无人机倾斜摄影测量在黄土丘陵沟壑区治沟造地中的应用

艾 敏，何建宁，陈重豪，慕继发，高超华，田禹东

自然资源部 第一地理信息制图院，陕西 西安 710054

0 引 言

黄土高原地区沟壑纵横、地形复杂，降水量集中在7、8月份，且多暴雨，降雨强度超过土壤入渗强度后产生地表径流，造成对地表冲刷侵蚀[1]，但长期水土流失形成的积水沟又蕴藏着十分丰富的潜在可耕地资源[2]。众多学者围绕黄土丘陵沟壑区治沟造地土地整治进行了广泛而深刻的工程原理探讨和工程实践：常笑梅[3]针对延安水土流失现状分析了成因，并提出了可行的治理措施；刘彦随[1,4]团队论述了黄土丘陵沟壑区沟道土地治理工程原理与技术设计，这些原理和技术应用于延安治沟造地土地整治重大工程实践，取得了明显成效。杨飞翔等[5-8]结合实际对治沟造地中的土地整平工程、灌溉与排水工程、田间道路工程、田间防护与生态环境保持工程等进行了详细介绍。无人机倾斜摄影测量技术在土地整治中也有应用实践，毛玉娟等[9-15]将无人机航空摄影测量应用于土地规划、土地整治竣工验收中，收到了较好的效果。

黄土丘陵沟壑区治沟造地土地整治项目存在地形地貌复杂、工程规模大、持续周期长、外业测量劳动强度大等特点，在立项规划、工程实施、检查验收等环节经常出现不同程度的技术、质量、管理问题。笔者团队从2015年到2017年创新性地将无人机倾斜摄影测量技术应用于延安市治沟造地土地整治项目的各个工程阶段，利用高精度三维模型，全面、客观地记录延安沟道土地整治整个过程。该方法在延安市治沟造地土地整治工程中发挥了巨大作用，得到广泛应用。本文主要结合项目的地域特点，总结黄土丘陵沟壑区无人机倾斜摄影测量的技术方案和实施应用，为其他区域治沟造地项目提供借鉴。

1 无人机倾斜摄影测量系统

随着无人机发展和价格不断降低，无人机倾斜摄影技术开始广泛应用。该技术是在无人机上搭载一台多镜头照相机，同时采集1个垂直方向和4个倾斜方向的地物影像，获取真实的地物信息。在采集影像的同时获取无人机的飞行速度、方向、高度及影像重叠度等信息，然后利用商业软件对获取的影像进行后期处理，构建真实景三维模型。与传统无人机摄影测量的区别是摄影机的选取不同，可分为专业航空摄影测量相机和非专业航空测量相机。无人机倾斜摄影测量技术具有以下特点。

全方位高精度。无人机倾斜摄影获取的三维实景模型可以从多个角度观察地物，全方位了解目标，弥补了传统人工建模仿真度低和正射影像观察角度单一的缺陷。

高效率低成本。无人机倾斜摄影测量可以同时采集大量的多视角像片，大面积多尺度的实景三维建模的效率和精确度相对于以往的人工建模有了极大的提升，节约了成本。

可量算。利用生产的实景三维模型可获取目标地物的地理位置信息，量算地物几何尺寸如高度、距离、面积、角度、坡度等，从而进一步分析地物空间关系。

成果形式丰富。因倾斜摄影测量成果带有空间位置信息，以此成果加工形成DSM、DOM、TDOM、DLG等多种类型数据成果。

可共享。对于三维模型数据量较小的项目，可通过网络发布应用，发布端包括PC端和手机移动端，从而实现模型成果共享。

2 无人机倾斜摄影技术在治沟造地不同阶段的应用

无人机倾斜摄影将真实的现场由二维平面提升到三维立体。在三维场景中，可以通过相关软件实现土地整治全流程的应用，从可行性分析到规划设计，从项目建设前期、中期和后期对比到项目工作量统计，从工程量复核验收到项目后期成效跟踪评估过程，都可以借助倾斜摄影获取的三维模型来实现。二维到三维转变让土地整治全流程更加直观和易扩展，从而给项目决策者、规划设计者、项目建设方、施工单位和土地使用者提供更为直观可视化的体验。

2.1 项目实施前期应用

项目实施前期主要用于辅助项目可行性论证与立项、获取基础地理信息数据、优化项目规划设计等。首先，在项目可行性论证与立项阶段，设计人员可在开展项目踏勘前，收集项目区三维实景模型直观掌握测区的地形、地貌、水系、交通、村庄分布等情况，也可以了解项目区已有的基础设施工程布设情况，为踏勘时更全面、更有针对性地掌握项目区情况建立基础。其次，无人机倾斜摄影测量获取的DOM、DEM等基础测绘成果，可缩短外业测量时间，快速制作项目区1:500、1:1000大比例尺数字线划地图（DLG），既减轻了野外测绘的工作量，又大大地节省了资金投入。最后，在规划设计完成后，可叠加到实景三维模型中展示规划思路，对规划方案进行实时修改，多种比较后优中选优，使规划设计更科学合理，预算编制更可靠。

2.2 项目实施中期应用

项目实施中期，为了随时获取子项目实施过程中某一阶段的正射影像和三维模型，可通过多时期多阶段模型比对，在正射影像和三维模型上直观地看到子项目实施情况及实施效果，对项目设计中存在的问题做到早发现、早处置，对项目实施中出现的问题进行及时监测和督办整改。相比采用文档资料、视频照片等形式进行项目实施监测，倾斜摄影测量将记录项目实施全过程的资料，为项目提供真实可信的评估依据。

2.3 项目实施后期应用

在项目实施后期主要用于全面核查子项目建设质量、复核子项目工程量、田块及单体工程尺寸量算等。

全面核查子项目建设质量。利用项目区实施前后三维实景模型辅助竣工验收，可先在室内通过前后模型分析对比，判断项目总体建设情况、各单体工程施工质量、是否按照规划设计严格施工等，对在三维模型上无法确定、存在疑点区域再实地核查，现场查看问题症结，真正做到项目验收有的放矢，多角度全方面掌握建设情况，形成三维模型可长期存档保留，作为治沟造地子项目核查及验收过程中有效的审查依据。

复核子项目工程量。结合无人机倾斜摄影形成的二维模型和三维模型全面复核项目区工程任务量完成情况。利用数字正射影像制作复核成果图，准确反映项目区施工情况；通过三维模型量测符合条件的单体工程细部尺寸，分析评价单体质量情况；根据前后两期模型高程信息，对符合条件区域进行土方量测算，核查项目工程量完成情况。依据工程竣工测量数据与无人机倾斜摄影三维模型技术工程量符合数据对比，利用数字正射影像（DOM）、数字线划图（DLG）、三维实景模型等无人机倾斜摄影成果，再结合外业核查客观地核定各项土地整治工程的设计数、竣工测量数、复核数、差值及建成比例。

量算田块及单体工程尺寸。针对实地无法达到的区域，通过三维模型直接量测田块面积、单体工程长度、宽度、深度、高度等细部尺寸，并与设计尺寸进行对比，核查各工程规格，还可以对原始地形状况较好、无植被区域根据前后两期模型高程信息测算工程土方量。

3 无人机倾斜摄影测量在黄土丘陵沟壑区治沟造地的应用实例

3.1 项目概述

以延安市吴起县白豹镇白豹川土地整治项目为例，建设规模为74.65 hm2，涉及1个镇3个行政村，地理范围为东经107°48′6″～108°18′50″，北纬36°53′54″～36°35′31″。项目区属黄土高原梁状丘陵沟壑区，沟谷呈树枝状，在长期的水蚀作用下，呈现出地块破碎、梁峁起伏、沟壑纵横的丘陵沟壑地貌，平均沟壑密度3.44 km/km2。项目区高程在1366～1520 m之间，相对高差为154 m，地形由梁峁、沟坡、沟床3个单元组成，以坡为主，梁窄坡陡，两岸覆盖有大量的黄土，主沟道断面呈U形，支沟沟道断面多呈V形。植被以荒草为主，坡面一般为乔灌混合林。

3.2 无人机倾斜摄影测量

由于延安治沟造地工程位于黄土丘陵沟壑区，地表形态复杂，沟壑川道遍布，传统正射航拍的方式无法满足项目的要求，因此需利用无人机倾斜摄影测量方式来完成。主要流程是根据项目区所在地理位置和施工情况制定可行的飞行任务，尽快申请空域，在地面进行像控点布设及测量，无人机飞行作业，对采集的数据进行数据检查，利用商业软件进行影像处理即空三加密和三维建模，最终提交工作报告及数据成果。

3.2.1 制定飞行任务

首先，了解项目区基本概况，如地形、地貌、交通、气象、水文、通信状况等，划定航飞范围；根据项目任务、要求及规范制定科学、合理、可行的飞行任务。然后，按照项目精度标准和航飞范围选用合适的无人机和配套照相机，确定拍摄时间，按规定向当地空域部门提交航飞申请，通过后才可进行航飞。项目航飞采用纵横大鹏CW-10垂直起降固定翼无人机飞行平台，搭载Sony_ILCE-5100五镜头相机，正射镜头焦距20 mm，倾斜镜头焦距35 mm，5个镜头均为2400万像素。大鹏无人机结构简单，无起降场地和空域要求，作业效率高。

3.2.2 像控点布设及测量

在飞行前需在任务区内布设一定的像控点，利用RTK测量像控点，精度满足无人机倾斜摄影空三加密精度要求。布设像控点时除规范要求外，还应注意选择影像清晰、目标明显的位置，实地选点时，应考虑无人机的侧视相机是否会被周围地物遮挡。另外，测区内的弧形地物、阴影、狭窄沟头、水系、高程急剧变化的斜坡、圆山顶、与地面有明显高差的房角和围墙角以及航摄后有可能变迁的地方均不适宜布设。按照1∶2000地形图测图精度要求，根据无人机倾斜摄影测量外业像控点布设原则，在项目区内合理布设，保证像控点无遮挡，清晰可见，并且在像片刺点时容易定位。项目区共计6条沟道，以涧滩沟子为例，在沟内共布设像控点14个，基本均匀覆盖整个测区，航飞像控点布设的具体位置如图1所示。

图1 航飞像控点布设方案Fig.1 Layout scheme of aerial image control points

3.2.3 飞行作业

依据收集的项目区基本概况，对飞行区域实地踏勘，选择合适的无人机起降位置，并根据起降场地周围情况规划航线（图2）。根据低空数字航空摄影规范，需先校准调整无人机的飞行高度、像片重叠度、飞行方向等相关参数。在确定飞行高度后，设置像片重叠度。参考低空数字航空摄影规范，针对测区沟壑较多、高差较大的特点，航向重叠度设为80%，旁向重叠度设为65%。根据测区范围线、地形地貌情况、当地气象风力合理规划航线。本次倾斜摄影以测区范围红线外扩300 m的区域为飞行区，部分沟道因地形条件限制适当扩大。

图2 航飞路线规划方案Fig.2 Air route planning scheme

3.2.4 数据检查

完成飞行任务后，需对所获得像片进行全面检查，包括飞行质量检查和影像质量检查两部分。鉴于项目时间紧迫，在航飞完成后立即对像片数据的覆盖范围、精度、分辨率、色彩、曝光度等方面进行初步检核，并及时对不符合要求的数据进行了补充拍摄。

3.2.5 数据处理

确保航飞所获得各类数据准确无误后，整理汇总各镜头像片数据、POS数据及像控数据。利用Smart3D等三维模型处理软件进行影像匹配、像控刺点、空三加密、密集匹配、生成三角网、构建白膜、纹理映射等一系列处理，直至形成满足精度、质量较高的数字正射影像（DOM）和三维实景模型数据（图3）。

图3 项目区实施后DOM（左）及三维实景模型（右）Fig.3 DOM（left）and 3D real model（right）after the implementation of the project areas

3.3 精度分析评定

结合误差理论，分析吴起县白豹镇白豹川土地整治项目涧滩沟测区无人机倾斜摄影测量三维模型精度。经验证，高精度测量技术所得的检查点与三维模型中的同名点坐标比对，分别得到每个检查点X、Y、Z 3个方向残差值，在此基础上计算平面、高程中误差，评价三维实景模型精度。经计算该区域平面中误差为0.061 m，高程中误差为0.024 m，均满足最大限差要求。

3.4 三维模型工程应用

3.4.1 工程施工监测

在项目实施前、实施中及实施后分别进行无人机倾斜摄影测量，通过前后模型对比可直观地监测土地整治项目在某一阶段的情况，同时在项目完成后可以利用真实的三维模型分析整体实施效果。以涧滩沟为例，实施前、实施中、实施后三维模型效果如图4所示。对比分析得出：项目整体建设较好，基本按照规划设计完成了施工建设，各单项工程外观质量符合相关规范要求。与详细的模型数据比对，也发现一些具体的问题，个别田块疑似未进行耕作层覆土，表面呈红胶色；部分田坎未进行素土压实处理；部分田块存在建筑垃圾未清理完；灌溉与排水工程中个别陡坡上游存在积水，未疏通；农桥与相连道路未疏通，桥下垃圾未清运，渠道未贯通等。

图4 项目实施前、中、后三维模型效果图Fig.4 3D real model effect before，amid and after the project implementation

3.4.2 工程量直接量算

项目复核时间紧，任务重，同时大部分位于黄土高原丘陵沟壑区的沟道内，针对实地无法达到的区域，内业在实景三维模型上利用自主开发的软件工具直接量测田块面积，单体工程的长度、宽度、深度、高度等细部尺寸，获取单体工程的实施位置、长度、高度、面积、体积等详细数据。因为模型数据限制，可量测的单体尺寸测量均为外露尺寸。

3.4.3 复核工程量

工程数量复核采用影像判读与外业现场核实得出综合结果，将综合结果与设计图件进行比对，确定项目建设规模、土地平整工程、灌溉与排水工程、田间道路工程、农田防护与环境保持工程完成情况。经过现场实地测量与复核，同时结合遥感影像图解译判读，实际施工与原始规划工程量数字比对（表1）。

表1 实际施工与原始规划工程量数量比对表Tab.1 Comparison of the quantities between actual and planned construction

通过分析，项目在建设规模、新增耕地、土地平整工程、灌溉与排水工程、田间道路工程等方面，基本按照规划设计完成了各项工程设施，经实地查看各项单体工程设施管护与运作情况基本良好，项目复核时部分植被尚未完全种植，存在差异，其余整治工程完成较好。

4 结 论

在黄土丘陵沟壑区开展治沟造地土地整治项目，应用无人机倾斜摄影测量获得三维实景模型直观地呈现了整治效果，能够从各个角度观测实施情况和地形地貌信息，极大地拓宽了观测者视野，是项目整治效果展示、宣传、汇报的绝佳材料。在施工前期、中期、后期，通过模型获取各种数据信息客观、真实、可信，为土地整治项目提供了可靠的参考信息，具有极高的留存价值，也为项目建设完成后的评估提供了极有说服力的参考和数据支撑，是黄土丘陵沟壑区治沟造地土地整治项目的首选作业方式。

后期，针对目前耕地非农化、非粮化的要求，利用无人机航空摄影测量持续对土地整治工程利用效果进行实时动态监测，从土地利用情况、农作物生长情况和单体工程运行情况等进行常态化监测，使黄土丘陵沟壑区治沟造地土地整治项目成果真正利国利民。