低空倾斜摄影测量在梯田面积调查中的应用

曾 毅

（长江空间信息技术工程有限公司（武汉），湖北 武汉 430010）

我国山区地形多为斜坡地形，地形陡峭，梯田可以利用山坡的高低差，通过修建不同高度的平台形成多层台阶状的种植田地，以增加种植面积，避免水土流失，提高土地利用率，在种植和保护土地方面具有明显优势，成为山区农业的重要形式。梯田面积测量作为土地资源普查的重要内容之一，对帮助农民掌握自己的土地资源状况、方便土地的管理和土地权属的确立、合理规划和利用土地资源等都具有重要意义[1-3]。当前梯田面积测量主要有航空影像解译和实地调查两种方式，前者由于梯田的高度差较大，存在梯田间的重合或交叉现象，基于航空影像确定重合或交叉部分的面积难度大，使得最终测算结果偏差较大；后者由于梯田的形状和大小不规则，分布零散且山区地形复杂，人工实地调查需要耗费大量时间和精力。随着科学技术的飞速发展，无人机倾斜摄影测量技术可获取多角度、高分辨率的影像，能够生成直观形象的实景三维模型，具有高精度、高效率等特点，还具有距离、高度、面积和体积等量算功能，因此在不动产测绘及土地资源保护等领域具有良好的应用前景。本文以某山区梯田面积统计工程项目为例，将低空倾斜摄影测量技术应用到山区梯田面积测量工作中，验证了低空倾斜摄影测量在梯田面积测量的可行性，研究结果可为当地土地资源规划提供基础数据、提升当地土地利用效率等提供参考。

1 低空倾斜摄影测量技术

无人机倾斜摄影测量技术是以无人机为飞行平台，搭载多角度相机，通过航拍获取目标物清晰完整的影像数据，改变了传统的航拍技术的限制，有效提高三维模型生产效率，可以更清晰地反映地面实物的实际情况，大幅度降低了三维建模数据获取的时间、人力和经济成本。摄影测量的主要测量对象是地球表面，根据对地面获取影像时摄像机安放的位置不同，摄影测量可分为航天摄影测量、航空摄影测量、低空摄影测量和地面摄影测量。低空摄影测量一般航高在100～1 000 m之间，低空摄影测量具有生产周期短、运作成本低以及可操作性强等特点，在危险区域图像实时获取、土地变化监测、建筑物违章监管、环境监测和应急指挥等方面广泛应用。

2 影像数据采集及处理

2.1 作业区概况

本研究项目为某山区梯田建设开发项目，项目区属旱作农业区，以粮食生产为主，该地区长期受到土壤侵蚀，地貌被分割成沟谷、梁坡和河谷川地等，应当地资源管理部门要求，现需要通过治理开发控制水土流失，改善当地生态和农业生产条件。首先需要摸排当地梯田面积情况，该地区梯田种植分散加上整体测区面积偏小，传统的人工调查和航空影像调绘人力、物力成本较高，因此本项目应用低空倾斜摄影测量技术进行梯田面积调查。整体技术流程主要包括三大部分，即采集影像数据、实景三维模型重建、梯田面积调查和验证[4]。

倾斜摄影测量技术构建实景三维模型整体流程如图1所示。

图1 倾斜摄影测量技术构建实景三维模型整体流程

2.2 低空倾斜摄影测量影像数据采集

本项目选择“混合翼无人机+五镜头倾斜相机”等搭载倾斜相机的方式获取倾斜影像，利用飞马V100混合翼无人机。

飞马V100参数如表1所示。

表1 飞马V100参数

本次航拍作业飞行航高为80 m，航向重叠度为80%，旁向重叠度为75%。像控点布设采用呈矩形或方形的区域网布设方案，大小依据航摄分区的划分、航摄影像情况、测区地形特点、空中三角测量精度要求等情况进行考虑，采用网络RTK方式测量平面坐标，使用似大地水准面模型进行高程精化处理[5]。

为了保证三维数据生产的成果质量，首先根据飞行区域的面积、地形起伏、基站布设以及测区跨带等对航线进行设计。为了保证三维数据生产的成果质量，摄区航向方向边界向外延伸不少于5条基线，摄区旁向方向边界区域向外侧延伸不少于2条航线，按照要求进行影像数据采集，飞行完毕后将倾斜影像数据和飞行数据下载。

2.3 实景三维模型重建

低空倾斜摄影测量使用Context Capture软件，首先添加要建模的照片和控制点信息文件，并进行POS解算，根据外业像控点实测数据，找到影像中像控点位置进行刺点，输入外业实测的像控点坐标。然后进行空三加密，经过提取特征点、提取同名像对、相对定向、匹配连接点、区域网平差等步骤的运算处理，得到测区空中三角测量成果。最后进行模型重建，根据测区大小和影像分辨率，对模型采取规则平面网格进行瓦片划分，瓦片分割完成后根据空三加密成果利用影像匹配技术进行同名点匹配生产DSM，调取模型各个面对应视角中最清晰的影像进行纹理贴图[6]。

梯田实景三维模型如图2所示。

图2 梯田实景三维模型

3 梯田面积统计及偏差对比

3.1 梯田面积统计

梯田面积统计如图3所示。

图3 梯田面积统计

梯田面积统计应用LocaSpaceViewer软件，该软件提供了完善的地球空间数据可视化分析功能。

打开LSV软件，点击“倾斜摄影-数据转换”工具栏，点击并找到实景三维模型生成的data文件夹，生成lfp文件。再将倾斜模型导入LSV软件，选择“测量”工具栏中的“面积测量”工具，将模型切换到合适视角（一般为俯视图），对梯田边界进行“勾勒”，“勾勒”结束后双击鼠标跳出“面积计算”对话框，显示目标区域面积。

3.2 面积偏差对比

为检验本文提出方法的精度是否可靠，随机选取某6块梯田进行精度验证，实测面积采用手持高精度面积测量仪进行测量，并对低空倾斜摄影测量法和航空影像解译法进行对比。

测量结果精度对比如表2所示。

表2 测量结果精度对比

田块测量允许误差的范围通常取决于涉及的具体行业和应用领域，可以根据具体情况进行调整。梯田农业土地调查和划分中，田块测量允许误差一般不允许超过3%。由表2可知，低空倾斜摄影测量法相对误差均小于3%，因此可以满足梯田面积调查要求。传统的航空影像解译法在梯田面积核算中，梯田田块间较差重合较多，因此影像视角原因偏差较大，通过统计分析对比结果可以看出平均相对偏差在6%以上，无法满足应用要求。

4 结语

梯田具有防止水土流失、蓄水、保土以及增产的作用，修建梯田是改土造田、治理坡耕地的主要方法，是山区、丘陵地区实现农业高产稳产的重要措施，梯田面积调查一直是土地调查的重要内容，而传统调查方式存在较大局限性。本文将低空倾斜摄影测量技术应用在梯田面积调查应用中，研究结果表明，该方法可以为梯田调查提供新思路，具有较好的借鉴和推广价值。