基于无人机测量的地籍测绘技术探究

2021-02-11黄科新

中国新技术新产品 2021年22期

黄科新

（大埔县自然资源局，广东梅州 514000）

随着近期经济建设的不断推进，我国对土地资源的利用更加多元化，而土地权属结构和利用布局也在不断变化中，通过开展土地调查工作，能够实现土地信息建档，并在大数据、信息化技术的支持下，形成土地资源专属数据库，对国家当代土地管理工作意义重大，并保障国土资源的管理的安全性与可靠性。对此，地籍测绘是土地调查工作的重要一环，指的是采用测绘技术了解国有或集体土地权属、位置、用途、界址等基本情况的调查活动，但是，在以往地籍测绘工作中，常使用RTK、全站仪等测绘手段，并不满足高精度、高效率的地籍测绘需求。因此，建立以无人机测量为核心的地籍测绘技术体系，显著提高地籍测绘工作质量，推动土地调查工作的创新发展。

1 无人机测量系统研究

1.1 无人机测量系统的构成与性能

无人机测量系统包括飞行控制系统、地面站系统与航拍摄像系统，其中飞行控制系统主要涉及空中飞行、空中定位，地面站系统则主要负责航线、远程控制、飞行监控、信息接收，航拍摄像系统则主要负责飞行过程中的信息采集和实时传输[1]。在此基础上，无人机测量系统的构成结构如图1 所示。

图1 无人机测量系统的构成结构

1.1.1 飞行控制系统

无人机航拍测绘的基础是无人机技术，而飞行控制系统关系到无人机设备是否能够在空中完成任务，因此该系统无人机控制的关键，飞行控制系统包括飞行器本体、传感器和控制系统，其中传感器包括陀螺仪、加速计、地磁感应装置、气压传感器以及GPS 模块，能够在无人机按照预定轨迹飞行和依照GPS 技术进行定位的同时，精确化就无人机的飞行参数进行调整，满足测绘工作的具体需求。对此，该文采用大疆系列作为无人机的飞行控制系统，其具有操作简单、控制灵活等特点，能够给地籍测绘人员提供便利。

1.1.2 地面站系统

地面站系统是地面总体控制系统，包括了地面路线规划和无人机测绘任务执行与监控，能够以地面站系统控制软件为支撑设计无人机飞行航线，并包括数据显示与即时信息下传功能，能够使地籍测绘人员及时了解无人机的飞行轨迹、飞行参数与飞行姿态，确保地籍测绘工作的整体效率。

1.1.3 航拍摄像系统

航拍摄像系统具有兼容性，可以与多种摄像平台对接，实现对不同摄像设备的控制和运用[2]。对此，该文采用A7R2相机（8.8/24mm）作为摄像设备，其有效像素达2000 万px，同时配备1英寸 CMOS传感器，最大分辨率为5472px×3078px。

1.1.4 无人机设备

该文使用大疆Phantom 4 Pro 无人机作为无人机设备。

1.2 无人机测量的方法与流程

针对无人机测量视角下的地籍测绘工作主要包括控制测量、航片获取、空三加密、DOM 输出以及图形矢量化等5个技术环节。

1.2.1 控制测量

1.2.1.1 像控点选择

考虑到测绘任务要求绘制1 ∶500 比例尺地图，但以无人机航拍所获的图片分辨率为3PPI，又无法在摄像时进行进一步优化，因此业内加工数据的任务难度增加。在此基础上，为方便像控点控制，尽量在航摄像片清晰位置选择像控点，不能选择房角、阴影或高程变化明显的遮挡区域。例如可选择路面车实线角、清晰道路交角、露天篮球场实线角作为像控点[3]。此外，为提高图像精度，一般可借助像控点标志辅助摄像工作，即借助油漆在地面上构成特定形状，能够方便测绘人员辨识像控点和进行无人机定位，提高像控精度。

1.2.1.2 像控点测量

进入像控点测量环节，常用全站仪和GPS-RTK 设备实现测量。其中，在应用全站仪对界址点进行测量时，可使用截距法、距离交会法量取距离，能够配合全站仪实现全方位的高精度测量，同时，对不低于5s 级全站仪的数据采集过程，应于定向之后再检查测站，将检测坐标的误差控制在5cm 内。另外，如使用RTK 进行测量，则需要至少在一个已知点上完成，以规避误差。

1.2.2 航片获取

在航测过程中，首先对测绘项目进行勘察，掌握无人机飞行区域的测绘需求和作业特征，设计无人机的起降点。同时，根据项目设计书中对无人机测绘的具体需求，确定地面测绘分辨率，搭载相应的摄像设备，并调整无人机飞行高度，确保无人机测绘作业的顺利开展。此外，在特殊区域如山区的无人机测绘作业中，还需考虑地形地貌及环境因素对无人机飞行的影响，构建应急处理方案，并在适时调整无人机飞行模式的基础上保证测绘作业的整体质量。

1.2.3 空三加密

在无人机测绘作业中，空三加密能够满足地面控制点缺少情况下控制点的绝对定向，实现对无人机测绘作业的有效技术支撑。在此基础上，常见空三加密技术有模拟空中三角测量和解析空中三角测量两种，在该文中，以解析空中三角测量方法作为空三加密手段进行研究。其中，解析空中三角测量由严密的数学公式支持，其通过连续拍摄相邻航片并分析其几何特征与像点坐标，在最小二乘原理支持下得出加密控制点的坐标，具有计算效率高、受环境因素影响小等优点，能够既减少测绘人员的野外作业量，提高无人机测绘的整体效率，又保证测绘结果的精度，为地籍测绘工作提供有效支持[4]。

1.2.4 DOM、DSM 制作

对航片正射影像DOM 的制作，其目的主要在于对航片影像进行几何纠正，将原始影像的中心投影更改为正射投影，即正射纠正，其具体流程可见图2。

图2 航片正射纠正

其中，利用空三加密结果与DEM 进行影像正射校正，生成完整的正射影像，并通过镶嵌处理提高影像精度，同时，正射纠正涉及匀光算法，能够在保证应县色彩损失最小前提下实现整体影像色调的统一完整，并保留原有图像的色调、亮度及反差。在此基础上，该文采用Pix4D 全自动处理软件对DOM 和DSM 数据进行制作处理，包括空三加密、点云加密、三维网格纹理生成、数字表面模型及正射影像生成等环节。

1.2.5 图形矢量化

基于已获取的DOM 成果，利用CASS 农村地籍软件进行处理，实现对摄影图像中道路边线、房屋边线、地类界边线、路灯、井盖、线杆等地物坐标位置的图形矢量化。

2 无人机测量在地籍测绘中的应用流程与技术要点

2.1 测区概况

以某自然保护区作为地籍测绘案例进行研究，其中，该区域总面积达400km2，包括耕地、林地以及湿地，由自然保护区管理委员会负责，周边包括三个行政村。对此，选取该自然保护区内一部分区域作为测绘试验场地，其总面积约1km2，主要面状地物以楼房为主，无房檐遮挡，主要线状地物包括道路、围栏，主要点状地物涉及路灯、线杆、井盖。同时，区域内无高层建筑物，地形相对平坦，植被相对较低，满足无人机飞行要求，因此可以进行无人机测绘试验。

2.2 试验内容

在统一测绘要求下，分别采用无人机航测和数字地籍测量两种测量方法展开测量作业，对比测绘精度、测绘时间、测绘效率以及测绘成本研究无人机测量在地籍测绘工作中的可行性。

2.3 控制网布设

考虑到该自然保护区缺少CORS 站网覆盖，使用区域内风景点及建筑作为起算点，布设D 级控制网。同时，利用静态控制网成果点及参数构建针对地籍测绘的加密控制点，形成I 级的GPS 控制点，以方便后续像片控制点的选择和调整。在此基础上，共布设D 级GPS 控制点5 个，I 级GPS 控制点23 个，其控制点分布图如图3 所示。