任文勇

（廣東振業(yè)工程咨詢服務(wù)有限公司，廣東 惠州 516003）

1 引言

近年來(lái)，隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷加快，土地資源日益匱乏，為了更好地提高土地資源利用效率，需對(duì)未開(kāi)發(fā)的土地進(jìn)行開(kāi)墾造田，增加實(shí)際的農(nóng)田面積。傳統(tǒng)土地勘察測(cè)量大多由人工完成，測(cè)量效率低，無(wú)法滿足項(xiàng)目需求。為進(jìn)一步確認(rèn)地塊墾造水田的可行性，提高項(xiàng)目復(fù)墾測(cè)量的精準(zhǔn)性與高效率，利用無(wú)人機(jī)對(duì)復(fù)墾地塊進(jìn)行航測(cè)，讓作業(yè)人員通過(guò)高清影像即可核查項(xiàng)目區(qū)實(shí)地、數(shù)量與竣工圖是否一致，可有效縮短項(xiàng)目復(fù)核測(cè)量時(shí)間、降低測(cè)量成本、提高測(cè)量效率。

2 無(wú)人機(jī)航拍測(cè)量技術(shù)概述

無(wú)人機(jī)航拍測(cè)量是一種新興、低空遙感的高新技術(shù)，主要由控制系統(tǒng)、定位定向傳感器、地面監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)、無(wú)線遙控器等構(gòu)成，主要工作原理是以攝影測(cè)量為基礎(chǔ)，通過(guò)在同一飛行平臺(tái)搭載多臺(tái)傳感器設(shè)備，從垂直、傾斜等不同角度采集影像，獲取地面、地物的完整信息，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后獲得所需影像。影像上每個(gè)點(diǎn)都會(huì)有三維坐標(biāo)，基于影像數(shù)據(jù)可對(duì)任意點(diǎn)線面進(jìn)行量測(cè)，獲取厘米級(jí)的測(cè)量精度，并自動(dòng)生成三維地理信息模型[1]。該技術(shù)由于飛行條件限制較少、數(shù)據(jù)精確、成本低、操作簡(jiǎn)單、效率高，且續(xù)航能力強(qiáng)，已在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在墾造水田項(xiàng)目復(fù)核測(cè)量工作中，采用無(wú)人機(jī)航拍測(cè)量技術(shù)能提高內(nèi)業(yè)、外業(yè)測(cè)量工作效率，為項(xiàng)目復(fù)墾驗(yàn)收提供可靠精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3 無(wú)人機(jī)在墾造水田項(xiàng)目竣工驗(yàn)收中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

無(wú)人機(jī)航測(cè)可以獲取大比例尺地形數(shù)據(jù)，具有豐富的三維地理信息，且精度較高，可達(dá)亞米級(jí)別，測(cè)圖精度可達(dá)1∶1000，能滿足高精度需求。在墾造水田項(xiàng)目測(cè)量中，利用無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)獲取高分辨率影像，作業(yè)人員可直觀、清晰地看到項(xiàng)目的地形地貌、土地利用情況、空間布局、路溝渠線狀地物等信息，為地形圖制作奠定良好基礎(chǔ)。

項(xiàng)目開(kāi)展前需要制作大比例尺地形圖，利用低空無(wú)人機(jī)航拍影像和少量地面控制點(diǎn)，能快速制作項(xiàng)目區(qū)大比例尺數(shù)字線劃地圖（DLG）和立體模型[2]，后期內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時(shí)，可以直接從影像上采集項(xiàng)目區(qū)地面地物信息。在墾造水田項(xiàng)目竣工驗(yàn)收復(fù)墾中，高清的竣工影像可清晰呈現(xiàn)項(xiàng)目規(guī)模、墾造地塊數(shù)量，工作人員通過(guò)影像數(shù)據(jù)，即可開(kāi)展項(xiàng)目竣工驗(yàn)收檢查。

4 無(wú)人機(jī)實(shí)例項(xiàng)目應(yīng)用分析

4.1 測(cè)區(qū)概況

龍江鎮(zhèn)沈村墾造水田工程位于廣東省惠州市龍門(mén)縣龍江鎮(zhèn)沈村，介于東經(jīng)113°48′26〞～114°24′58〞，北緯23°20′06〞～23°57′50〞之間，地處廣東省中部、增江上游、珠江三角洲邊緣，東南與河源市、博羅縣接壤，西南與從化市、增城市毗鄰，北與新豐縣相連，距惠州市85 公里。該項(xiàng)目建設(shè)范圍81.2160 畝，其中，建設(shè)前水田0.9345 畝，旱地0.039 畝，可調(diào)整園地79.593 畝，水域及水利設(shè)施用地0.51 畝，城鎮(zhèn)村及工礦0.1395 畝。建設(shè)后水田73.7925 畝，新增水田面積為72.8580 畝，城鎮(zhèn)村及工礦0.1395 畝，交通運(yùn)輸用地1.056 畝，水域及水利設(shè)施用地1.83 畝，其他土地4.398 畝。下面以2020 年度惠州市龍門(mén)縣龍江鎮(zhèn)沈村墾造水田項(xiàng)目市級(jí)驗(yàn)收工程復(fù)核為例，分析無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在該項(xiàng)目中的具體應(yīng)用。項(xiàng)目航攝范圍如圖1 所示。

圖1 沈村墾造水田項(xiàng)目航攝范圍

4.2 無(wú)人機(jī)航拍攝影

首先根據(jù)測(cè)區(qū)范圍進(jìn)行實(shí)地踏勘，掌握測(cè)區(qū)的地形、地貌和氣候環(huán)境，進(jìn)行航線規(guī)劃、像控點(diǎn)設(shè)計(jì)等。其次，完成像控點(diǎn)的布設(shè)與測(cè)量，再開(kāi)展航空攝影作業(yè)。航飛完成后，需按要求檢查影像質(zhì)量，對(duì)質(zhì)量不合格的影像進(jìn)行補(bǔ)測(cè)，直到影像質(zhì)量滿足要求。最后，采用Smart3D ContextCapture 實(shí)景建模軟件對(duì)航空攝影獲取的影像成果進(jìn)行空三加密，完成實(shí)景三維模型及數(shù)字正射影像（DOM）生產(chǎn)，并采用野外檢測(cè)點(diǎn)對(duì)實(shí)景三維模型和DOM 成果精度進(jìn)行檢驗(yàn)，對(duì)于不滿足精度要求的加密區(qū)應(yīng)重新進(jìn)行空三加密，直至成果精度滿足要求。

4.2.1 航攝系統(tǒng)

考慮到沈村墾造水田項(xiàng)目工期緊，航測(cè)作業(yè)量大，且地面分辨率要求高，故外業(yè)航飛采用大疆精靈4 RTK 無(wú)人機(jī)。這是一款小型多旋翼、單鏡頭傾斜攝影、高精度航測(cè)無(wú)人機(jī)，飛行系統(tǒng)是目前市面上數(shù)據(jù)采集最精準(zhǔn)的TimeSync 系統(tǒng)，圖傳系統(tǒng)采用OcuSync，相機(jī)是1 英寸2000 萬(wàn)像素CMOS 傳感器。在高速飛行拍攝時(shí)，每個(gè)相機(jī)鏡頭都能快速捕捉高清影像，確保建圖時(shí)高精度成像。利用D-RTK 2 高精度GNSS 移動(dòng)站，可快速獲取實(shí)時(shí)差分?jǐn)?shù)據(jù)，在低空攝影測(cè)量時(shí)，具備仿地飛行、精準(zhǔn)定位、圖傳輔助、云平臺(tái)管理等豐富的功能配置，能快速獲取地面物體頂面及側(cè)面的高分辨率紋理信息。

4.2.2 航攝設(shè)計(jì)

為確保無(wú)人機(jī)航攝精度，根據(jù)沈村項(xiàng)目實(shí)際情況，需對(duì)測(cè)區(qū)實(shí)地踏勘，然后進(jìn)行航線規(guī)劃、像控點(diǎn)設(shè)計(jì)。

（1）航線設(shè)計(jì)

①地面分辨率

為了提高成果質(zhì)量和作業(yè)效率，根據(jù)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)以及項(xiàng)目成果須滿足1∶500 成圖比例尺、地面分辨率（GSD）須優(yōu)于0.05m 的要求，項(xiàng)目地面分辨率設(shè)計(jì)為優(yōu)于3.0cm。

②相對(duì)航高

在確定地面分辨率之后，根據(jù)航攝相機(jī)焦距、CCD像元大小確定航攝飛行相對(duì)航高。相對(duì)航高也可根據(jù)航攝參數(shù)在地面站軟件自動(dòng)計(jì)算。數(shù)字航空攝影的地面分辨率與飛行相對(duì)高度關(guān)系如圖2 所示。

圖2 地面分辨率與飛行相對(duì)高度關(guān)系

公式中，h為飛行高度，f為鏡頭焦距（mm，下視相機(jī)），a為像元尺寸（3.9μm），GSD為地面分辨率。按照公式可求得相應(yīng)GSD的飛行高度。

③重疊度

為成功建立實(shí)景三維模型，需在傳統(tǒng)航空攝影作業(yè)規(guī)范要求基礎(chǔ)上加大重疊度，設(shè)計(jì)時(shí)做好鏡頭的焦距、像幅大小等參數(shù)計(jì)算。項(xiàng)目設(shè)計(jì)航向重疊度為80%；旁向重疊度為75%，局部分區(qū)可根據(jù)實(shí)際情況再行調(diào)整。

④航線敷設(shè)

根據(jù)傾斜攝影的特點(diǎn)，考慮傾斜像機(jī)獲取數(shù)據(jù)的完整性，以最優(yōu)的45°角理論計(jì)算，旁向、航向超出攝區(qū)邊界線應(yīng)不少于相對(duì)航高的距離。如：相對(duì)航高120m，則旁向、航向必須超出攝區(qū)邊界線120m 以上，方可保證后期成功建立攝區(qū)完整的實(shí)景三維模型。為此，本項(xiàng)目航高設(shè)置為120m。

（2）航飛像控點(diǎn)設(shè)計(jì)

按照《低空數(shù)字航空攝影測(cè)量外業(yè)規(guī)范》（CH/Z 3004-2010）和《數(shù)字航空攝影測(cè)量控制測(cè)量規(guī)范》（CH/T 3006-2011）有關(guān)要求，沈村墾造水田項(xiàng)目的像控點(diǎn)采用區(qū)域網(wǎng)方法布點(diǎn)，航攝分區(qū)的四角及中心、凸凹轉(zhuǎn)角處布設(shè)像控點(diǎn)，且在測(cè)區(qū)均勻布點(diǎn)。四角的像控點(diǎn)布設(shè)在航攝分區(qū)范圍外邊緣處及兩條航線重疊區(qū)域，中心點(diǎn)布設(shè)在航攝分區(qū)中心。

4.2.3 航飛像控點(diǎn)測(cè)量

航飛像控點(diǎn)布設(shè)是項(xiàng)目坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是提升測(cè)量成果精度的重點(diǎn)。沈村項(xiàng)目外業(yè)航拍前根據(jù)項(xiàng)目周邊情況，布設(shè)相應(yīng)數(shù)量的像控點(diǎn)，且布設(shè)位置均勻，以便順利開(kāi)展像控點(diǎn)測(cè)量。像控點(diǎn)測(cè)量首選基于GDCORS 的網(wǎng)絡(luò)RTK 模式，由網(wǎng)絡(luò)RTK 直接測(cè)定像控點(diǎn)三維坐標(biāo)，再利用相應(yīng)的轉(zhuǎn)換參數(shù)將平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到成圖坐標(biāo)系，利用GDCORS 服務(wù)管理中心提供的七參數(shù)直接測(cè)定成圖坐標(biāo)系的平面坐標(biāo)和正常高；不能接收GDCORS 網(wǎng)絡(luò)RTK 服務(wù)時(shí)，采用單基站RTK 測(cè)量方法施測(cè)[3]。為此，在測(cè)量作業(yè)時(shí)，每次觀測(cè)歷元數(shù)不少于20 個(gè)，采樣間隔2s ～5s；或每次觀測(cè)歷元數(shù)不少于100 個(gè)，采樣間隔1s；數(shù)據(jù)采集設(shè)置單次觀測(cè)的平面收斂精度不應(yīng)大于2cm，高程收斂精度不應(yīng)大于3cm；各次初始化測(cè)量的空間坐標(biāo)依照平面坐標(biāo)較差不超過(guò)4cm，高程較差不超過(guò)4cm；不符合要求時(shí)加測(cè)一次；若三次各不相同，則在其他時(shí)間段重新觀測(cè)；測(cè)回間應(yīng)對(duì)儀器重新初始化，測(cè)回間的時(shí)間間隔應(yīng)超過(guò)60s；測(cè)回間的平均坐標(biāo)分量較差不應(yīng)超過(guò)2cm，垂直坐標(biāo)分量較差不應(yīng)超過(guò)3cm；取各測(cè)回結(jié)果的平均值作為最終觀測(cè)成果。觀測(cè)結(jié)束后及時(shí)將數(shù)據(jù)從GPS 接收機(jī)轉(zhuǎn)存到計(jì)算機(jī)，確保觀測(cè)數(shù)據(jù)不丟失，并拷貝備份由專人保管[4]。同時(shí)按測(cè)站或一天的數(shù)據(jù)保存原始數(shù)據(jù)，及時(shí)統(tǒng)計(jì)不滿足精度要求的點(diǎn)，并組織重測(cè)工作。

而像控點(diǎn)高程首選采用廣東省似大地水準(zhǔn)面精化模型計(jì)算，亦可采用聯(lián)測(cè)GPS/水準(zhǔn)點(diǎn)的方式進(jìn)行高程擬合，建立高程轉(zhuǎn)換模型。測(cè)區(qū)像控點(diǎn)RTK 高程測(cè)量采用圖根精度等級(jí)，主要技術(shù)要求不超過(guò)表1 規(guī)定[5]。

表1 RTK高程測(cè)量主要技術(shù)要求（mm）

4.2.4 航攝飛行

在航攝飛行作業(yè)時(shí)，首先，嚴(yán)格檢查并記錄遙控器、相機(jī)、GPS 定位以及電池等情況，確保無(wú)人機(jī)在正常狀態(tài)下升空作業(yè)。其次，無(wú)人機(jī)在測(cè)區(qū)空地起飛，并進(jìn)入航線開(kāi)始攝影作業(yè)，測(cè)量全過(guò)程根據(jù)預(yù)設(shè)的各項(xiàng)參數(shù)自動(dòng)化作業(yè)，按航攝預(yù)定航線完成全部地塊測(cè)量工作，本次共獲取150 張照片。

4.2.5 航攝內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

在完成沈村項(xiàng)目測(cè)區(qū)外業(yè)航攝后，還需對(duì)采集到的數(shù)據(jù)、航拍到的照片進(jìn)行內(nèi)業(yè)處理及過(guò)濾，處理包括像控點(diǎn)刺點(diǎn)、空三加密等。項(xiàng)目使用Smart3D ContextCapture 實(shí)景建模軟件完成空三加密，該軟件首先對(duì)處理后的照片進(jìn)行特征點(diǎn)檢測(cè)與匹配，再通過(guò)空三解算獲取每張影像的內(nèi)外方位元素，便可完成全自動(dòng)空三加密、嚴(yán)密平差解算、實(shí)景三維建模、正射影像生產(chǎn)等工作。本次航攝影像精度已接近1∶1000，為獲取滿足1∶1000 精度的正射影像，還需采用處理軟件拼接出沈村項(xiàng)目區(qū)域的正射影像，然后根據(jù)實(shí)測(cè)竣工圖提取5 個(gè)控制點(diǎn)坐標(biāo)，利用DEM 軟件對(duì)拼接后的正射影像進(jìn)行糾正，以獲得高精度的正射影像。考慮到影像拼接容易曝光而出現(xiàn)色差問(wèn)題，復(fù)核人員還需對(duì)影像進(jìn)行編輯，如對(duì)影像的亮度、反差、色調(diào)、飽和度分布不均勻現(xiàn)象進(jìn)行校正。經(jīng)編輯處理后，DOM能滿足沈村墾造水田項(xiàng)目竣工驗(yàn)收要求。

在獲得DOM 后，將獲取的影像圖與竣工圖進(jìn)行疊加（如圖3 所示），使作業(yè)人員清楚掌握項(xiàng)目竣工情況。為確保項(xiàng)目田塊平整度與竣工圖一致，可從航攝影像中抽出幾個(gè)田塊生成斷面圖，并從圖中取出最高值與最低值，只要差值在10cm 以內(nèi)便可確定其與竣工圖是否一致。通過(guò)疊加對(duì)比，新增水田面積一目了然，經(jīng)過(guò)內(nèi)業(yè)建設(shè)紅線套合DOM 處理，扣除田坎、路、渠等面積，便能計(jì)算出項(xiàng)目實(shí)施后新增水田面積。經(jīng)計(jì)算，本項(xiàng)目建設(shè)后新增水田73.7925 畝，城鎮(zhèn)村及工礦0.1395 畝，交通運(yùn)輸用地1.056 畝，水域及水利設(shè)施用地1.83 畝，其他土地4.398 畝，具體如表2 所示。

圖3 竣工圖與正射影像疊加

表2 沈村墾造水田項(xiàng)目建設(shè)前、后數(shù)據(jù)對(duì)比

5 結(jié)論

根據(jù)無(wú)人機(jī)航攝技術(shù)在沈村墾造水田工程復(fù)核中的應(yīng)用情況可以看出，采用無(wú)人機(jī)航攝測(cè)量能夠真實(shí)反映地物的實(shí)際情況，使工作人員從多個(gè)角度觀察地面物體，不僅能將大量外業(yè)工作轉(zhuǎn)換成內(nèi)業(yè)，減少作業(yè)人員的野外工作量，縮短項(xiàng)目復(fù)核測(cè)量時(shí)間，同時(shí)通過(guò)配套軟件應(yīng)用，還能提升墾造水田項(xiàng)目野外工作效率，使墾造水田項(xiàng)目復(fù)核實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量。