，共拍攝3 468張照片，如圖2所示。

2.2 地表覆蓋分類和地理國情要素調(diào)查

一組無人機(jī)影像通過快速糾正、鑲嵌等處理，能夠拼接出調(diào)查區(qū)域的高分辨率影像圖，如圖3所示。影像中的地物細(xì)節(jié)清晰，色彩基本平衡，層次分明。室內(nèi)作業(yè)人員結(jié)合無人機(jī)高分辨率快拼影像圖，能夠快速分析出地表覆蓋類型和采集地理國情要素?cái)?shù)據(jù)，如圖4所示。在日后的地理國情監(jiān)測應(yīng)用中還能夠發(fā)現(xiàn)變化區(qū)域，方便開展地理國情數(shù)據(jù)更新。

圖2 航線示意圖

圖3 無人機(jī)影像拼接結(jié)果（局部）

圖4 內(nèi)業(yè)采集地理國情信息

2.3 解譯樣本數(shù)據(jù)采集

低空航拍能夠提供非常完美的采集遙感解譯樣本視角，尤其是對于房屋建筑區(qū)類等地面視角難以完整表達(dá)的樣本采集具有很大的優(yōu)勢。低空視角拍攝的解譯樣本影像能夠完整反映出地類要素的特征。室內(nèi)作業(yè)人員能夠非常直觀地在測區(qū)范圍內(nèi)，為各個(gè)地物類別選擇主體明確清晰、分布均勻的解譯樣本。

圖5 房屋建筑區(qū)樣本

2.4 與傳統(tǒng)外業(yè)調(diào)查對比

常規(guī)地理國情外業(yè)調(diào)查，由于受到視野范圍的限制，調(diào)查人員只能隨車輛行駛調(diào)查沿線兩邊視野能及范圍內(nèi)的地理情況。為了能夠盡可能地全面調(diào)查，需要車輛行駛軌跡密集分布于調(diào)查區(qū)域，作業(yè)人員在車輛行駛途中，還需要按照規(guī)定頻繁下車，選擇合適的拍攝角度采集解譯樣本。為了讓調(diào)查軌跡合理分布于測區(qū)，因?yàn)楦咚俟?、鐵路或其他障礙物的阻擾，難免會(huì)有一些重復(fù)通過的路段。有些車輛無法通達(dá)、視野也不可及的區(qū)域，就屬于外業(yè)調(diào)查盲區(qū)。這些因素都會(huì)影響外業(yè)調(diào)查的效率和調(diào)查準(zhǔn)確性。如圖6a所示，該圖實(shí)地面積為64 km2，圖上黃色軌跡、紅色軌跡，綠色軌跡、玫紅色軌跡分別為4個(gè)工作日外業(yè)調(diào)查行駛路徑。圖6b為圖6a上A區(qū)的放大，一條路有大量的重復(fù)軌跡，說明車輛反復(fù)經(jīng)過了該路段。圖6c為圖6a上B區(qū)的放大，有大片區(qū)域沒有地面車輛調(diào)查軌跡覆蓋。以江夏區(qū)國情外業(yè)調(diào)查為例，當(dāng)?shù)氐墓访芏葹?．66 km/km2，每個(gè)外業(yè)調(diào)查小組每日平均有效調(diào)查距離約為50 km，64 km2任務(wù)區(qū)域約需要2 d，而無人機(jī)調(diào)查僅僅需要2．5個(gè)h。

圖6

從上述分析來看，車輛調(diào)查法耗時(shí)多，且存在許多重復(fù)路徑，調(diào)查人員頻繁下車采集解譯樣本，還要通過一些影響行車速度的難走路段。在這些因素綜合影響下，傳統(tǒng)外業(yè)調(diào)查的效率比無人機(jī)調(diào)查效率低。另外，由于一些區(qū)域地面車輛無法通達(dá)，只能采用多分辨率、多時(shí)相遙感資料和有關(guān)專業(yè)資料，結(jié)合可到達(dá)區(qū)域采集的遙感解譯樣本和相應(yīng)的調(diào)查成果，通過比對的方法進(jìn)行外業(yè)調(diào)查。這樣處理沒有利用無人機(jī)獲取現(xiàn)勢性強(qiáng)、分辨率高的影像調(diào)查的質(zhì)量高。車輛調(diào)查法外業(yè)時(shí)間更長，成本也比無人機(jī)調(diào)查高。

3 結(jié) 語

地理國情外業(yè)調(diào)查應(yīng)嚴(yán)格遵循走到、看到、記到的原則，客觀真實(shí)地反映出可到達(dá)工作區(qū)域內(nèi)各種地理國情要素和地表覆蓋分類的信息內(nèi)容。利用無人機(jī)開展地理國情外業(yè)調(diào)查，避免自然和人為障礙，能夠高效、準(zhǔn)確地完成任務(wù)，并且減少了外業(yè)調(diào)查人員的工作量，降低了外業(yè)調(diào)查人員的安全風(fēng)險(xiǎn)。無人機(jī)拍攝的影像地物分辨能力極強(qiáng)，且能夠獲得比地面拍攝更佳的解譯樣本。下一步還會(huì)利用無人機(jī)擴(kuò)展新的應(yīng)用，例如對于地理國情監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)的新增地物的快速補(bǔ)充測繪，或者高效生產(chǎn)外業(yè)調(diào)查區(qū)域的高分辨率、高品質(zhì)正攝影像。

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B

1672-4623（2017）10-0024-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.10.007

2015-10-14。

王文龍，博士，工程師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)視覺、遙感數(shù)據(jù)處理。