基于CORS系统与无人机遥感技术的大比例尺测图

2018-12-13林选妙

科技创新与应用 2018年29期

林选妙

摘要：文章以厦门市鼓浪屿为例，在对其人口统计数据、地名数据库等资料分析的基础上，介绍了利用无人机系统和FJCORS系统进行航拍、控点测量及影像精度评定，解译制作建筑分布图，将数据进行三维重建，制作地籍数据库的技术方法与工作流程。研究表明，无人机大比例测图的精度高，机动性强，操作方便快捷，明显优于传统测图方法，可为工程项目和测图提供可靠参考。

关键词：CORS系统；网络RTK；无人机；遥感；大比例尺测图

中图分类号：TP75 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）29-0158-04

Abstract： Taking Gulangyu in Xiamen as an example， based on the analysis of its demographic data and toponymic database， this paper introduces the aerial photography， control point measurement and image accuracy evaluation using UAV system and FJCORS system. The technical method and work flow of building layout map interpretation， 3D reconstruction of data and cadastral database production. The research shows that the large scale mapping of UAV has the advantages of high precision， strong maneuverability， convenient and quick operation， which is obviously superior to the traditional mapping method， and can provide reliable reference for engineering projects and mapping.

Keywords： CORS system； network RTK； UAV； remote sensing； large scale mapping

引言

無人机技术经过几十年的快速发展，从技术角度看已经相对成熟。近年来民用无人机产品在全球个人消费市场的销售规模出现几何式的发展[1]。无人机在各个行业的应用快速发展起来，未来将广泛的被应用起来。在测绘中，无人机的出现改变了传统测绘的费时耗力，在突发灾害应急测绘[2]，国土地质资源监测，资源调查[3]，快递物流[4]等方面得到广泛应用。

与传统测绘相比较，无人机测图具有大尺度性、宏观性、处理速度快、快捷方便等优势。可极大地节省人力物力，使常规地形测量能够高效，快速地实现。虽然目前国内无人机测图技术并没有形成一套完善的标准与制度，但已经比较成熟了。如江西省煤田地质局2015年eBee无人机农村土地经营权确权中的应用[5]、武汉市城区1：500、1：2000大比例尺航测数字化测图[6]，中山市航空摄影1：2000地形图[7]。因此，文章以厦门鼓浪屿为例，阐述无人机遥感技术在大比例尺测图中的应用，探讨其应用的可行性，对相关高精度测图数据获取具有重要参考意义。

1 基础数据收集

（1）人口数据。《厦门市人口增长及分布与土地功能之间关系研究》（2012年）报告显示，截止2012鼓浪屿内厝社区含户籍与非户籍总人口共7849人，龙头社区总人口共9105人。并利用基础数据绘制鼓浪屿社区分界线，得到鼓浪屿社区人口与面积统计图。

（2）建设用地数据。本次采用鼓浪屿2014年全国第二次土地调查数据，根据设计好的建设用地分类，如表1所示。

根据统计分析得出：鼓浪屿城市用地和沿海滩涂地面积最大，都占总面积的29%，其次为港口码头用地，占18%，有林地占到9%，裸地与沙地面积最小占到总面积的4%，其中裸地主要为岩石地表。

2 基于FJCORS的像控点测量及影像精度评定

2.1 基于CORS系统的像控点测量

2.1.1 CORS及FJCORS概况

CORS系统，简称连续运行参考站系统，其简要原理为在一定范围内建立若干连续运行永久性基准站。CORS系统的构成由参考站子系统、控制中心子系统、数据通信子系统、用户应用子系统等四部分组成[8]。

2009年5月，国务院原则通过了《关于支持福建省加快建设海峡西岸经济区的若干意见》[8]，海峡西岸经济区东临台湾，北接长江三角洲，南承珠江三角洲，在全国经济布局中位置至关重要，福建省作为经济区的主体，面临着重大的发展机遇，FJCORS系统的建成给城市的发展带来了巨大的经济效益和社会效益。为加快海西经济区建设提供强有力的支柱。

2.1.2 像控点测量

基于无人机航拍的影像数据没有相对坐标，直接应用毫无意义，所以必须进行像控点的测量与校正，才能得到具有相对坐标的影像，像控点测量的传统方式为导线测量方式，若测区面积广，则工作量大，工作条件艰苦，而且效率低，作业周期长。FJCORS系统的建成为像控点测量带来极大的方便，省CORS卡涵盖范围为整个福建省区域，只需一名测量人员，一台RTK流动站就可完成广大测区内整个像控点测量任务，极大地方便了测量数据的采集。

RTK测量技术具有以下主要特点，测量数据进度高、作业速度快、实时测定测站坐标、生产组织灵活、资料整理便捷、内业计算工作量小，外业仪器携带方便，只需一台RTK流动站即可。其主要作业流程为：将流动站连入CORS网络，找当地的控制点进行检验，如精度达到要求及固定解，即可进行测量。

2.2 影像精度评定

2.2.1 RTK技术要求

RTK设备在作业时，应避免雨水淋湿、暴晒。在工作期间，测量人员应间隔一段时间检查参考站工作状态，及时处理不正常情况。在RTK测量时，固定解要求如表2所示。

2.2.2 基于徕卡GS15的像控点测量

本次通过徕卡GS15接入FJ CORS系统进行实地测量。像控点应选在影像中易于辨别寻找对应点位的地方，一般选在路口等显著地标位置。在像控点测量的同时将像控点测量位置进行拍照取景，照片要根据像控点点号一一对应，便于内业影像校正时辨认寻找像控点。实地测量像控点后，通过对照影像找到所测量点位，在像控点中选择十组均匀分布在测区四周边界的点，将影像上像控点点位的坐标导出，利用点位中误差公式计算出点位中误差。点位中误差公式如下：

m=±（1）

利用以上公式求得点位中误差为29.09，单位为cm，符合精度要求。

3 无人机系统的构成和数据采集

3.1 无人机系统

无人机与遥感技术的结合即为无人机遥感技术（UAV-Unmanned Aerial Vehicle Remote Sensing technology）。低空无人机遥感技术的结构可以分为飞行器系统、飞行控制器系统、传感系统和信息获取系统等。本次测图使用eBee固定翼小型迷你无人机，它是由瑞士最新研发生产的全自动型智能测绘级无人机，主要构成部分有泡沫塑料机身、高清晰度相機、尾部螺旋桨、便携式运输箱等硬件以及飞行控制软件eMotion 2和后处理软件postflight 3D Terra等。

3.2 野外数据采集

（1）野外数据获取流程

无人机航拍摄影数据获取的主要流程包括任务及需求分析、收集整理资料、起飞场地选择、飞行方案设计、起飞前和着落后飞行设备系统检查、飞行质量和数据质量检查、飞行资料整理等步骤，其中飞行方案设计应包括航行方式、云台摄影角度、无人机最佳航摄路线的设计。

（2）航行及像控点选择注意事项

在利用eBee无人机进行测图前，需挑选合理的天气，要求天气晴朗且能见度高；在测图时，需控制好飞行姿态，确保平台稳定，以获取高精度影像。此外，像控点的选取可以用石灰或者油漆在测区空旷显要的位置喷涂像控点，形状为十字丝状，然后用RTK精准测得十字丝中心点坐标；或者在拍摄所得的影像中选择突出显要的像控点，然后在实地用RTK测量。本次测图选择第二种方式，在测区范围内均匀选择四角设四个像控点。

3.3 测图数据后处理

运用postflight 3D Terra将前期野外采集的测图数据，包括航拍影像数据及控制点数据，对航拍影像进行影像校正，得到厦门市鼓浪屿校正后的航拍影像图，其分辨率为0.08m。在无人机航摄影像中，房屋轮廓清晰完整，地物可视化明显，房屋建筑等无明显扭曲变形。相反，在卫星影像中，房屋轮廓界限模糊，难以辨认，地物不明显，且都有不同程度的扭曲变形。因此，两者相较，无人机航摄影像可用度明显高于卫星遥感影像。

4 大比例尺建筑分布图制作与分析

4.1 建筑要素解译

基于像控点校正后的无人机航摄影像，精度高，地面分辨率为0.08m，可清晰的分辨地面上64cm2的像素点，能精准解译包括地面台阶、房屋建筑、路面边界、地物分类界等要素。在无人机航摄影像上进行测区内房屋建筑物的矢量化，勾绘建筑、房屋边界，将建筑物构面，构面过程中，面与面之间不能重叠，相交。内业处理是整个工程流程中最为重要的部分，决定着实验数据采集的精准度。用ArcGIS对遥感影像进行目视解译，解译方法参考第一次全国地理国情普查准则，不区分测区内高低层房屋，对影像上明显高层采用先抠图，在拖移到房屋地基的方式，避免了高层累计的误差，经验证明解译图斑与实地测量套合，符合精度要求。利用ArcGIS软件对处理好的影像进行矢量化，通过新建数据库，新建要素集，设置坐标系，添加面要素等过程，最后完成整个鼓浪屿房屋建筑的解译，如图1所示。

4.2 建筑分布制图制作

基于鼓浪屿遥感影像解译成果，新建线要素，勾绘鼓浪屿社区分界线，新建点要素，绘制社区名称，并为各要素添加字段及属性，设置标注要素的大小，颜色字体符号等属性，添加地图要素，最后得到鼓浪屿建筑分布图，如图1所示。

4.3 三维建模

基于无人机遥感技术获取的高分辨率航摄影像，不仅可应用于大比例尺测图以及数据分析，还可应用于各种场景的三维建模。通过无人机航摄影像以及smart 3D capture软件，运用倾斜摄影测量技术，可通过航摄影像生成精细可量测的三维模型。

4.3.1 基于无人机高清影像的三维建模

在无人机航摄影像和smart 3D capture软件的支持下，选择测区房屋建筑进行三维建模。通过新建工程，导入影像数据，输入相片相机传感器信息，提交空三任务进行重建三维操作，输出三维模型，最后生成三维模型图，如图2所示。

4.3.2 添加建筑物属性

根据Smart 3D capture得到的三维模型获取实体建筑的详细属性数据，在Smart 3D view窗口中打开三维模型数据，量测建筑高度、面积等数据。基于三维模型量测的数据，在鼓浪屿矢量化建筑面中添加三维模型的建筑属性，楼层高度以及楼层层数，如图2所示。

4.4 统计专题图分析

基于鼓浪屿建筑分布图，与《厦门市人口增长及分布与土地功能之间关系研究》数据，利用ArcGIS软件对鼓浪屿建筑用地与人口关系进行统计分析，鼓浪屿上的内厝社区住房面积为172370.72m2，人均住房面积为18.93

1m2/人，龙头社区住房面积为170506.25m2，人均住房面积为21.723m2/人。查阅资料得知厦门市人均住房面积为26.84m2/人，对比鼓浪屿人均住房面积数据，鼓浪屿人均住房面积更小。鼓浪屿作为国家级景区，每天接待游客众多，2013年鼓浪屿开始每天最多3万人次的游客限制，由于游客众多导致鼓浪屿住房紧张，大多数民房改造为家庭旅馆进行营利，价格不合理、宰客等现象成为景区管理人员迫切解决的问题。

4.5 地籍数据库构建

随着我国经济的发展与基础建设，城市和农村土地属性正在发生剧烈的变化，在此基础上农村土地确权与宅基地确权显得尤为重要，基于鼓浪屿建筑物矢量化圖层，可通过矢量图层导出至CAD、添加注记、设置宗地基本属性、绘制权属线、修改宗地属性、修改界址线属性、绘制宗地图、生成界址点坐标、生成界址点成果表、输出调查表等一系列步骤进行鼓浪屿房地产地籍数据库构建。

5 结束语

本文通过eBee无人机和福建CORS系统完成了鼓浪屿大比例尺测图，实验结果表明该方法可行且实用，为鼓浪屿的岛屿规划与数字岛屿建设提供了数据分析，并得出以下结论：

（1）论证了低空无人机遥感技术的可行性，为厦门市鼓浪屿航摄影像测图的数据采集提供坚实的理论依据。

（2）基于福建CORS系统与徕卡CS15RTK进行像控点测量，对无人机航摄影像进行像控点校正，中误差解算，评定影像精度，证明了中误差精度完全符合测量要求。

（3）依据成果数据对鼓浪屿人口、建筑面积、人均住房面积进行统计分析表明，运用CASS7.0软件，基于鼓浪屿矢量化数据进行地籍数据库构建，绘制鼓浪屿房地产宗地图，可将无人机大比例尺测图技术应用到实践当中。

参考文献：

[1]李永树.基于无人机技术的地形图测绘研究[J].测绘，2011，34（4）：147-151.

[2]吴海新.测绘无人机在地质灾害调查中的应用[J].世界有色金属，2017（1）：93-94.

[3]史洁青，冯仲科，刘金成.基于无人机遥感影像的高精度森林资源调查系统设计与试验[J].农业工程学报，2017（11）：82-90.

[4]张潮.神经智能控制在小型快递无人机系统中的研究与应用[D].北京：北京科技大学，2016.

[5]郑士科，成龙辉.eBee无人机在农村土地承包经营权确权工作中的应用[J].创新与科技，2015（21）：66-67.

[6]周剑，章琳，李双林.武汉市城区1：500-1：2000大比例尺航测数字化测图及其质量控制[J].测绘通报，2004（4）：9-11.