張 李 平

(福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系，福建 南平 353000)

0 引 言

通過無人機(jī)所攜帶測(cè)量?jī)x器，可以從天空向下方拍攝地物信息，利用圖片處理或者地理信息處理軟件，可以將通過無人機(jī)航攝得到的影像轉(zhuǎn)換成可以被直接利用的數(shù)據(jù)圖像。相比起實(shí)際測(cè)量，無人機(jī)遙感技術(shù)具備相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)，包括成本低廉、不耗費(fèi)人力物力，可以重復(fù)循環(huán)使用等。因此，無人機(jī)遙感就成為了我國(guó)處理地物信息測(cè)量的重要方法。

在現(xiàn)有的幾種測(cè)量方法中，文獻(xiàn)[1]將低空無人機(jī)航空攝影技術(shù)應(yīng)用在土地規(guī)劃與設(shè)計(jì)的領(lǐng)域，并通過這種具備強(qiáng)大機(jī)動(dòng)性的航測(cè)技術(shù)，保證土地規(guī)劃工作的順利進(jìn)行，以此提高了信息收集與整理的效率。但是這種技術(shù)只適用于土地規(guī)劃，無法準(zhǔn)確測(cè)得土地面積。文獻(xiàn)[2]研究了GIS測(cè)繪技術(shù)在土地測(cè)量工程中的應(yīng)用，通過加強(qiáng)土地測(cè)量過程中數(shù)據(jù)采集、管理、處理等方面的能力，提高測(cè)量效率與精確度，但是由于難以辨別原始底圖中的信息，導(dǎo)致成圖的精度達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)。文獻(xiàn)[3]為了提高測(cè)繪過程中數(shù)據(jù)采集的能力，使用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，建立了實(shí)景的三維模型，減輕了外業(yè)工作的壓力，提高了數(shù)據(jù)采集的效率和精確度。但是這種方法更適合應(yīng)用于采集土地?cái)?shù)據(jù)工作，對(duì)數(shù)據(jù)的整理、內(nèi)業(yè)圖斑勾繪、地物信息整理、面積的精準(zhǔn)計(jì)算均沒有更好的幫助。

綜合所述，設(shè)計(jì)了一種基于無人機(jī)遙感技術(shù)的土地利用面積精準(zhǔn)測(cè)量方法。

1 基于無人機(jī)遙感技術(shù)的土地利用面積精準(zhǔn)測(cè)量方法

1.1 預(yù)處理無人機(jī)遙感影像

預(yù)處理無人機(jī)遙感影像之前，需要首先分清遙感影像的匹配精度，并根據(jù)匹配精度選擇無人機(jī)遙感影像預(yù)處理方法。若多光譜與全色數(shù)據(jù)匹配精度較高，可以直接通過波段重組的方法合成彩色圖像，通過設(shè)置控制點(diǎn)進(jìn)行模型解算和平面平差的糾正，進(jìn)而實(shí)施圖像裁剪、色差調(diào)整、圖像拼接等[4]。若多光譜數(shù)據(jù)與全色數(shù)據(jù)匹配精度較差，需要首先配準(zhǔn)多光譜波段，然后進(jìn)行自然采光影響的合成與重組，將經(jīng)過單模解算的高程數(shù)據(jù)融入平差計(jì)算中，最后根據(jù)測(cè)量區(qū)域面積的大小，切割最佳的裁減區(qū)域，將不同類型的地物特征制作成DEM數(shù)據(jù)[5-6]。對(duì)于多光譜數(shù)據(jù)與全色數(shù)據(jù)的匹配精度，可以通過投影方程來判斷。

(1)

式中，xm表示相機(jī)拍攝的平面坐標(biāo)上的橫向坐標(biāo)；ym表示該平面上的縱向坐標(biāo)；Lj表示大地直角坐標(biāo)系橢圓球面上的經(jīng)度坐標(biāo)；Bw表示大地直角坐標(biāo)系橢圓球面上的緯度坐標(biāo)；Fx和Fy則為平面上橫向坐標(biāo)與縱向坐標(biāo)的投影函數(shù)。經(jīng)過坐標(biāo)系的投影，一般需要對(duì)其進(jìn)行高斯坐標(biāo)正算投影的轉(zhuǎn)換，可以通過公式(2)來實(shí)現(xiàn)。

(2)

式中，xi和yi分別表示遙感影像中多光譜與全譜影像匹配色差的調(diào)整參數(shù)，ax表示在x軸上光差偏移的位置向量，by表示在y軸上全色光差偏移的位置向量；Fn表示高斯投影的弧長(zhǎng)精度。

通過以上2個(gè)公式，可以直接判定多光譜數(shù)據(jù)與全色數(shù)據(jù)的匹配精度，進(jìn)而決定預(yù)處理無人機(jī)遙感影像的方法。

1.2 清除遙感影像奇點(diǎn)數(shù)據(jù)

通過攝影數(shù)據(jù)計(jì)算土地利用面積時(shí)數(shù)據(jù)的失準(zhǔn)問題，通常都是因采集數(shù)據(jù)時(shí)丟失大量數(shù)據(jù)，或數(shù)據(jù)中存在明顯錯(cuò)誤導(dǎo)致的[7]，這類數(shù)據(jù)被稱為數(shù)據(jù)中的奇點(diǎn)，若遙感影像中的奇點(diǎn)過多，包含的奇異數(shù)據(jù)量過大，很容易導(dǎo)致影像信息失去精準(zhǔn)性，因此需要通過各類方法減少影像中的奇點(diǎn)。拉伊達(dá)法則中對(duì)于數(shù)據(jù)的定位更適應(yīng)于遙感影像，所以使用遙感影像得到的土地定位精度較其他方法更高。首先需要提前設(shè)置某樣本集Ak，其中包含若干數(shù)據(jù){A1，A2，…，Ak}，在設(shè)定殘余誤差的前提下，該樣本集中的標(biāo)準(zhǔn)偏差約為Xg，則可以得到如公式(3)所示的不等式：

|Cs|>kXg

(3)

式中，Cs表示樣本集通過以上數(shù)據(jù)得到的殘余誤差，Xg表示樣本集的標(biāo)準(zhǔn)偏差，k表示樣本數(shù)量。若公式(3)成立，則表明樣本集中的奇點(diǎn)數(shù)據(jù)過多，極易導(dǎo)致土地分區(qū)定位出現(xiàn)較大的誤差?？梢酝ㄟ^計(jì)算算術(shù)平均值的方式求出經(jīng)度坐標(biāo)和緯度坐標(biāo)的平方和。

(4)

(5)

若經(jīng)度坐標(biāo)或緯度坐標(biāo)的平方和ΔAi或ΔBi大于0，則表示該段數(shù)據(jù)中存在奇點(diǎn)數(shù)據(jù)，應(yīng)當(dāng)予以清除。得到奇點(diǎn)數(shù)據(jù)后，該遙感影像就基本滿足使用需求，可以被直接利用。

1.3 遙感信息解譯與地類判定

相比起通過其他渠道得到的影像，遙感影像最大的優(yōu)點(diǎn)在于能夠提高定位精度[8-9]，因此在得到可以直接被利用的影像數(shù)據(jù)之后，就需要直接解譯影像數(shù)據(jù)中的地物信息，其基本流程如圖1所示。

圖1 遙感影像解譯流程

圖1中，遙感影像解譯流程為首先建立遙感影像的解譯模板，同時(shí)設(shè)置遙感影像中的地形特征的判定依據(jù)，方便遙感影像中不同土地類型的自動(dòng)化處理；然后需要建立圖斑勾繪的比例尺、邊界以及矢量圖層結(jié)構(gòu)[10-11]；最后手動(dòng)勾繪圖斑，區(qū)分土地類別，并在屬性界面填寫相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)遙感影像的解譯與地物判定。

1.4 精準(zhǔn)測(cè)量土地利用面積

土地可以大致分為平面土地和曲面土地兩種，如果是平面土地，只需要按照較為簡(jiǎn)單的平面計(jì)算方式，就可以得到面積的數(shù)值；但若是曲面土地，則需要經(jīng)過較為復(fù)雜的計(jì)算[12]。通過遙感影像得到的平面土地，需要使用投影法，將影像中的軌跡點(diǎn)全部放入平面中，其中在以x軸和y軸為主導(dǎo)的平面中數(shù)據(jù)點(diǎn)可以標(biāo)記為(an，bn)，在以y軸和z軸為主導(dǎo)的平面中數(shù)據(jù)點(diǎn)可以標(biāo)記為(bn，cn)，以x軸和z軸為主導(dǎo)的平面中數(shù)據(jù)點(diǎn)可以標(biāo)記為(an，cn)[13]。則該組土地的多邊形面積可以通過公式(6)計(jì)算得到。

(6)

式中，Spm表示投影中平面多邊形土地的總面積；aj和aj+1分別表示在x軸上前后相鄰的2個(gè)坐標(biāo)；bj和bj+1分別表示在y軸上前后相鄰的2個(gè)坐標(biāo)，cj+1表示在z軸上的一個(gè)坐標(biāo)。如果是曲面的土地，則需要通過曲面擬合法，建立一個(gè)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的矢量空間，并通過公式(7)，將所有網(wǎng)格的面積累加在一起。

(7)

式中，Sqm表示遙感影像的土地中某一塊曲面的面積[14]，xi表示矢量網(wǎng)格的面積?？梢酝ㄟ^公式(8)計(jì)算xi的數(shù)值。

(8)

式中，xa，b、xb，c、xa，c分別表示正交分割后x軸和y軸、y軸和z軸、x軸和z軸相交的網(wǎng)格曲面面積[15]。將公式(6)～(8)輸入計(jì)算機(jī)中，可以直接得到不同種類的土地利用面積。通過以上步驟，就能夠得到土地利用面積精準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果。

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

上文設(shè)計(jì)了一種基于無人機(jī)遙感技術(shù)的土地利用面積精準(zhǔn)測(cè)量方法。為檢測(cè)該方法的土地精準(zhǔn)測(cè)量精度，選取如圖2所示的區(qū)域作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。

圖2 土地利用分類

在圖2中，將該片區(qū)域劃分為若干類型，其中A類區(qū)域?yàn)槭卟祟愖魑?，共分?塊分區(qū)；B類區(qū)域?yàn)榉课萁ㄖ?，共?個(gè)分區(qū)；C類區(qū)域?yàn)榧Z食類作物，共有4個(gè)分區(qū)；D類區(qū)域?yàn)榭盏?、荒地，其中或沒有植被，或生長(zhǎng)有草類植物。由外業(yè)工作人員使用測(cè)量?jī)x器分別測(cè)得該塊土地中各類土地的面積，其中A類區(qū)域的總面積為1124.35 m2，B類區(qū)域的總面積為327.74 m2，C類區(qū)域的總面積為845.56 m2，D類區(qū)域的總面積為1 078.96 m2。在實(shí)驗(yàn)中，選擇低空無人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)、GIS測(cè)繪技術(shù)、傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，與文中設(shè)計(jì)的無人機(jī)遙感技術(shù)技術(shù)進(jìn)行對(duì)比。4種方法均可以通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理圖像中的地物類型，結(jié)合分辨率，可以計(jì)算出各塊土地的實(shí)際面積：

Sfz=nxyGgStx

(9)

式中，Sfz表示圖像中某塊區(qū)域的真實(shí)面積，單位為m2；nxy表示經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，單位面積所能容納的像元數(shù)量；Gg表示鏡頭焦距，在本實(shí)驗(yàn)中所有鏡頭一律采用15 mm；Stx表示在地圖中該塊土地的面積。

通過以上計(jì)算，可以通過攝像機(jī)與計(jì)算機(jī)計(jì)算出某片區(qū)域的計(jì)算面積，如公式(10)所示。

S0=S1+S2+…+Sn

(10)

式中，S0表示該片區(qū)域內(nèi)任意一種地物類型的總面積；Si(i=1，2，…，n)表示該地物類型區(qū)域的第i城標(biāo)號(hào)區(qū)域面積。以此類推，然后計(jì)算A、B、C、D 4種土地類型的總面積，通過累加法計(jì)算其總面積。通常情況下，通過4種方法計(jì)算出的土地利用面積與經(jīng)過測(cè)量得到的面積數(shù)值不一，因此需要計(jì)算各面積測(cè)量的精度，其公式為

(11)

式中，βj表示經(jīng)過計(jì)算機(jī)計(jì)算的土地利用面積與實(shí)際測(cè)量面積的精度指標(biāo)，Ss表示經(jīng)過計(jì)算機(jī)計(jì)算的土地面積，Sc表示實(shí)際測(cè)量的土地面積。由于本實(shí)驗(yàn)的圖像依賴于攝像機(jī)拍攝的圖像，所以不同拍攝高度下，圖像中像素的數(shù)量數(shù)是不同的，這也直接導(dǎo)致在拍攝高度不同的情況下，計(jì)算土地利用面積的數(shù)值也不相同，因此在本實(shí)驗(yàn)中，將拍攝高度作為變量，分別測(cè)試80、100、120、140、160、180和200 m的拍攝高度下，4種地物類型的總體測(cè)量精度。

2.2 土地利用面積測(cè)量精度測(cè)試

將土地利用面積測(cè)量精度測(cè)試中拍攝初始的高度設(shè)定為80 m，逐漸增加梯度，通過計(jì)算機(jī)得到的土地利用面積測(cè)量精度會(huì)逐漸降低，通過公式(11)計(jì)算精度指標(biāo)，并將計(jì)算結(jié)果整理為圖3。

(a)A類土地 (b)B類土地

如圖3所示，在4類不同地物的面積測(cè)量中，B類土地的測(cè)量精度普遍高于其他3類土地，這是因?yàn)锽類土地實(shí)際面積較小，區(qū)塊較少，更易測(cè)量。圖3的拍攝高度保持在200 m以下，此時(shí)的A類土地的測(cè)量中，無人機(jī)遙感技術(shù)技術(shù)的測(cè)量精度均高于96.6%，傾斜攝影的測(cè)量技術(shù)高于95%，GIS測(cè)繪技術(shù)的測(cè)量精度高于95.8%，低空攝影測(cè)量的精度高于94%。在B類土地中，4種測(cè)量方法的最低精度分別為98%、97.1%、97%、95.6%，C類土地的最低測(cè)量精度分別為96.4%、94.6%、95.4%、94.2%，D類土地的最低精度分別為96.1%、95%、94.9%、93.7%。以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，通過無人機(jī)遙感技術(shù)得到的土地面積數(shù)據(jù)精度更高，誤差最小。

3 結(jié) 論

本文通過遙感影像的解譯與處理，設(shè)計(jì)了一種基于無人機(jī)遙感技術(shù)的土地利用面積精準(zhǔn)測(cè)量方法，以此對(duì)現(xiàn)有土地利用面積測(cè)量方法精度不足的問題進(jìn)行了研究與優(yōu)化。并通過實(shí)驗(yàn)，將該方法與現(xiàn)有的幾種方法分別進(jìn)行了精度的檢測(cè)，通過分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，本文方法精度更高，實(shí)際應(yīng)用效果更好。