无人机航拍测量技术在龙门沈村垦造水田项目中的应用

任文勇

（广东振业工程咨询服务有限公司，广东 惠州 516003）

1 引言

近年来，随着城镇化进程的不断加快，土地资源日益匮乏，为了更好地提高土地资源利用效率，需对未开发的土地进行开垦造田，增加实际的农田面积。传统土地勘察测量大多由人工完成，测量效率低，无法满足项目需求。为进一步确认地块垦造水田的可行性，提高项目复垦测量的精准性与高效率，利用无人机对复垦地块进行航测，让作业人员通过高清影像即可核查项目区实地、数量与竣工图是否一致，可有效缩短项目复核测量时间、降低测量成本、提高测量效率。

2 无人机航拍测量技术概述

无人机航拍测量是一种新兴、低空遥感的高新技术，主要由控制系统、定位定向传感器、地面监测控制系统、无线遥控器等构成，主要工作原理是以摄影测量为基础，通过在同一飞行平台搭载多台传感器设备，从垂直、倾斜等不同角度采集影像，获取地面、地物的完整信息，经计算机处理后获得所需影像。影像上每个点都会有三维坐标，基于影像数据可对任意点线面进行量测，获取厘米级的测量精度，并自动生成三维地理信息模型[1]。该技术由于飞行条件限制较少、数据精确、成本低、操作简单、效率高，且续航能力强，已在各个领域得到广泛应用。在垦造水田项目复核测量工作中，采用无人机航拍测量技术能提高内业、外业测量工作效率，为项目复垦验收提供可靠精准的数据基础。

3 无人机在垦造水田项目竣工验收中的应用优势

无人机航测可以获取大比例尺地形数据，具有丰富的三维地理信息，且精度较高，可达亚米级别，测图精度可达1∶1000，能满足高精度需求。在垦造水田项目测量中，利用无人机航测技术获取高分辨率影像，作业人员可直观、清晰地看到项目的地形地貌、土地利用情况、空间布局、路沟渠线状地物等信息，为地形图制作奠定良好基础。

项目开展前需要制作大比例尺地形图，利用低空无人机航拍影像和少量地面控制点，能快速制作项目区大比例尺数字线划地图（DLG）和立体模型[2]，后期内业数据处理时，可以直接从影像上采集项目区地面地物信息。在垦造水田项目竣工验收复垦中，高清的竣工影像可清晰呈现项目规模、垦造地块数量，工作人员通过影像数据，即可开展项目竣工验收检查。

4 无人机实例项目应用分析

4.1 测区概况

龙江镇沈村垦造水田工程位于广东省惠州市龙门县龙江镇沈村，介于东经113°48′26〞～114°24′58〞，北纬23°20′06〞～23°57′50〞之间，地处广东省中部、增江上游、珠江三角洲边缘，东南与河源市、博罗县接壤，西南与从化市、增城市毗邻，北与新丰县相连，距惠州市85 公里。该项目建设范围81.2160 亩，其中，建设前水田0.9345 亩，旱地0.039 亩，可调整园地79.593 亩，水域及水利设施用地0.51 亩，城镇村及工矿0.1395 亩。建设后水田73.7925 亩，新增水田面积为72.8580 亩，城镇村及工矿0.1395 亩，交通运输用地1.056 亩，水域及水利设施用地1.83 亩，其他土地4.398 亩。下面以2020 年度惠州市龙门县龙江镇沈村垦造水田项目市级验收工程复核为例，分析无人机航测技术在该项目中的具体应用。项目航摄范围如图1 所示。

图1 沈村垦造水田项目航摄范围

4.2 无人机航拍摄影

首先根据测区范围进行实地踏勘，掌握测区的地形、地貌和气候环境，进行航线规划、像控点设计等。其次，完成像控点的布设与测量，再开展航空摄影作业。航飞完成后，需按要求检查影像质量，对质量不合格的影像进行补测，直到影像质量满足要求。最后，采用Smart3D ContextCapture 实景建模软件对航空摄影获取的影像成果进行空三加密，完成实景三维模型及数字正射影像（DOM）生产，并采用野外检测点对实景三维模型和DOM 成果精度进行检验，对于不满足精度要求的加密区应重新进行空三加密，直至成果精度满足要求。

4.2.1 航摄系统

考虑到沈村垦造水田项目工期紧，航测作业量大，且地面分辨率要求高，故外业航飞采用大疆精灵4 RTK 无人机。这是一款小型多旋翼、单镜头倾斜摄影、高精度航测无人机，飞行系统是目前市面上数据采集最精准的TimeSync 系统，图传系统采用OcuSync，相机是1 英寸2000 万像素CMOS 传感器。在高速飞行拍摄时，每个相机镜头都能快速捕捉高清影像，确保建图时高精度成像。利用D-RTK 2 高精度GNSS 移动站，可快速获取实时差分数据，在低空摄影测量时，具备仿地飞行、精准定位、图传辅助、云平台管理等丰富的功能配置，能快速获取地面物体顶面及侧面的高分辨率纹理信息。

4.2.2 航摄设计

为确保无人机航摄精度，根据沈村项目实际情况，需对测区实地踏勘，然后进行航线规划、像控点设计。

（1）航线设计

①地面分辨率

为了提高成果质量和作业效率，根据相关规范标准以及项目成果须满足1∶500 成图比例尺、地面分辨率（GSD）须优于0.05m 的要求，项目地面分辨率设计为优于3.0cm。

②相对航高

在确定地面分辨率之后，根据航摄相机焦距、CCD像元大小确定航摄飞行相对航高。相对航高也可根据航摄参数在地面站软件自动计算。数字航空摄影的地面分辨率与飞行相对高度关系如图2 所示。

图2 地面分辨率与飞行相对高度关系

公式中，h为飞行高度，f为镜头焦距（mm，下视相机），a为像元尺寸（3.9μm），GSD为地面分辨率。按照公式可求得相应GSD的飞行高度。

③重叠度

为成功建立实景三维模型，需在传统航空摄影作业规范要求基础上加大重叠度，设计时做好镜头的焦距、像幅大小等参数计算。项目设计航向重叠度为80%；旁向重叠度为75%，局部分区可根据实际情况再行调整。

④航线敷设

根据倾斜摄影的特点，考虑倾斜像机获取数据的完整性，以最优的45°角理论计算，旁向、航向超出摄区边界线应不少于相对航高的距离。如：相对航高120m，则旁向、航向必须超出摄区边界线120m 以上，方可保证后期成功建立摄区完整的实景三维模型。为此，本项目航高设置为120m。

（2）航飞像控点设计

按照《低空数字航空摄影测量外业规范》（CH/Z 3004-2010）和《数字航空摄影测量控制测量规范》（CH/T 3006-2011）有关要求，沈村垦造水田项目的像控点采用区域网方法布点，航摄分区的四角及中心、凸凹转角处布设像控点，且在测区均匀布点。四角的像控点布设在航摄分区范围外边缘处及两条航线重叠区域，中心点布设在航摄分区中心。

4.2.3 航飞像控点测量

航飞像控点布设是项目坐标转换的关键环节，也是提升测量成果精度的重点。沈村项目外业航拍前根据项目周边情况，布设相应数量的像控点，且布设位置均匀，以便顺利开展像控点测量。像控点测量首选基于GDCORS 的网络RTK 模式，由网络RTK 直接测定像控点三维坐标，再利用相应的转换参数将平面坐标转换到成图坐标系，利用GDCORS 服务管理中心提供的七参数直接测定成图坐标系的平面坐标和正常高；不能接收GDCORS 网络RTK 服务时，采用单基站RTK 测量方法施测[3]。为此，在测量作业时，每次观测历元数不少于20 个，采样间隔2s ～5s；或每次观测历元数不少于100 个，采样间隔1s；数据采集设置单次观测的平面收敛精度不应大于2cm，高程收敛精度不应大于3cm；各次初始化测量的空间坐标依照平面坐标较差不超过4cm，高程较差不超过4cm；不符合要求时加测一次；若三次各不相同，则在其他时间段重新观测；测回间应对仪器重新初始化，测回间的时间间隔应超过60s；测回间的平均坐标分量较差不应超过2cm，垂直坐标分量较差不应超过3cm；取各测回结果的平均值作为最终观测成果。观测结束后及时将数据从GPS 接收机转存到计算机，确保观测数据不丢失，并拷贝备份由专人保管[4]。同时按测站或一天的数据保存原始数据，及时统计不满足精度要求的点，并组织重测工作。

而像控点高程首选采用广东省似大地水准面精化模型计算，亦可采用联测GPS/水准点的方式进行高程拟合，建立高程转换模型。测区像控点RTK 高程测量采用图根精度等级，主要技术要求不超过表1 规定[5]。

表1 RTK高程测量主要技术要求（mm）

4.2.4 航摄飞行

在航摄飞行作业时，首先，严格检查并记录遥控器、相机、GPS 定位以及电池等情况，确保无人机在正常状态下升空作业。其次，无人机在测区空地起飞，并进入航线开始摄影作业，测量全过程根据预设的各项参数自动化作业，按航摄预定航线完成全部地块测量工作，本次共获取150 张照片。

4.2.5 航摄内业数据处理

在完成沈村项目测区外业航摄后，还需对采集到的数据、航拍到的照片进行内业处理及过滤，处理包括像控点刺点、空三加密等。项目使用Smart3D ContextCapture 实景建模软件完成空三加密，该软件首先对处理后的照片进行特征点检测与匹配，再通过空三解算获取每张影像的内外方位元素，便可完成全自动空三加密、严密平差解算、实景三维建模、正射影像生产等工作。本次航摄影像精度已接近1∶1000，为获取满足1∶1000 精度的正射影像，还需采用处理软件拼接出沈村项目区域的正射影像，然后根据实测竣工图提取5 个控制点坐标，利用DEM 软件对拼接后的正射影像进行纠正，以获得高精度的正射影像。考虑到影像拼接容易曝光而出现色差问题，复核人员还需对影像进行编辑，如对影像的亮度、反差、色调、饱和度分布不均匀现象进行校正。经编辑处理后，DOM能满足沈村垦造水田项目竣工验收要求。

在获得DOM 后，将获取的影像图与竣工图进行叠加（如图3 所示），使作业人员清楚掌握项目竣工情况。为确保项目田块平整度与竣工图一致，可从航摄影像中抽出几个田块生成断面图，并从图中取出最高值与最低值，只要差值在10cm 以内便可确定其与竣工图是否一致。通过叠加对比，新增水田面积一目了然，经过内业建设红线套合DOM 处理，扣除田坎、路、渠等面积，便能计算出项目实施后新增水田面积。经计算，本项目建设后新增水田73.7925 亩，城镇村及工矿0.1395 亩，交通运输用地1.056 亩，水域及水利设施用地1.83 亩，其他土地4.398 亩，具体如表2 所示。

图3 竣工图与正射影像叠加

表2 沈村垦造水田项目建设前、后数据对比

5 结论

根据无人机航摄技术在沈村垦造水田工程复核中的应用情况可以看出，采用无人机航摄测量能够真实反映地物的实际情况，使工作人员从多个角度观察地面物体，不仅能将大量外业工作转换成内业，减少作业人员的野外工作量，缩短项目复核测量时间，同时通过配套软件应用，还能提升垦造水田项目野外工作效率，使垦造水田项目复核实现精确测量。