无人机低空摄影测量技术在美丽乡村建设中的应用

（厦门海沧市政建设管理中心 福建厦门 361026）

1 引言

党的十八大提出建设美丽中国的方针，美丽乡村建设是生态文明建设的重要组成部分，是建设美丽中国的重要组成部分。在加快新农村建设步伐之中，农村土地信息调查和规划设计起着至关重要的作用。在新农村规划建设过程中，数字测绘产品如数字正射影像、数字线划图等作为基础的数据输入和数据依据，是土地信息调查和规划设计中的不可或缺的组成部分。

传统地信息调查和规划设计中，采用高空摄影测量或卫星遥感的测量手段以获取大范围影像数据，但具有成本高、分辨率低等缺点。为获取大比例尺，如比例尺为1:5000、1:2000的地形图时，往往采用传统的工程测量的方式进行，但工程测量获取测绘成果的方式制作周期长、自动化程度低、成本高，具有一定的局限性。无人机是一种灵活机动的数据采集平台，采用无人机进行低空摄影测量获取快速可靠的测量成果已广泛应用于农村规划和建设∶文献[1]中利用无人机遥感信息提取进行用地类型现状提取用于新农村规划；文献[2]中利用无人机遥感系统进行土地复垦；文献[3]则针对无人机所采集的数据进行农村宅基地半自动提取。

笔者以厦门市海沧区东孚镇美丽乡村项目为应用案例，介绍无人机航测数据采集方法和数据处理手段，对所获取的数据成果进行精度评定，分析无人机航测系统的特点和优势，对其应用前景进行展望。

2 无人机低空航测系统组成、特点

近年来，无人机（UAV，Unmmanned Aerial Vehicles）技术得到了长足发展，基于无人机飞行平台的低空摄影测量技术已显示其独特优势。无人机低空航测系统以无人机为飞行平台，搭载非量测数码相机，并集成相应的飞行控制系统，由地面控制系统实现航迹规划，实现自动化精的确获取地面影像数据。

相较于传统航空摄影测量，无人机低空摄影测量具有如下独特优势∶购置和维护成本极低；随着国家政策对低空空域的逐渐开放，无人机的审批流程和作业方式更加机动灵活；受天气影响小；能快速获取大比例尺的高精度精细影像，制作周期短[2]。因此，它弥补了传统航测和工程测量的不足，是获取大比例尺地形图技术手段的一种有力补充。

但与此同时，由于无人机所搭载的相机为非量测相机，成像具有较大的畸变差；飞行姿态容易受风力影响，导致其旋偏角过大，匹配难度高、效率低；无人机所采集的数据重叠度高，影像数据量大等这些特点，使得无人机影像数据处理具有一定难度。

3 无人机数据处理流程

采用意大利Menci 公司的APS 数据处理软件，可以处理带有GPS的无人机数据影像，并可用于制作DTM、等高线、正射镶嵌影像等。其处理流程如下图1所示。

图1 无人机低空摄影测量数据处理流程图

具体处理步骤如下∶

1）相机内定向和畸变纠正。由于无人机所搭载的相机为非量测相机，在成像时会存在较大的畸变差，必须对影像进行畸变差改正，主要是光学畸变差改正。进行光学畸变差改正的前提是需要获取相应的相机参数，基于计算机视角的方法，采集区域内的影像样张，进行相机标定，即相机内定向，从而最终得到经过相机畸变纠正后的影像。

2）影像匹配。无人机具有易受风力影响，旋偏角大，飞行姿态不稳定等特点，采用传统的基于像素匹配的算法很难得到稳定可靠的匹配点。APS 采用具有旋转尺度不变性的匹配算子，并能采用基于多线程的GPU 加速算法[4]，快速获取得到具有鲁棒性的密集匹配点。

3）加入相控点的空中三角测量。基于无人机所采集的GPS 数据，以及影像匹配所得到的密集匹配点，采用光束法区域网平差算法，解算出相机曝光时刻的飞行位置和姿态。并引入实际相控点位置进行联合平差，将测量成果转换为地方坐标。

4）DEM 生成。通过空三算解算获取得到无人机的飞行姿态和位置信息，以及密集匹配得到的特征点，获取到大量的地面加密点坐标信息。采用相应的坐标内插方法和滤波算法得到相应的DEM数据。并将DEM 采用人工交互的方式对其进行编辑，修改不满足空间几何拓扑关系的地物，最终基于修改后的DEM 成果。

5）正射影像纠正和镶嵌。对生成的DEM 进行正射影像纠正，基于拼接线避开房屋断裂区域和光照不均匀阴影区域对正射影像镶嵌，并进行色调调整和匀光处理，使得到的正射影像色调一致，成像均匀。

6）其他测绘产品生成。在完成空三解算后，将畸变纠正后的影像和空三数据导入到适普的立体测图环境中，在立体环境下进行测图，得到相应的数字线划图。并生成等高线和高程点。

4 应用案例

笔者这次无人机数据采集，采用的Ebee 无人机是由瑞士传感器制造商SenseFly 生产的一款轻型无人机，它采用模块化设计，有可拆卸机翼，方便携带和运输。飞机采用弹性泡沫制作而成，静重0.63kg，翼展96cm，巡航速度36-57km/h，续航时间45min。飞机采用手动抛射起飞、机腹滑降模式，爬升、飞行摄影和降落过程都按照地面控制系统的飞控软件Emotion2 事先规划的路线进行自主完成，易于操控，不需要配备专门的飞行操控手。该飞机搭载了一台像素为1600万像素的相机的卡片相机，地面分辨率可捕获3-30厘米地面分辨率的相片。

测区隶属于福建省厦门市海沧区东孚镇，寨后村、过坂村、洪塘村、山边村，测区以居民地为主，人口较密集，地貌以平地为主。以过坂村杨厝、后坑社作为具体案例进行分析，共获取了约0.97 平方公里的影像数据。航摄当天，风力四级左右，光照条件良好。航高约200米，影像分辨率达到0.1m，航摄过程中的航向重叠度为为70%，旁向重叠度60%。下图2所示为航摄飞行所获取的样张数据，从该相片可以看出，影像成像清晰，反差适中，色调柔和，相点位移小，符合内业数据处理要求[5]。

图2 低空摄影测量数据采集获取影像样张

基于区域网空中三角摄影测量相控点布设方法在区域网周边进行布设相控点。为保证相控点选点要求，采用塑料标靶布设相控点，标靶放置于位置开阔、不被阴影遮蔽的平地上。采用网络RTK测量方法进行测量，并与基站进行联测，获取其对应的WGS84坐标和西安80坐标。

基于所获取的无人机遥感影像和相控点测量成果采用本文所述的数据处理方法，得到相应的数字正射影像、数字线划图。如下图3所示，分别为生成的正射影像概略图、以相应细节的放大图、数字线划图。

图3 无人机低空摄影测量应用实例测绘成果。左图：数字正射影像概略图；右图上：正射影像细节图；右图下：细节部位数字线划图成果

5 结果分析

1）质量分析。从图3中可以看出，正射影像的成像清晰，层次丰富，反差适中，色调柔和，没有明显的拼接线痕迹。能够建立清晰的立体模型，并绘制出相应的数字线划图。

2）精度分析。根据成图比例尺为1:2000的测量规范要求，基本定向点平面坐标残差和地物点平面位置中误差不应大于下表1的规定。

表1 成图比例尺为1:2000 数字正射影像基本定向点残差和平面位置中误差

在本测区均匀布设了8个相控点，控制点的平面位置中误差如下表2所示。

从表2结果可知，其测量精度完全符合相应的1:2000 数字正射影像图和数字线划图规范要求[5]。

3）效率分析。采用无人机低空摄影测量，大大缩短了成图制作周期。以院前村为例，外业航飞和相控点的布设时间只耗费了1个工日，内业数据处理和成图总共只耗费了4个工日，相较于传统的航空摄影测量和工程测量，大大提高了成图效率。并且由于自动化程度高，极大程度上节省了人力物力。

表2 平面控制点误差精度

6 结论

随着新农村建设步伐的加快，农村土地信息调查和规划设计起着至关重要的作用。为获取得到相应的测绘成果，无人机低空摄影测量技术作为一种有效的技术手段，对于传统航空摄影测量和工程测量而言，它具有如下明显优势∶①作业效率高，所花费的成本低、自动化程度高；②由于体积小方便携带、受空域限制小，受气候和季节影响小，作业方式更加灵活机动；③内业数据处理成果精度高、制作周期短，数据成果直观、准确。

综上所述，采用无人机航测系统进行数据采集和数据处理，能为大比例尺土地信息调查提供测绘数据的输入，同时满足土地规划设计的需求，从而为我国现阶段新农村建设提供快速的测绘数据更新成果，为农村土地资源的合理规划利用和管理提供一种可靠的数据采集手段和数据支持。

[1]徐丽华.基于无人机航拍遥感影像的新农村规划研究[J].上海农业学报，2010(3).

[2]吴正鹏.无人机低空遥感系统在土地复垦中的应用[J].城市勘测，2013（12）:82～88.

[3]张栩然.顾及纹理和形状特征的无人机影像中农村宅基地提取研究[J].遥感信息，2013(4).

[4]John D Owens，David Luebke，Naga Govindaraju，et al.A Survey ofGeneral-Purpose Computation on Graphics Hardware[J].Computer Graphics.2007.

[5]CH/Z 3003—2010.低空数字摄影测量内业规范[S].