廉志鵬辛 全王 平

（1.自然資源部第四地形測量隊，黑龍江 哈爾濱150081；2自然資源部第二大地測量隊，黑龍江 哈爾濱150081）

0.引言

開展第三次全國國土調(diào)查（以下簡稱“三調(diào)”）工作，是貫徹落實新發(fā)展理念，促進西藏自治區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展的基礎(chǔ)。國土是生產(chǎn)之要。當(dāng)前，西藏自治區(qū)正處在長足發(fā)展和全面建成小康社會的關(guān)鍵時期，自然資源管理工作面臨的形勢任務(wù)艱巨。在當(dāng)前及今后一個階段，生態(tài)文明建設(shè)、自然資源管理體制改革及各類自然資源統(tǒng)一確權(quán)登記、統(tǒng)一行使全民所有自然資源資產(chǎn)所有者權(quán)利、統(tǒng)一所有國土空間用途管制和生態(tài)保護修復(fù)等工作將全面鋪開，各部門各行業(yè)對各類自然資源基礎(chǔ)數(shù)據(jù)提出了更高、更精、更準(zhǔn)、更新的需求，而當(dāng)前西藏自治區(qū)現(xiàn)有的國土調(diào)查成果已不能充分滿足相關(guān)需要，尤其是滿足現(xiàn)勢性需要的遙感正射影像資源較為缺乏。做好三調(diào)及成果應(yīng)用工作，是編制國民經(jīng)濟和社會發(fā)展規(guī)劃、推進科學(xué)決策的重要依據(jù)，是實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略、支持新產(chǎn)業(yè)新業(yè)態(tài)發(fā)展、提高政府依法行政能力和自然資源管理服務(wù)水平的重要支撐，對于貫徹落實新發(fā)展理念，全面促進西藏自治區(qū)經(jīng)濟社會全面協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。開展城鎮(zhèn)村莊內(nèi)部土地利用現(xiàn)狀調(diào)查中的正射影像制作，充分滿足了國土空間規(guī)劃、生態(tài)文明建設(shè)、供給側(cè)改革需求，為政府決策和經(jīng)濟社會發(fā)展提供基礎(chǔ)支撐，促進國家治理體系和治理能力的現(xiàn)代化。

1.三調(diào)影像整體技術(shù)流程

1.1 測區(qū)任務(wù)及情況簡介

此次任務(wù)為西藏自治區(qū)山南市乃東區(qū)及阿里地區(qū)噶爾縣的像片控制點測量及正射影像（DOM）制作，任務(wù)總面積約40平方公里，其中乃東區(qū)測區(qū)為山南市政府所在地，噶爾縣測區(qū)為阿里地區(qū)行政公署和噶爾縣政府所在地，測區(qū)范圍內(nèi)居民地集中分布其中，地形主要以平地為主，采用的影像源是藍(lán)途無人機進行航空攝影，通過技術(shù)處理形成優(yōu)于0.2米正射影像成果包括正射影像數(shù)據(jù)和影像定向產(chǎn)品數(shù)據(jù)。

1.2 整體技術(shù)路線及工藝流程

三調(diào)正射影像制作采用的整體技術(shù)路線為無人機數(shù)字航空攝影測量，以航攝影像為基礎(chǔ)影像源進行像控點測量，利用像片控制測量成果進行空中三角測量，將空中三角測量成果導(dǎo)入相關(guān)的影像處理軟件，自動匹配生成DSM，對生成的DSM進行適當(dāng)編輯生成過程DEM，利用編輯后的DEM進行糾正，對糾正后的影像進行勻光勻色、鑲嵌、裁切制作DOM。技術(shù)流程（如圖1所示）：

圖1三調(diào)正射影像整體技術(shù)路線及工藝流程圖

2.關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)剖析

2.1 像控測量的作用

根據(jù)影像資料情況及測區(qū)基礎(chǔ)控制點分布情況進行像控點布設(shè)，綜合考慮需達到的精度及工作效率，擇優(yōu)選取施測方式進行像控點測量，通過收集到西藏自治區(qū)測繪院提供大地控制點可作為測區(qū)控制測量的起算點，其中，C級GPS點平面為2000國家大地坐標(biāo)，高程為大地高；D級GPS點平面為地心坐標(biāo)，高程為1985國家高程基準(zhǔn)；當(dāng)?shù)厮疁?zhǔn)路線中水準(zhǔn)點高程為1985國家高程基準(zhǔn)。經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和處理，采用RTK地形測量的方法，并在影像測區(qū)范圍內(nèi)將選取影像上明顯地物點的實地坐標(biāo)和高程準(zhǔn)確刺到影像上，在后期的影像糾正和定向中都必須有一定數(shù)量的控制點，而這些點位正是由像片控制測量得到的。因此，像控測量的作用就是為內(nèi)業(yè)空中三角測量提供一定數(shù)量的符合項目規(guī)范要求精度較高的控制點，經(jīng)整理和兩級檢查合格后遞交下工序使用。

2.2 飛前布控的特點

飛前布控即在利用無人機進行測量之前，先在目標(biāo)區(qū)域選取并測定一定數(shù)量的控制點，然后再利用無人機對目標(biāo)區(qū)域進行航空攝影，其具有如下特點：首先是便于計算機有效識別，飛前布控使得無人機獲取的影像上已經(jīng)存在明顯的控制點。這樣可以利用計算機對影像進行識別，與以前的人工識別相比大大加快了識別速度。其次是作業(yè)人員不需要復(fù)雜的系統(tǒng)培訓(xùn)，飛前布控在攝影之前要先在實地測量控制點，隨后再在影像上刺出相應(yīng)控制點，所以不需要較高的影像判讀知識，因此不需要對作業(yè)人員事先進行反復(fù)系統(tǒng)培訓(xùn)。最后是易受自然條件影響，由于需要在攝影測量之前去實地進行控制點的選取、布設(shè)及測量，布設(shè)的控制點有可能受天氣影響而損壞或出現(xiàn)精度損失。根據(jù)飛前布控的特點，選擇比較穩(wěn)定、明顯和不易損壞的控制點進行后續(xù)的布控工作。

2.3 三調(diào)正射影像精度要求

三調(diào)正射影像成果平面精度達到1∶2000要求，地物點相對于野外控制點的點位中誤差要求為平地、丘陵地平面精度的中誤差為1.2米，山地、高山地平面精度的中誤差為1.6米，大面積水域、沙漠、森林以及地形起伏劇烈等特殊困難地區(qū)正射影像生產(chǎn)精度要求可適當(dāng)放寬，但最大不得大于上表的1.5倍。最大誤差不超過中誤差2倍，同時向項目影像組報批后方可實施。

2.4 三調(diào)正射影像作業(yè)方法

首先，在影像處理軟件中建立項目工程，根據(jù)測區(qū)實際情況設(shè)置相關(guān)參數(shù)。利用原始影像及空三結(jié)果匹配生成DSM，并對DSM進行濾波處理，濾除精度較差以及高于地面的信息。對匹配精度較差的區(qū)域，如居民地、林木覆蓋區(qū)域等進行匹配編輯或采用增加特征點、線方式，生成過程DEM數(shù)據(jù)。利用原始影像、空三成果、過程DEM數(shù)據(jù)進行正射糾正。

其次，對糾正后的影像按區(qū)域進行勻光勻色處理，使區(qū)域內(nèi)影像色調(diào)柔和一致，紋理清晰、反差適中，避免影像信息損失。利用勻光勻色后的影像進行自動鑲嵌線生成。影像鑲嵌時最大可能運用影像的中心區(qū)域，鑲嵌線盡量沿線狀地物邊緣行進，避免切割人工地物，盡量避免在同一道路上來回穿越；對于大面積田塊及大面積樹林覆蓋區(qū)域的鑲嵌線，只要鑲嵌線附近影像色調(diào)一致，線狀地物無錯位現(xiàn)象，可不對此區(qū)域的鑲嵌線進行調(diào)整。對鑲嵌后的區(qū)域整體影像進行瀏覽檢查，對影像上存在的扭曲、變形、拉花、錯位等問題進行過程DEM編輯，對存在的色調(diào)差異進行鑲嵌線調(diào)整或局部顏色調(diào)整，同步修補DOM。

最后鑲嵌，按數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求進行分帶，按照縣域進行裁切，完成三調(diào)正射影像制作。三調(diào)影像要求地物地貌應(yīng)真實，無扭曲變形、無噪聲、云影等缺陷，同時期攝影的DOM之間應(yīng)完全接邊，不允許在接邊處出現(xiàn)錯位、色調(diào)不接的現(xiàn)象。

3.減控關(guān)鍵技術(shù)方法

3.1 像控點布設(shè)優(yōu)化方案

像控點布設(shè)是無人機正射影像制作的重要環(huán)節(jié)，也是在整個作業(yè)過程中外業(yè)過程中成本投入比較大的一個部分，傳統(tǒng)無人機航測布點方式（如圖2所示），不但要求的控制點多，還需要均勻布滿整個測區(qū)，實施起來比較困難，同時性價比也不高。

圖2傳統(tǒng)無人機航測控制點布設(shè)方案圖

通過對無人機航測控制點布設(shè)技術(shù)方案不斷優(yōu)化和反復(fù)研究，采取了四角單點布設(shè)、四角點組布設(shè)、四周均勻布設(shè)、四周邊點組布設(shè)、四周邊均勻布設(shè)加少量內(nèi)部控制點、四周點組布設(shè)加少量內(nèi)部控制點采用控制六種方案（如圖3所示）。整體采用循序漸進的辦法針對不同的測區(qū)分別進行六種像控點的布設(shè)測試實驗，實驗表明在六種方案中，采用四周點組布設(shè)和四周邊均勻布設(shè)，加少量區(qū)域中間點的布點方式精度是最高的，效果較好。在后續(xù)的多次實踐中，實踐經(jīng)驗是無論區(qū)域大小，四周均勻布設(shè)控制點，四點布設(shè)平高控制點均有利于保證區(qū)域內(nèi)部的精度。一般情況下，單點布設(shè)的精度都不如點組布設(shè)精度高，而且點組布設(shè)也可以增加平面高程的精度。

圖3適合無人機航測的六種布設(shè)方案圖

3.2 影像匹配減控方法

項目通過收集來的高精度空間參考DOM數(shù)據(jù)采用改進SIFT算法進行特征點匹配，該算法中對圖像旋轉(zhuǎn)、尺度縮放，灰度值變化等各方面都保持不變形，特別是視角的仿射變化和影像噪聲也有一定程度的穩(wěn)定性。本文中采用在改進SIFT算法匹配點剔除中采用一種微小誤差的方法使得匹配更加簡單快捷，相比SIFT算法中常用的RANSAC算法中減少了大量反復(fù)迭代計算的工作量，從而使影像匹配錯誤點剔除中節(jié)省了時間，大大提高可匹配的效率。在三調(diào)正射影像制作中，采取測區(qū)中選取地物較現(xiàn)勢性更新較慢的區(qū)域進行匹配獲取控制點，經(jīng)檢查后進行空三加密等工作，利用原始影像的位置關(guān)系來獲取匹配影像的空間位置，從而一定減少外業(yè)像控點的個數(shù)，達到減控的目的。

3.3 光束法區(qū)域網(wǎng)平差模型優(yōu)化減控方法

傳統(tǒng)的光束法區(qū)域網(wǎng)平差是利用裝在飛機上的一臺GPS接收機和固定在某個地面參考點上的另一臺或幾臺GPS接收機同時、快速連續(xù)地記錄相同的GPS衛(wèi)星信號，通過載波相位差分動態(tài)GPS相對定位技術(shù)的離線數(shù)據(jù)后，處理獲取攝影機曝光時刻GPS天線相位中心的三維坐標(biāo)即GPS攝站坐標(biāo)，然后將其視為附加觀測值引入進攝影測量區(qū)域網(wǎng)中，采用統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型和算法，整體確定點位并對其質(zhì)量進行評定的理論、技術(shù)和方法。而光束法區(qū)域網(wǎng)平差模型優(yōu)化減控方法是依據(jù)外業(yè)布設(shè)的像片控制點及航攝分區(qū)進行區(qū)域網(wǎng)劃分，利用空三加密軟件自動匹配連接點、控制點量測等進行空三加密作業(yè)，優(yōu)先采用全自動匹配連接點，自動匹配薄弱區(qū)域可進行人工選取連接點，結(jié)合無人機航攝測量作業(yè)的特點，考慮測量相機的航攝時間滯后以及各個拍攝瞬間的位置偏移，針對各個拍攝瞬間的時間誤差進行逐點時間改正。

無人機光束法區(qū)域網(wǎng)平差時間改正模型更加側(cè)重于對各個拍攝瞬間的時間誤差進行逐點時間改正，更加適合于無人機的光束法區(qū)域網(wǎng)平差方法。在模型解算過程中，將時間改正作為求解未知量與其他系統(tǒng)誤差帶入方程組內(nèi)進行統(tǒng)一求解，消除由于拍攝不同步所帶來的誤差影響，從而提高區(qū)域網(wǎng)空三加密平差精度。無人機航攝領(lǐng)域內(nèi)常見的一種位置時間記錄方式為POS和輔助GPS，這種方式無法避免會存在時間差的影響。當(dāng)無人機將載波信號傳遞給航攝相機和GPS裝置時，由于航攝相機接收信號到航攝影像成像之間需要一小段較短的時間進行拍攝，從而導(dǎo)致GPS裝置記載的時間與航攝影像成像時間不一致，針對這種時間差帶來的誤差影響，考慮將時間改正參數(shù)引入到光束法區(qū)域網(wǎng)平差模型中進行解算。將無人機航攝時測量相機在各航帶和航攝瞬間進行時間改正，外業(yè)中只需少量控制點，從而達到減控的目的。

為保證數(shù)字正射影像成果的質(zhì)量，以上三種減控技術(shù)在使用過程中，在測區(qū)范圍內(nèi)布設(shè)的10-20個外業(yè)檢查點，用于檢測DOM平面精度，檢查點不參與空中三角測量。并在數(shù)字正射影像成果上依據(jù)檢查點點之記量取的檢查點平面精度，把量取的平面精度與外業(yè)提供的檢查點成果進行比較，統(tǒng)計評定DOM的精度均達到項目的要求。

4.減控技術(shù)的應(yīng)用

4.1 在大比例尺測圖中應(yīng)用

減控技術(shù)目前在黑龍江、山東等測區(qū)大比例尺測圖得到較好使用，在工期緊張且地理位置比較不易到達時，通過合理采用多種減控技術(shù)，無人機獲取得到DOM后迅速采集得到數(shù)字線劃圖（DLG），滿足了甲方大比例尺測圖的需要。同時在匹配、解算、識別等方面的新技術(shù)不斷突破，DLG傳統(tǒng)手工采集生產(chǎn)模式將會在這些新技術(shù)的發(fā)展下打破，因此具有相當(dāng)大的發(fā)展前景。

4.2 在電力巡檢中應(yīng)用

在電力部門，需要快速獲取電力故障或違章事故位置時,將減控技術(shù)加入其中，使得在電力線路的巡檢故障和道路交通違章事故發(fā)生地獲取位置周邊情況信息中，節(jié)省大量時間，特別是在電力線巡檢中，無人機飛行的航線不能在電力線垂直上方，需要錯開電力線一定的距離。為了滿足相鄰航線間影像有一定的重疊度，對電力線兩面進行無人機航攝的影像有重疊，在攝影時相機有一定姿態(tài)和角度對著電力線和地面，從而使用減控技術(shù)，在正射影像處理上匹配電力位置來確定故障電力線，為電力線路正常運行提供保障。

5.結(jié)束語

三調(diào)影像減控技術(shù)為開展三調(diào)城鎮(zhèn)村莊內(nèi)部土地利用現(xiàn)狀調(diào)查工作中起到技術(shù)支撐作用，在三調(diào)正射影像制作中不但優(yōu)化了技術(shù)流程，同時減少了一定的外業(yè)工作量，為后期自動化處理影像提高了生產(chǎn)效率。本文在減控技術(shù)上進行了研究，提供了可行方案，一定程度減少了對非專業(yè)航測人員隊伍的依賴，同時在將來數(shù)字化影像產(chǎn)品制作中，還需不斷優(yōu)化技術(shù)流程和采用多技術(shù)高度集成方法來實現(xiàn)影像產(chǎn)品的高效制作。