符 利

(廣東水電二局股份有限公司，廣州 511340)

1 概述

為了加強(qiáng)耕地保護(hù)和改進(jìn)占補(bǔ)平衡，堅(jiān)決遏制耕地“非農(nóng)化”、防止耕地“非糧化”，加強(qiáng)國(guó)土空間規(guī)劃管控，嚴(yán)格控制新增建設(shè)占用耕地，引導(dǎo)各地不占或少占水田等優(yōu)質(zhì)耕地，在省內(nèi)開展了墾造水田項(xiàng)目建設(shè)。墾造水田項(xiàng)目涉及范圍廣、工期緊、精度高，在建設(shè)過程中需要是三維實(shí)景模型、數(shù)字線劃圖、正射影像圖、坡度分級(jí)圖等多種成果，以滿足不同階段的項(xiàng)目建設(shè)工作需求。而傳統(tǒng)的測(cè)量方式存在投入大，效率低，測(cè)繪成果單一的問題，無法滿足項(xiàng)目建設(shè)在不同階段的需要。

無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是運(yùn)用無人機(jī)航攝儀野外一次性飛行航拍，獲取項(xiàng)目范圍內(nèi)的多個(gè)角度的高質(zhì)量影像數(shù)據(jù)，通過影像數(shù)據(jù)處理軟件建立高精度、高分辨率的三維實(shí)景模型，輸出數(shù)字線劃圖、正射影像圖及坡度分級(jí)圖等。

2 飛馬D2000無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)介

本項(xiàng)目選用的是深圳飛馬公司D2000無人機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)(見圖1，表1)，是一款小型、長(zhǎng)續(xù)航同時(shí)能滿足高精度測(cè)繪遙感的多旋翼無人機(jī)系統(tǒng)。該款無人機(jī)飛行平臺(tái)搭載D-OP3000傾斜攝影測(cè)量模塊(見表2)，可安全、穩(wěn)定、高效地完成項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)航拍片的獲取工作。

圖1 飛馬D2000飛行平臺(tái)搭載D-OP3000傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)示意

表1 飛馬D2000無人機(jī)飛行平臺(tái)系統(tǒng)參數(shù)

表2 D-OP3000攝影測(cè)量模塊

3 無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

3.1 無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的特點(diǎn)

1) 低空靈活。無人機(jī)飛行高度在100～1 000 m范圍內(nèi)，受空氣云層和高空管制的影響比較小，如有特殊情況發(fā)生，航攝儀也可以及時(shí)降落，同時(shí)在測(cè)量前，可以根據(jù)項(xiàng)目范圍內(nèi)衛(wèi)星影像，對(duì)飛行方案進(jìn)行調(diào)整，提前避開障礙危險(xiǎn)物。

2) 周期短效率高。無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量分內(nèi)業(yè)和外業(yè)，外業(yè)工作內(nèi)容前期為像控點(diǎn)布設(shè)及測(cè)量和野外航拍，后期為補(bǔ)充調(diào)繪，大大縮減了人工成本，縮短了野外作業(yè)時(shí)間；內(nèi)業(yè)根據(jù)項(xiàng)目大小，影像數(shù)據(jù)的數(shù)量，合理調(diào)配計(jì)算機(jī)服務(wù)器和內(nèi)業(yè)人員數(shù)量，利用Smart3D Capture Context、EPS、PIX-4D mapper等數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)航拍影像和像控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，輸出各項(xiàng)測(cè)繪成果[1]。

3) 成果多元化、精度高[2-3]。無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量通過低空多角度航拍獲取地面多角度高分辨率影像，處理生成三維實(shí)景模型、數(shù)字線劃圖、正射影像圖、坡度分級(jí)圖等成果，圖形精度可達(dá)到1∶500比例尺地形圖要求，影像分辨率可以達(dá)到3 cm，完全滿足項(xiàng)目建設(shè)的需要。

4) 適用性強(qiáng)。無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量外業(yè)航拍是在空中作業(yè)，與GPS野外測(cè)圖相比，不會(huì)出現(xiàn)因衛(wèi)星遮擋無法定位的情況，同時(shí)空中航拍可以獲取更全面完整的數(shù)據(jù)，成果更加真實(shí)的反映出項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)的地形地貌。

3.2 無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用流程

本研究選用的是飛馬D2000無人機(jī)搭載D-OP3000傾斜攝影測(cè)量模塊，其主要工作和技術(shù)流程見圖2。

圖2 飛馬無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用流程示意

4 基于飛馬.2000無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在墾造水田中的應(yīng)用實(shí)例

4.1 測(cè)區(qū)概況

2019年度肇慶市懷集縣冷坑(等3個(gè))鎮(zhèn)墾造水田項(xiàng)目是廣東省墾造水田項(xiàng)目之一，位于肇慶市懷集縣冷坑鎮(zhèn)水口村，測(cè)區(qū)南北長(zhǎng)約為1 000 m，東西寬約為1 100 m，成三角形狀，最高海拔為101.7 m，最低海拔為72.3 m，平均高程為87 m，面積約為56.13 hm2。項(xiàng)目的地形地貌主要以地山丘陵及谷間平地為主，地表植被多為荒地和桉樹，分布有少量魚塘。

4.2 無人機(jī)航測(cè)飛行方案的設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目航線規(guī)劃是在飛馬無人家管家制作，以天地圖為設(shè)計(jì)底圖，選用飛馬D2000飛行器搭載D-OP3000傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行航線規(guī)劃(見圖3)，分別設(shè)置航線重疊度為80%，旁向重疊度75%，綜合考慮成圖比例尺(1∶500)和航攝儀的基本參數(shù)，依據(jù)《低空數(shù)字航空攝影測(cè)量外業(yè)規(guī)范》(CH/Z3004-2010)，設(shè)定了2.8 cm地面分辨率(GSD)，同時(shí)確定了相對(duì)飛行高度為180 m，為了保證航拍質(zhì)量，航線設(shè)計(jì)在覆蓋紅線范圍的前提下，在航向上外擴(kuò)180 m，在旁向上外擴(kuò)兩條航線，整個(gè)飛行任務(wù)覆蓋面積為0.531 km2，預(yù)計(jì)飛行時(shí)間37 min，共計(jì)1個(gè)架次(見圖4)。

圖3 航線規(guī)劃示意

圖4 飛行任務(wù)詳情示意

4.3 像控點(diǎn)的布設(shè)與獲取

依據(jù)《低空數(shù)字航空攝影測(cè)量外業(yè)規(guī)范》(CH/Z 3004—2010)進(jìn)行像控點(diǎn)布設(shè)。采取先內(nèi)后外的布設(shè)方式，先在天地圖影像上，初步確定像控點(diǎn)的位置，像控點(diǎn)分布必須覆蓋整個(gè)項(xiàng)目范圍，相鄰像控點(diǎn)之間的距離控制在600～800 m范圍內(nèi)，特殊情況下可以適當(dāng)放寬一定距離，同時(shí)像控點(diǎn)應(yīng)盡量選取特征地物或者突出目標(biāo)，布設(shè)標(biāo)志應(yīng)該擁有較好的對(duì)空視角，不得被樹木或建筑物遮擋，像控標(biāo)志須與背景形成較為明顯的色彩對(duì)比，標(biāo)志形狀必須有明顯的角點(diǎn)，以作為像控點(diǎn)坐標(biāo)采集點(diǎn)，以保證在內(nèi)業(yè)刺點(diǎn)的精度[4-5]。本項(xiàng)目的像控點(diǎn)布設(shè)依據(jù)規(guī)范要求，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，選取了“L”形像控標(biāo)志進(jìn)行布設(shè)，共在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)均勻布設(shè)了7個(gè)像控點(diǎn)，3個(gè)檢查點(diǎn)(見圖5)，并采用GD-CORS網(wǎng)絡(luò)RTK方法測(cè)量獲取像控點(diǎn)、檢查點(diǎn)的外角坐標(biāo)(見圖6)。

圖5 像控點(diǎn)分布示意

圖6 像控點(diǎn)測(cè)量示意

4.4 影像數(shù)據(jù)獲取

該項(xiàng)目航拍利用飛馬無人機(jī)管家智飛行功能模塊對(duì)航拍過程進(jìn)行全程實(shí)時(shí)監(jiān)控，可實(shí)時(shí)可視化顯示飛行軌跡、飛機(jī)狀態(tài)、風(fēng)速地速、電池狀態(tài)、機(jī)身溫度以及GPS定位狀態(tài)，本項(xiàng)目實(shí)際航拍時(shí)長(zhǎng)40 min，飛行里程共計(jì)32 km，五個(gè)航拍鏡頭共獲取航拍片5 970張。

4.5 無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量成果生成及應(yīng)用

1) 三維實(shí)景模型的生成及應(yīng)用

將外業(yè)獲取的五視影像圖和POS數(shù)據(jù)導(dǎo)入自動(dòng)建模軟件中進(jìn)行影像匹配，再加入目標(biāo)坐標(biāo)系下的地面控制點(diǎn)進(jìn)行影像關(guān)聯(lián)完成空三解算，最后通過軟件全自動(dòng)構(gòu)建三維實(shí)景模型，模型多角度反映出了測(cè)區(qū)范圍內(nèi)的地形走勢(shì)、道路交通、河流分布和房屋村落的情況[6-8](見圖7)。

圖7 墾造水田項(xiàng)目中的三維實(shí)景模型示意

三維實(shí)景模型位為項(xiàng)目建設(shè)初期設(shè)計(jì)人員和現(xiàn)場(chǎng)勘查人員開展工作提供了重要資料，它完整反映了建設(shè)項(xiàng)目?jī)?nèi)的真實(shí)情況，項(xiàng)目參建人員可以通過三維實(shí)景模型反映出來植被、道路、水溝、魚塘等信息進(jìn)行項(xiàng)目詳細(xì)選址和進(jìn)場(chǎng)道路規(guī)劃。

2) 數(shù)字線劃圖(DLG)的生成及應(yīng)用

利用清華山維三維測(cè)圖軟件(EPS)對(duì)三維實(shí)景模型直接加載轉(zhuǎn)換生成DSM實(shí)景表面模型，通過裸眼測(cè)圖的方式，在加載好的表面模型上進(jìn)行各種線劃圖要素的提取[9]，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)繪、補(bǔ)測(cè)后，對(duì)數(shù)字線劃圖進(jìn)行整飾和數(shù)據(jù)檢查，合格后輸出符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求數(shù)字線畫圖(見圖8)。

圖8 墾造水田項(xiàng)目中的數(shù)字線劃示意

為設(shè)計(jì)人員開展設(shè)計(jì)工作提供保障，設(shè)計(jì)人員以數(shù)字線劃圖為底圖進(jìn)行項(xiàng)目的詳細(xì)設(shè)計(jì)與規(guī)劃，根據(jù)數(shù)字線劃圖內(nèi)提供的地形地貌信息，詳細(xì)的規(guī)劃出新的田塊、機(jī)耕路、灌溉渠、蓄水池等項(xiàng)目建設(shè)信息。

3) 正射影像圖(DOM)的生成及應(yīng)用

將該項(xiàng)目的正射航拍片和對(duì)應(yīng)的POS數(shù)據(jù)導(dǎo)入PIX-4D mapper軟件新建項(xiàng)目中，在完成相控點(diǎn)關(guān)聯(lián)后，選擇在目標(biāo)坐標(biāo)系下全自動(dòng)處理，自動(dòng)處理過程中，無需人工干預(yù)，全自動(dòng)生成高精度點(diǎn)云、紋理和正射影像圖[10](見圖9)。

圖9 墾造水田項(xiàng)目正射影像示意

通過正射影像圖與數(shù)字線劃圖的疊加分析，相關(guān)參建人員可以了解到項(xiàng)目建設(shè)實(shí)際情況，是否存在不符合設(shè)計(jì)規(guī)劃的情況。建設(shè)完成的項(xiàng)目則可以通過正射影像圖制作出反映新建水田的種植情況的專題地圖。

4) 坡度分級(jí)圖的生成及應(yīng)用

坡度分級(jí)圖是反映地形的重要因子，是描述地形的常用參數(shù)。在ArcGIS軟件下，對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)系、完整性等檢查和轉(zhuǎn)換，然后按照項(xiàng)目范圍紅線進(jìn)行DEM拼接和坡度計(jì)算，并按照規(guī)定的坡度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行坡度分級(jí)，在坡度分級(jí)的基礎(chǔ)上，生成坡度分級(jí)圖[11-13](見圖10)。

圖10 坡度分級(jí)示意

墾造水田項(xiàng)目建設(shè)對(duì)耕地坡度有著嚴(yán)格的要求，對(duì)于坡度超過25°地區(qū)，嚴(yán)禁進(jìn)行墾造水田建設(shè)，設(shè)計(jì)人員在前期可以通過坡度分級(jí)圖，合理規(guī)避剔除不符合坡度過于陡峭的區(qū)域，項(xiàng)目建設(shè)完成后，通過坡度分級(jí)圖檢查項(xiàng)目建設(shè)是否符合坡度設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語

無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)打破了傳統(tǒng)測(cè)量手段的局限性，極大減少了外業(yè)工作量的同時(shí)更加提高了內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的自動(dòng)化和人工干預(yù)，基于無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在墾造水田項(xiàng)目中的應(yīng)用，更是滿足項(xiàng)目建設(shè)工期緊、精度高、階段多，測(cè)量成果需求種類多的要求，“一飛多用”的作業(yè)特點(diǎn)，通過一次外業(yè)航拍飛行，為墾造水田項(xiàng)目建設(shè)提供了三維實(shí)景影像、數(shù)字線劃圖、正射影像圖、坡度分級(jí)圖多種測(cè)繪成果，滿足了項(xiàng)目建設(shè)在不同階段時(shí)期對(duì)測(cè)繪成果的不同需要，對(duì)廣東省墾造水田項(xiàng)目建設(shè)提供了堅(jiān)實(shí)的測(cè)繪保障。