航拍制作正射影像图用于油田规划用地实践研究

董锦辉

大庆油田有限责任公司土地资源管理部

大庆油田是世界上为数不多的特大型砂岩油田之一,经过近60余年的开发建设,具有使用权的土地面积己经达到1 317.01 km2(相当于1.2个香港土地面积).大庆油田土地分布在黑龙江、吉林、辽宁等11个省(自治区、直辖市),土地总量占中国石油天然气集团有限公司土地总量的1/3,在大庆市区土地面积为946.53 km2,为大庆市区国有土地的1/5.油田产能建设征用土地以平均6 km2/a的增量在持续增长,如此大规模的存量土地为大庆油田持续保持油气当量4000X104t高产、稳产提供了强有力保障,但也给企业土地管理工作提出更高的要求.

航空摄影测量技术是指通过飞机上用的航空测量仪器对地貌、地形进行连拍,并且要在完成相关测量数据时,结合地面控制点的测量,其基本原理是投影过程中的几何翻转[1].大庆油田推进石油滚动开发,为国家贡献能源,传统的土地管理手段无法满足土地信息及时更新的要求.将航空摄影测量技术应用于油田土地管理工作中,一方面可以弥补传统调查手段的不足,另一方面为土地科学管理提供了新的途径与技术支持.

1 项目概况

大庆油田土地来源复杂多样,主要呈"耳"状集中分布在大庆市让胡路、萨尔图、红岗三个行政区,外围主要为油田滚动开发逐年征用的土地,点多、线长、面广,离散分布.2016年大庆油田土地资源管理部对大庆油田主产能区实施了土地航拍制作正摄影像图项目,航摄范围涵盖采油一厂至采油八厂,按照成果精度划分为2个项目区(图1).项目区Ⅰ:成图比例尺1∶500,主要为82万亩、20万亩主力油区用地,北起82万亩界线北端,南至杏六路,设计面积800 km2;项目区Ⅱ:成图比例尺1∶2 000,主要为外围油田,范围北起杏六路、南至库里泡,包含采油五厂、采油七厂、采油八厂,面积约900 km2.

图1 项目测区范围Fig.1 Range of project surveying area

2 正摄影像图的生产

数字正射影像图(Digital Orthophoto Map)是利用数字高程模型对数字化的相片,经逐像元进行纠正,再进行影像镶嵌,根据成图要求图幅范围裁切生成的影像数据.影像地图把遥感图像和线划地形图两者的优点综合起来,既包含了遥感图像丰富的内容信息,又保证了地形图几何精度[2].正摄影像图生产流程如图2所示.

2.1 航空数字摄影

航摄飞机选用运5型飞机,起降机场选在肇东机场;相机选用UCXp_WA型框幅式数码航摄仪,UCXp_WA获取影像幅面大、分辨率高、成像效果好;航摄季节选在春末夏初,油田产能区地势平坦,高大建构筑物很少,不会出现过大的阴影,主要考虑植被色彩和呈现度.

项目区Ⅰ航摄比例尺大,测区东西窄南北长,航线按平行于测区长轴方向敷设,以提高飞机的飞行效率;项目区Ⅱ航摄比例尺小,航线条数少,按东-西方向敷设;项目区Ⅱ2019号航线以南约176 km2区域采用无人机航空摄影,航线按东-西方向敷设,无人机摄影地面分辨率设定为17 cm.测区共飞行88条航线,航线总长2 311 km,获取地面真彩色数字像片9 158张.航摄技术参数见表1.

表1 航摄技术参数Tab.1 Technical parameters of aerial photogrammetry

图2 正射影像图生产流程Fig.2 Productive flow of ortho-photo map

2.2 像片控制测量

由于像片控制点的精度很重要,是内业大地定向的基础,点位的好坏及精度的高低直接影响内业成图的精度[3].本项目采用POS辅助空中三角测量,在UltraCam-Xp WA大幅面广角数字航摄仪上装载DGPS和IMU,POS系统是高精度定位定向系统,集差分全球定位系统(DGPS)技术和惯性导航技术于一体,可以获取运动载体的空间位置和三轴姿态信息,也就是获取瞬时摄影像片的空间位置和三轴姿态信息.将POS系统和航摄仪集成在一起的航空摄影(POS辅助航摄),通过GPS载波相位差分定位获取航摄仪的位置参数及惯性测量单元IMU测定航摄仪的姿态参数,经IMU、DGPS数据的联合后处理,可直接获得测图所需的每张像片的6个外方位元素,简化了航测作业工序[4].就地面控制而言,常规光束法区域网平差的精度主要取决于地面控制点的分布与间距,区域越大所需的地面控制点越多,GPS辅助光束法区域网平差和POS辅助光束法区域网平差只需在区域网的四角布设4个平高地面控制点[5].与常规空三加密相比,POS辅助空三加密能够大大减少外业控制点数量,缩短作业周期,提高生产效率,降低作业成本.

基于数字摄影测量系统的自动空三加密,可极大地提高控制点间的基线数量[6],本项目沿航线布设像控点,点间航向间距12条基线,区域网周边不规则的凸凹处加布像控点,四角采用双点布设,共布设像片控制点879个,POS系统基准站和像片控制点坐标采集均利用大庆市规划局连续运行参考站(CORS)系统,通过裁取局部影像数据、标注刺点位置和实地拍摄照片的方式制作点之记.像控点布点如图3所示.

图3 像控点布点略图Fig.3 Diagram of image control point position

2.3 空中三角测量

POS辅助空中三角测量可准确获取航片外方位元素( )

XS,YS,ZS,φ,ω,k ,利用连续摄取的具有一定重叠的航摄像片,依据少量野外控制点,以摄影测量方法建立同实地相应的航线模型或区域网模型,在室内进行控制点加密,从而获取加密点的平面坐标和高程.

2.3.1 加密区域网划分

加密区域网可根据像控点的分布、地形条件及软件处理能力、计算机性能等情况灵活划分,但不应划分得过于零碎,各区域网间应有一定数量的公共点进行接边,项目区Ⅰ空三加密共分9个区域网,项目区Ⅱ空三加密共分4个区域网(其中有人机2个分区,无人机2个分区).加密分区示意图如图4所示.

图4 加密分区示意图Fig.4 Diagram of encryption partition

2.3.2 空中三角测量内业数据处理

使用GodWork-AT空中三角测量系统进行空三加密,平差方法采用PATB光束法区域网平差,光束法解析空中三角测量是最严密的一种平差方法,能最方便地顾及影像系统误差的影响,便于引入非摄影测量附加观测值[7],其工作流程如图5所示.

在GodWork-AT中导入影像数据,建立金字塔影像,导入影像曝光点坐标数据、像片外方位元素、数码相机参数和控制点成果,通过自动匹配相关影像产生自动匹配点,对于点位不足区域,人工进行添加加密点.在像片上量测外业控制点,通过PATB光束法平差后,输出加密成果.

图5 空三加密工作流程Fig.5 Workflow of aerial triangulation encryption

项目区Ⅰ9个空三加密区,基本定向点最大中误差11.1 cm,检查点最大中误差11.6 cm,公共点平面中误差8.2 cm,高程中误差±6.3 cm;项目区Ⅱ4个空三加密区,基本定向点最大中误差±13.5 cm,检查点最大中误差±19.6 cm,公共点平面中误差±6.5 cm,高程中误差±1.4 cm,精度均符合要求.

2.4 数字高程模型(DEM)生成

利用平差后的定向点三维坐标文件构建不规则三角网,通过高程点内插,生成初始DEM.然后在空三解算环境下手工选择地形地貌特征点、线,二次加密解算,输出DEM成果,DEM精度符合要求后,按图幅坐标的范围对DEM进行裁切,坐标起始点为左上角坐标格网的中心,图幅内像素数jg项目区Ⅰ为101X101,项目区Ⅱ为401X401,裁剪后把DEM输出为 .img格式文件.

2.5 数字正射影像图(DOM)制作

航空摄影采用的是中心投影,地形起伏和相片倾斜都会带来一系列的投影差,正射影像制作即是通过已结算得到相片的内外方位元素以及高精度的数字高程模型,逐像元微分纠正重采样得到平行投影的过程[8].

在GodWork多源地理数据综合处理系统中,将影像数据、加密成果导入该系统,由系统自动完成模型定向,加入DEM数据,生成单幅正射影像,采用数学微分纠正技术纠正原始影像的几何变形;城区及矿区分别按0.05、0.2 m的地面分辨率生成单片正射影像(图6、图7).

图6 1:500单片正射影像Fig.6 1:500 monolithic orthophoto map

图7 1:2 000单片正射影像Fig.7 1:2 000 monolithic orthophoto map

选择图幅范围内需要镶嵌的所有单片正射影像,利用EOS模块对其完成镶嵌、图幅裁切和正射影像输出,单片正射影像间拼接时,应检查和适当编辑拼接线,合理选择平滑参数,使拼接效果最佳,拼接线应尽量避开成片居民区和明显地物,图面应保证无明显拼接缝,最后对影像成果进行阴影和密度处理,使影像清晰,色彩柔和,反差适中,幅与幅之间无明显色差.

拼接DOM形成全测区DOM拼接成果(图8),拼接完的DOM数据文件非常大,可以在ArcMap中创建栅格目录,将分片的栅格数据集加载到栅格目录,通过设定阈值重采样将所有栅格数据显示为一个无缝的拼合图层[9].

图8 正射影像图拼接成果(局部)Fig.8 Orthophoto map mosaic(part)

2.6 质量评定

项目区Ⅰ共13 512幅影像图,抽样检测1 020幅,点位较差最大83.9 cm、中误差±23.3 cm(允许±30 cm);项目区Ⅱ共1 011幅影像图,抽样检测75幅影像图,点位较差最大230.4 cm、中误差±57.13 cm(允许±120 cm),DOM平面精度均达到要求.

3 成果应用与展望

正射影像图成果是同时具有几何精度和影像特征的地图,具有精度高、现实性强、信息丰富直观等优点,在油田土地管理和用地规划方面具有重要应用价值.

(1)为强化油田用地基础管理提供条件.土地资源管理部近年实施"权籍管理信息化"、"土地监管责任化"两化工作,正摄影像图为两个项目提供了直观的基础底图,使信息系统建设和责任区划分工作顺利进行,对提升土地管护水平和基础管理工作水平产生了直接效益.将正射影像图与油田规划用地管理信息系统数据进行叠置分析,能快速获取土地的权属、地类、位置、面积等属性信息,为土地利用现状调查、规划利用、处置经营、执法监察、税费测算等工作提供基础数据,有利于推进以图管地工作的开展,提高土地管理部门的科学管理和决策能力.

(2)为优化产能建设征地方案提供依据.在产能建设征用土地过程中对各类站址,进站、进井道路,通信、电力、油水管线敷设等借助正射影像数据进行合理布局,再利用中国石油地理信息系统(A4)地面数据和土地管理信息系统已征权籍数据,分析产能区块内井、站、路和土地信息,采取联合建站,进井路搭接邻近乡间路或井排路,多管同沟敷设方式,优化征地方案设计,充分利用已征的存量土地,避免重复征地,控制新增用地总量,减少用地成本.

(3)为油田矿建配套项目选址提供保障.正射影像具有可量测特性,设计人员基于航测图在室内即可获取区域地形地貌、建筑物分布、安全距离、可规划利用面积,甚至水文地质信息等,通过整理和分析,有针对性地进行项目用地选址,减少实地勘察任务,快速提高项目选址效率.如果进一步加载土地权籍数据库,还可以快速提取价值高的出让土地数据,在出让土地中选择空闲地或者容积率低的地块内规划项目,可以大大缩减用地手续,还能节省大量出让用地费用.

(4)利用正射影像生产过程产品数字高程模型能解算土地整理填挖土方,绘制纵横断面图,评估工程预算;数字高程模型与数字正射影像融合可生成三维景观,辅助用地规划设计等.