基于无人机航空摄影技术的土地权属调查分析

张庆洪

（浙江华东测绘与工程安全技术有限公司 浙江杭州 310014）

1 引言

地籍测量是进行土地评价、土地管理的一项基础性工作，可为社会经济发展、土地利用规划以及国家政策决策等提供重要的信息数据[1-4]。研究高效、高精度的地籍测量技术对于土地管理工作具有重要意义。

在土地调查中，最常用的就是采用卫星遥感影像、有人机航空摄影和野外人工实测相结合的方式。但是，卫星遥感影像所获得空间分辨率较低，而且还需要进行格式转换、轨道参数提取等，同时对天气条件的要求较高，因此，造成了传统土地调查方法作业具有效率低下、作业成本高等问题。随着无人机技术的快速发展，无人机航测技术也逐渐应用于地籍调查工作当中，无人机技术相对于传统航空摄影具有机动灵活、快速高效、成本低廉、不需要特殊起降地点和受天气影响小等诸多优势，同时能获得分辨率更高的影像资料，对于土地调查工作而言具有划时代的意义[5-8]。在无人机上搭载POS 系统，可以大大减少地面像控点的布设，从而进一步提高无人机航测的工作效率。因此，结合无人机摄影和航空测量技术，可以实现更高效的土地权属调查[9-10]，为土地调查工作提供了新的思路和方向。

本文结合无人机摄影测量技术和机载POS 辅助航空摄影技术，建立起基于无人机航空摄影的土地权属调查分析技术流程，通过实际操作，得到高分辨率的土地权属调查工作底图，并对其调查精度和效果进行了评价分析，以期能为相关工作提供借鉴。

2.1 POS 辅助航空摄影技术

POS 系统包括高精度位置信息GNSS 系统和高精度姿态信息IMU 系统，通过无人机上装备的GPS设备与架设在地面已知点的GPS 设备进行信号同步，将解算过后的POS 数据与地面像控点数据通过后期空三加密处理获得高精度的影像外方位元素，再通过数字正射影像制作、矢量图采集最终得到高分辨率的调查工作底图（见图1）。POS 辅助航空摄影分为直接定向法和辅助定向法，本文采用辅助空中三角测量法进行测量，即通过POS 解算出位置和姿态信息并作为带权观测值，然后与地面少量像控点的数据一并引入区域网的平差中，从而获得每张图像6个外方位元素值（包括三个线元素（Xs，Ys，Zs）以及三个角元素（φ，ω，κ）），经几何变化过后的共线方程为：

图1 POS 辅助航空摄影测量原理

其中x，y 表示点M 像的平面坐标；vx、vv表示x、y 的修正参数；ai、bi、ci（i=1、2、3）表示角元素构成的9 元素旋转矩阵；x0和y0表示主点S 在像平面的平面坐标值；f 表示焦距；dx、dy、df 表示x0、y0和f 修正参数。路等信息数据的获取。

（6）土地权属调查工作底图制作。

3 实验区概况

试验区位于浙江某地，整体地势较为平坦，实验区总面积约为80km2，其中耕地面积约为66.67km2，耕地间的道路、池塘、沟渠、田坎、居民区等在影像图上均能清晰表达，耕地农作物以小麦为主，实验时麦苗不高，实验区植被覆盖率也较低，对航空摄影影像不大。

4 技术流程和关键技术环节

4.1 技术流程

无人机航空摄影测量技术主要分为六个步骤（见图2）：

图2 无人机航空摄影测量技术流程

（1）航空摄影，包括航摄无人机、航摄仪等的选择、航线设计以及航摄参数的设置等。

（2）像片控制测量，包括像片控制点布设和检查点的施测等。

（3）空三加密。

（4）正射影像制作。

（5）矢量图的采集，包括田块、沟渠、居民地、道

4.2 航空摄影及像片控制点

主要设备：航摄无人机（固定翼无人机），最大航速160 km/h，最大飞行高度6000m，最大起飞重量28 kg，最大航程170km；航摄仪（宾得645D 数字航摄仪），有效像素4000 万，最大分辨率7264*5440，镜头焦距为35mm；POS 系统及其辅助平台；数据处理软件。

航线设计：东西方向飞行，航向重叠度为65%，旁向重叠度为35%，共包括3 个架次22 条航线以及6 条构架航线，比例尺1：2000，地面分辨率0.15m。

航摄飞行及自检：选择天气晴朗的日子进行航摄，航摄完成后，及时将原始POS 数据和图像下载，然后检查原始影像图是否饱满、是否存在航摄漏洞、是否存在云、影等现象。经自检，整个航摄过程未出现航摄漏洞，图像质量满足后期处理的要求。

像控点布设：利用航线设计图在航向或者旁向五片或者六片重叠处（且应为旁向重叠中线附近）布设像片控制点，像片控制点均为平高控制点，所有像片控制点均易于观测，无信号干扰或者遮挡且易便于标记，像控点布设施测完成后，利用检查点进行检查时，看是否满足空三加密精度要求。

4.3 空三加密

根据《数字航空摄影空中三角测量规范》相关规定，各项位置点和1∶2000 比例尺下的精度要求见表1 和表2。采用Inpho 软件进行空三加密，空三加密具体步骤为：

（1）创建工程。

（2）自动匹配加密点和连接点。

（3）加测控制点。

（4）编辑加密点和连接点。

（5）采用光束法进行区域网平差。

（6）检查像点和控制点的精度。

（7）区域网接边，然后输出成果。

对39 个控制点进行空三加密，然后进行精度检查，结果显示，平面位置最大中误差为0.668，高程位置最大中误差为0.211，由于实验区主要以平地为主，因此根据表1 和表2 的误差允许限值，本次空三加密符合精度要求。

表1 各项位置点的精度要求

表2 连接点对最近控制点精度要求

4.4 正射影像图

以空三加密成果以及数字高程模型为基础，对原始航摄图像进行纠正，首先需要选择色彩鲜艳、亮度饱满的像片生成像对正射影像图，然后进行匀光匀色，达到整体影像图色调的一致性，最后通过对纠正后影像图镶嵌，拼接制作成最终的正射影像，拼接过程中应尽量避开房屋、高差明显等区域，拼接完成后的图像应无错位、扭曲、拉花、变形等现象（见图3）。

图3 正射影像图

4.5 矢量图采集

在全数字摄影测量软件系统上进行矢量图数据采集，采集过程中为了提高工作效率，主要集中于田块、沟渠、居民地以及道路等信息，无需进行全要素的采集，对于地类相同区域，需增加外业实地采集，最终得到各要素的矢量图采集结果（见图4）。

图4 矢量图采集结果

4.6 调查工作底图

对上文采集得到的田块、沟渠、居民地以及道路等矢量图进行编辑，通过不同特征的线段、符号等将权属界进行连接，形成最终的权属图，然后按1：2000 的比例尺打印出调查工作底图（见图5）。

图5 调查工作底图

5 精度评价

采用外业实测检查点法进行点位精度误差分析，结果发现：图解法和实测法得到点位位置坐标中误差为0.35m，而无人机航空摄影方法得到的点位位置中误差为0.277m，无人机航空摄影法得到的点位精度不仅高于传统测量方法，而且远低于1∶2000 平原地区数字正射影像平面位置中误差要求的1.2m 上限值，这是因为矢量图采集是在全数字摄影测量系统下完成的，并通过野外实测法进行补充，可以很大程度上避免地无遮挡或者影像不清晰造成的地类边界不准的现象。因此，无人机航空摄影法相比较而言具有更高的测量精度（见图6）。

图6 不同测绘方法平面中误差对比

6 结束语

借助于无人机飞行平台搭载POS 系统进行土地权属航空摄影调查，再通过空三加密等作业，不仅可以获得分辨率更高、更加清晰的地类边界图像，还大大减少了外控点的布设，提高了工作效率，降低了调查工作成本相比于图解法和实测法，具有更高的测量精度，点位位置平面中误差仅为0.277m。相关研究成果可为土地调查工作提供参考。