第三次全国国土调查正射影像减控技术的研究

廉志鹏辛 全王 平

（1.自然资源部第四地形测量队，黑龙江 哈尔滨150081；2自然资源部第二大地测量队，黑龙江 哈尔滨150081）

0.引言

开展第三次全国国土调查（以下简称“三调”）工作，是贯彻落实新发展理念，促进西藏自治区经济社会发展的基础。国土是生产之要。当前，西藏自治区正处在长足发展和全面建成小康社会的关键时期，自然资源管理工作面临的形势任务艰巨。在当前及今后一个阶段，生态文明建设、自然资源管理体制改革及各类自然资源统一确权登记、统一行使全民所有自然资源资产所有者权利、统一所有国土空间用途管制和生态保护修复等工作将全面铺开，各部门各行业对各类自然资源基础数据提出了更高、更精、更准、更新的需求，而当前西藏自治区现有的国土调查成果已不能充分满足相关需要，尤其是满足现势性需要的遥感正射影像资源较为缺乏。做好三调及成果应用工作，是编制国民经济和社会发展规划、推进科学决策的重要依据，是实施创新驱动发展战略、支持新产业新业态发展、提高政府依法行政能力和自然资源管理服务水平的重要支撑，对于贯彻落实新发展理念，全面促进西藏自治区经济社会全面协调可持续发展具有重要的意义。开展城镇村庄内部土地利用现状调查中的正射影像制作，充分满足了国土空间规划、生态文明建设、供给侧改革需求，为政府决策和经济社会发展提供基础支撑，促进国家治理体系和治理能力的现代化。

1.三调影像整体技术流程

1.1 测区任务及情况简介

此次任务为西藏自治区山南市乃东区及阿里地区噶尔县的像片控制点测量及正射影像（DOM）制作，任务总面积约40平方公里，其中乃东区测区为山南市政府所在地，噶尔县测区为阿里地区行政公署和噶尔县政府所在地，测区范围内居民地集中分布其中，地形主要以平地为主，采用的影像源是蓝途无人机进行航空摄影，通过技术处理形成优于0.2米正射影像成果包括正射影像数据和影像定向产品数据。

1.2 整体技术路线及工艺流程

三调正射影像制作采用的整体技术路线为无人机数字航空摄影测量，以航摄影像为基础影像源进行像控点测量，利用像片控制测量成果进行空中三角测量，将空中三角测量成果导入相关的影像处理软件，自动匹配生成DSM，对生成的DSM进行适当编辑生成过程DEM，利用编辑后的DEM进行纠正，对纠正后的影像进行匀光匀色、镶嵌、裁切制作DOM。技术流程（如图1所示）：

图1三调正射影像整体技术路线及工艺流程图

2.关键技术环节剖析

2.1 像控测量的作用

根据影像资料情况及测区基础控制点分布情况进行像控点布设，综合考虑需达到的精度及工作效率，择优选取施测方式进行像控点测量，通过收集到西藏自治区测绘院提供大地控制点可作为测区控制测量的起算点，其中，C级GPS点平面为2000国家大地坐标，高程为大地高；D级GPS点平面为地心坐标，高程为1985国家高程基准；当地水准路线中水准点高程为1985国家高程基准。经过坐标转换和处理，采用RTK地形测量的方法，并在影像测区范围内将选取影像上明显地物点的实地坐标和高程准确刺到影像上，在后期的影像纠正和定向中都必须有一定数量的控制点，而这些点位正是由像片控制测量得到的。因此，像控测量的作用就是为内业空中三角测量提供一定数量的符合项目规范要求精度较高的控制点，经整理和两级检查合格后递交下工序使用。

2.2 飞前布控的特点

飞前布控即在利用无人机进行测量之前，先在目标区域选取并测定一定数量的控制点，然后再利用无人机对目标区域进行航空摄影，其具有如下特点：首先是便于计算机有效识别，飞前布控使得无人机获取的影像上已经存在明显的控制点。这样可以利用计算机对影像进行识别，与以前的人工识别相比大大加快了识别速度。其次是作业人员不需要复杂的系统培训，飞前布控在摄影之前要先在实地测量控制点，随后再在影像上刺出相应控制点，所以不需要较高的影像判读知识，因此不需要对作业人员事先进行反复系统培训。最后是易受自然条件影响，由于需要在摄影测量之前去实地进行控制点的选取、布设及测量，布设的控制点有可能受天气影响而损坏或出现精度损失。根据飞前布控的特点，选择比较稳定、明显和不易损坏的控制点进行后续的布控工作。

2.3 三调正射影像精度要求

三调正射影像成果平面精度达到1∶2000要求，地物点相对于野外控制点的点位中误差要求为平地、丘陵地平面精度的中误差为1.2米，山地、高山地平面精度的中误差为1.6米，大面积水域、沙漠、森林以及地形起伏剧烈等特殊困难地区正射影像生产精度要求可适当放宽，但最大不得大于上表的1.5倍。最大误差不超过中误差2倍，同时向项目影像组报批后方可实施。

2.4 三调正射影像作业方法

首先，在影像处理软件中建立项目工程，根据测区实际情况设置相关参数。利用原始影像及空三结果匹配生成DSM，并对DSM进行滤波处理，滤除精度较差以及高于地面的信息。对匹配精度较差的区域，如居民地、林木覆盖区域等进行匹配编辑或采用增加特征点、线方式，生成过程DEM数据。利用原始影像、空三成果、过程DEM数据进行正射纠正。

其次，对纠正后的影像按区域进行匀光匀色处理，使区域内影像色调柔和一致，纹理清晰、反差适中，避免影像信息损失。利用匀光匀色后的影像进行自动镶嵌线生成。影像镶嵌时最大可能运用影像的中心区域，镶嵌线尽量沿线状地物边缘行进，避免切割人工地物，尽量避免在同一道路上来回穿越；对于大面积田块及大面积树林覆盖区域的镶嵌线，只要镶嵌线附近影像色调一致，线状地物无错位现象，可不对此区域的镶嵌线进行调整。对镶嵌后的区域整体影像进行浏览检查，对影像上存在的扭曲、变形、拉花、错位等问题进行过程DEM编辑，对存在的色调差异进行镶嵌线调整或局部颜色调整，同步修补DOM。

最后镶嵌，按数学基础要求进行分带，按照县域进行裁切，完成三调正射影像制作。三调影像要求地物地貌应真实，无扭曲变形、无噪声、云影等缺陷，同时期摄影的DOM之间应完全接边，不允许在接边处出现错位、色调不接的现象。

3.减控关键技术方法

3.1 像控点布设优化方案

像控点布设是无人机正射影像制作的重要环节，也是在整个作业过程中外业过程中成本投入比较大的一个部分，传统无人机航测布点方式（如图2所示），不但要求的控制点多，还需要均匀布满整个测区，实施起来比较困难，同时性价比也不高。

图2传统无人机航测控制点布设方案图

通过对无人机航测控制点布设技术方案不断优化和反复研究，采取了四角单点布设、四角点组布设、四周均匀布设、四周边点组布设、四周边均匀布设加少量内部控制点、四周点组布设加少量内部控制点采用控制六种方案（如图3所示）。整体采用循序渐进的办法针对不同的测区分别进行六种像控点的布设测试实验，实验表明在六种方案中，采用四周点组布设和四周边均匀布设，加少量区域中间点的布点方式精度是最高的，效果较好。在后续的多次实践中，实践经验是无论区域大小，四周均匀布设控制点，四点布设平高控制点均有利于保证区域内部的精度。一般情况下，单点布设的精度都不如点组布设精度高，而且点组布设也可以增加平面高程的精度。

图3适合无人机航测的六种布设方案图

3.2 影像匹配减控方法

项目通过收集来的高精度空间参考DOM数据采用改进SIFT算法进行特征点匹配，该算法中对图像旋转、尺度缩放，灰度值变化等各方面都保持不变形，特别是视角的仿射变化和影像噪声也有一定程度的稳定性。本文中采用在改进SIFT算法匹配点剔除中采用一种微小误差的方法使得匹配更加简单快捷，相比SIFT算法中常用的RANSAC算法中减少了大量反复迭代计算的工作量，从而使影像匹配错误点剔除中节省了时间，大大提高可匹配的效率。在三调正射影像制作中，采取测区中选取地物较现势性更新较慢的区域进行匹配获取控制点，经检查后进行空三加密等工作，利用原始影像的位置关系来获取匹配影像的空间位置，从而一定减少外业像控点的个数，达到减控的目的。

3.3 光束法区域网平差模型优化减控方法

传统的光束法区域网平差是利用装在飞机上的一台GPS接收机和固定在某个地面参考点上的另一台或几台GPS接收机同时、快速连续地记录相同的GPS卫星信号，通过载波相位差分动态GPS相对定位技术的离线数据后，处理获取摄影机曝光时刻GPS天线相位中心的三维坐标即GPS摄站坐标，然后将其视为附加观测值引入进摄影测量区域网中，采用统一的数学模型和算法，整体确定点位并对其质量进行评定的理论、技术和方法。而光束法区域网平差模型优化减控方法是依据外业布设的像片控制点及航摄分区进行区域网划分，利用空三加密软件自动匹配连接点、控制点量测等进行空三加密作业，优先采用全自动匹配连接点，自动匹配薄弱区域可进行人工选取连接点，结合无人机航摄测量作业的特点，考虑测量相机的航摄时间滞后以及各个拍摄瞬间的位置偏移，针对各个拍摄瞬间的时间误差进行逐点时间改正。

无人机光束法区域网平差时间改正模型更加侧重于对各个拍摄瞬间的时间误差进行逐点时间改正，更加适合于无人机的光束法区域网平差方法。在模型解算过程中，将时间改正作为求解未知量与其他系统误差带入方程组内进行统一求解，消除由于拍摄不同步所带来的误差影响，从而提高区域网空三加密平差精度。无人机航摄领域内常见的一种位置时间记录方式为POS和辅助GPS，这种方式无法避免会存在时间差的影响。当无人机将载波信号传递给航摄相机和GPS装置时，由于航摄相机接收信号到航摄影像成像之间需要一小段较短的时间进行拍摄，从而导致GPS装置记载的时间与航摄影像成像时间不一致，针对这种时间差带来的误差影响，考虑将时间改正参数引入到光束法区域网平差模型中进行解算。将无人机航摄时测量相机在各航带和航摄瞬间进行时间改正，外业中只需少量控制点，从而达到减控的目的。

为保证数字正射影像成果的质量，以上三种减控技术在使用过程中，在测区范围内布设的10-20个外业检查点，用于检测DOM平面精度，检查点不参与空中三角测量。并在数字正射影像成果上依据检查点点之记量取的检查点平面精度，把量取的平面精度与外业提供的检查点成果进行比较，统计评定DOM的精度均达到项目的要求。

4.减控技术的应用

4.1 在大比例尺测图中应用

减控技术目前在黑龙江、山东等测区大比例尺测图得到较好使用，在工期紧张且地理位置比较不易到达时，通过合理采用多种减控技术，无人机获取得到DOM后迅速采集得到数字线划图（DLG），满足了甲方大比例尺测图的需要。同时在匹配、解算、识别等方面的新技术不断突破，DLG传统手工采集生产模式将会在这些新技术的发展下打破，因此具有相当大的发展前景。

4.2 在电力巡检中应用

在电力部门，需要快速获取电力故障或违章事故位置时,将减控技术加入其中，使得在电力线路的巡检故障和道路交通违章事故发生地获取位置周边情况信息中，节省大量时间，特别是在电力线巡检中，无人机飞行的航线不能在电力线垂直上方，需要错开电力线一定的距离。为了满足相邻航线间影像有一定的重叠度，对电力线两面进行无人机航摄的影像有重叠，在摄影时相机有一定姿态和角度对着电力线和地面，从而使用减控技术，在正射影像处理上匹配电力位置来确定故障电力线，为电力线路正常运行提供保障。

5.结束语

三调影像减控技术为开展三调城镇村庄内部土地利用现状调查工作中起到技术支撑作用，在三调正射影像制作中不但优化了技术流程，同时减少了一定的外业工作量，为后期自动化处理影像提高了生产效率。本文在减控技术上进行了研究，提供了可行方案，一定程度减少了对非专业航测人员队伍的依赖，同时在将来数字化影像产品制作中，还需不断优化技术流程和采用多技术高度集成方法来实现影像产品的高效制作。