陳曉江 王成宏

（1.云南省基礎(chǔ)測繪技術(shù)中心，云南 昆明 650031；2.勐臘縣房地產(chǎn)交易中心，云南 勐臘 666300）

0.引言

無人機航測是在航空攝影測量技術(shù)上發(fā)展而來的新型測繪技術(shù)，該技術(shù)具有作業(yè)周期短、成本低、機動靈活性強等應用特點，在小范圍及飛行相對困難的區(qū)域中，該技術(shù)能快速捕獲各類型土地的即時覆蓋特征。在土地覆蓋范圍提取中，高分辨率遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)存在影像拍攝耗時長、數(shù)據(jù)存檔不及時等問題，且隨著土地覆蓋面積的增大，航測數(shù)據(jù)時效性也會逐漸下降[1]。而無人機航測技術(shù)則可較好地解決上述問題，對于機組平臺而言，無人機設備可隨時出發(fā)執(zhí)行拍攝任務，相較于有人機測繪與軌道衛(wèi)星，該方法能在短時間內(nèi)完成巡航任務，并可在此過程中向用戶展示航測結(jié)果，且其作業(yè)效率極高，能獨立完成各種土地巡航指令。

1.基于無人機航測的區(qū)域土地覆蓋數(shù)據(jù)處理

區(qū)域土地覆蓋數(shù)據(jù)處理需要在無人機飛行平臺的基礎(chǔ)上，對航攝路線進行按需規(guī)劃，再根據(jù)航攝分區(qū)標準，確定像控點的實時布設位置。

1.1 無人機飛行平臺

無人機飛行平臺是指無人機設備本身在執(zhí)行航測任務過程中，作為載體類元件，同時搭載飛行控制系統(tǒng)、遙感傳感器等控制型設備，包括直升機、旋翼、固定翼三種基本類型[2]。在執(zhí)行區(qū)域土地航測任務時，無人機飛行平臺中儀器名稱及型號配置情況如表1所示。

表1 無人機飛行平臺的基本配置

由于發(fā)動機型號、翼展、機長、飛行高度、起飛重量等指標參量不同，無人機飛行平臺記錄的航測數(shù)據(jù)也有所不同。在進行航測時，飛行控制系統(tǒng)能管控Ⅱ型基礎(chǔ)控制平臺與航測相機，而GNSS-RTK作為關(guān)鍵導航定位裝置，可決定無人機航線中像控點所處的分布位置。

1.2 航攝分區(qū)與航線設計

在區(qū)域土地覆蓋動態(tài)變化特征提取之前，需要借助無人機對土地區(qū)域進行分區(qū)。因此，本文借助無人機航攝分區(qū)，設計相應提取線路。

在明確拍攝區(qū)工作范圍后，應根據(jù)無人機工作部署、航測成果提交要求、區(qū)域土地的地形覆蓋概況，實現(xiàn)對航攝分區(qū)條件的按需處理。一般來說，外部分區(qū)節(jié)點應與無人機航測圖像的整體輪廓走線保持一致，對于待測土地來說，其地形高度應超過實時航測高度的六分之一。在無人機航線保持直線飛行狀態(tài)的情況下，基礎(chǔ)分區(qū)跨度條件應無限趨近于物理最大數(shù)值[3]。

航測基線、航線間隔兩項物理量會對巡航圖像曝光時間和相片重疊度造成影響，在區(qū)域土地覆蓋范圍測量中，對無人機飛行平臺而言，航測基線及間隔與巡航圖像長度、巡航圖像寬度、航測相片在航向上的重疊度、無人機攝影航高等因素相關(guān)。

一般來說，無人機巡航圖像長度、巡航圖像寬度等指標參量的取值結(jié)果并不完全固定，應根據(jù)區(qū)域土地的實際覆蓋面積進行適當調(diào)節(jié)，以滿足土地覆蓋動態(tài)變化。

1.3 像控點布設與測量

在區(qū)域土地環(huán)境中，無人機航測像控點布設處理主要依據(jù)巡航圖像控制點航向基線數(shù)跨度，該參數(shù)與相對航高、無人機航測過程中的視差權(quán)重值和無人機巡航圖像的基線長度相關(guān)。為保證無人機像控點順利布設，應在考慮高精度POS標準的基礎(chǔ)上，快速解算區(qū)域土地內(nèi)自由網(wǎng)情況，再以此為基礎(chǔ)，繪制測區(qū)概況拼圖[4，5]。

2.區(qū)域土地覆蓋動態(tài)變化特征提取

2.1 植被指數(shù)

在無人機航測區(qū)域中，植被指數(shù)能有效反映待測土地中的植被活動情況，一般來說，將兩個或更多的無人機觀測通道相結(jié)合，可直接計算出該區(qū)域中植被指數(shù)的具體數(shù)值。與其他類型區(qū)域土地覆蓋動態(tài)變化特征相比，植被指數(shù)能夠直觀反映不同地物類別景觀的生物特性，例如區(qū)域土地覆蓋度、土地生物含量等。一般情況下，選擇NDVI指標對區(qū)域土地覆蓋環(huán)境下植被指數(shù)進行描述，利用已知的航測數(shù)據(jù)可將其表示，如式（1）所示：

式（1）中，Re1、Re2為在土地覆蓋區(qū)域中兩個不同的植被分布波段系數(shù)；ms為無人機航測連接點的平面誤差（mm）；mh為無人機航測連接點的高程誤差（m）。

2.2 濕度指數(shù)與水體指數(shù)

濕度指數(shù)NDMI對于區(qū)域土地覆蓋動態(tài)變化特征提取結(jié)果的影響能力較強，但根據(jù)土壤濕度水平的不同，該項指標參量的數(shù)值結(jié)果也會有所不同。而在無人機航測區(qū)域中，可通過整合遙感數(shù)據(jù)的方式，確定NDMI指標的具體計算數(shù)值?？紤]到土質(zhì)濕度波段系數(shù)Re3始終處于水的吸收帶（1.4 μm，1.9 μm）之間，所以，受水體吸收帶的影響，可將區(qū)域土地覆蓋動態(tài)變化的濕度指數(shù)用NDMI表示，如式（2）所示：

對于一般的無人機航測土地區(qū)域來說，NDMI數(shù)值的表現(xiàn)情況滿足“水體最大、沼澤林地其次、旱地最小”的排列標準。

3.實例分析

為驗證所提方法的有效性，進行試驗分析。試驗中選擇某地500 m×500 m的區(qū)域為研究對象，考慮到拍攝精度，無人機航空拍攝的航向重疊度要求達到85%，旁向拍攝的重疊度達75%，以保證無人機拍攝的有效性。試驗中的基礎(chǔ)試驗數(shù)據(jù)通過無人機拍攝得到，符合試驗要求。其中，對該土地航測區(qū)域進行選取，其中，A、B、C是三塊等大的土地區(qū)域，且每一區(qū)域內(nèi)的植被覆蓋、濕度指數(shù)、水體指數(shù)等特征參量基本保持一致，如圖1所示。

圖1 土地航測區(qū)域選取

為獲得更真實的試驗結(jié)果，在對A區(qū)域進行航測時，要求無人機飛行器與航測基線保持絕對垂直的狀態(tài)；在對B區(qū)域進行航測時，要求無人機飛行器處于與航測基線保持垂直狀態(tài)的直線左側(cè)；在對C區(qū)域進行航測時，要求無人機飛行器處于與航測基線保持垂直狀態(tài)的直線右側(cè)。

已知區(qū)域土地動態(tài)變化特征提取準確度受區(qū)域土地分類精度指標的直接影響，一般來說，區(qū)域土地分類精度越高，區(qū)域土地動態(tài)變化特征的提取結(jié)果越準確。

區(qū)域土地分類精度（η）的數(shù)值結(jié)果受植被指數(shù)（EVI）、濕度指數(shù)（NDMI）、水體指數(shù)（NDWI）、標準分類參量（）、無人機航測高度（h）五項指標參量的直接影響。其中，植被指數(shù)（EVI）、濕度指數(shù)（NDMI）、水體指數(shù)（NDWI）三項指標參量的數(shù)值結(jié)果均可通過試驗測量的方式直接獲取，而標準分類參量（）在整個試驗過程中的物理取值始終等于0.08。因此，可認為無人機航測高度（h）是影響區(qū)域土地分類精度（η）數(shù)值計算結(jié)果的關(guān)鍵指標參量，如式（3）所示：

由式（3）可知，無人機航測高度越低，區(qū)域土地分類精度越高，區(qū)域土地動態(tài)變化特征的提取結(jié)果就越準確。為了驗證所提方法的有效性，試驗得到的結(jié)果圖像均通過MATLAB生成。

A區(qū)域內(nèi)土地分類精度（η）數(shù)值變化如圖2所示。

圖2 土地分類精度（A區(qū)域）

由圖2可知：隨著無人機航測高度的改變，土地分類精度數(shù)值的整體變化趨勢并沒有明顯變化，大體上保持隨著航測時間延長而不斷降低的變化形式。從全局性角度看，當無人機航測高度等于500 m時，土地分類精度的平均值水平最高；而當無人機航測高度等于1 000 m時，土地分類精度的平均值水平最低。從極限值角度看，土地分類精度最大值的排列方式為：η500＞η700＞η900＞η1100。因此可認為：當無人機航測高度等于500 m時，區(qū)域土地動態(tài)變化特征的提取結(jié)果最準確。

B區(qū)域內(nèi)土地分類精度（η）數(shù)值變化如圖3所示。

圖3 土地分類精度（B區(qū)域）

由圖3可知：B區(qū)域內(nèi)土地分類精度變化趨勢基本與A區(qū)域保持一致。從平均值角度來看，土地分類精度的排列方式為：η500＞η700＞η900＞η1100；從極限值角度來看，土地分類精度最大值的排列方式也為：η500＞η700＞η900＞η1100。因此可認為：當無人機航測高度等于500 m時，區(qū)域土地動態(tài)變化特征的提取結(jié)果最準確。

C區(qū)域內(nèi)土地分類精度（η）數(shù)值變化如圖4所示。

圖4 土地分類精度（C區(qū)域）

由圖4可知：C區(qū)域內(nèi)土地分類精度變化趨勢與A區(qū)域、B區(qū)域保持一致，平均值、極限值排列順應也與上述兩者相同。因此可認為，當無人機航測高度等于500 m時，區(qū)域土地動態(tài)變化特征的提取結(jié)果最準確。

為進一步驗證所提方法可有效提取特征，測試了本文方法對樣本區(qū)域特征提取的精度，得到的結(jié)果如圖5所示。

圖5 本文方法區(qū)域土地覆蓋動態(tài)變化特征提取精度

由圖5可知：通過多次對樣本區(qū)域特征提取結(jié)果，本文方法提取的精度與理想值較為一致，且始終高于90%，驗證了本文方法可有效提取樣本區(qū)域的土地動態(tài)覆蓋變化特征。

4.結(jié)束語

在無人機航測技術(shù)的支持下，區(qū)域土地覆蓋動態(tài)變化特征提取方法分別針對植被指數(shù)、濕度指數(shù)、水體指數(shù)進行計算與處理，又聯(lián)合基礎(chǔ)飛行平臺，確定像控點的布設，取得關(guān)鍵特征指標參量。試驗結(jié)果表明：采用該方法可有效提升區(qū)域土地動態(tài)變化特征的提取精度，且始終保持在90%以上。