无人机航摄技术在土地整治项目中的应用探究

赵彤

摘要    针对传统土地整治项目施工监管、后期监测效率不高的问题，本文通过低空无人机航摄和PhotoScan软件后期处理，对比生成的正射影像图和Google earth卫星图的分辨率和位置，发现该影像图能精准、高效地表征项目区影像数据变化，得到一种可用于土地整治项目各阶段动态观测的简单、快捷方法，以期为土地整治项目的发展提供参考。

关键词    土地整治;无人机航摄;PhotoScan;数字正射影像图

中图分类号    P236        文献标识码    A

文章编号   1007-5739（2019）21-0201-02                                                                                     开放科学（资源服务）标识码（OSID）

Abstract    In view of the construction supervision of traditional land remediation projects and the low efficiency of post-monitoring，this paper compared the resolution and position of the generated orthophoto map and Google Earth satellite images through low-altitude drone aerial photography and PhotoScan software post-processing.The image map could accurately and efficiently characterized the change of image data in the project area，and obtained a simple and quick method that could be used for dynamic observation of various stages of land remediation projects，so as to provide references for the development of land remediation projects.

Key words    land remediation;UAV aerial photography;PhotoScan;digital orthophoto map

土地整治在增加农用地面积、提高耕地质量、优化土地利用结构、提高土地利用效率、改善农业生产条件、增加农民收入等方面都发挥着重要作用[1]。目前，土地整治项目区多为相对落后的丘陵和山区地带，前期踏勘、测量存在一定技术难度和测量误差，造成后期项目验收、监管效率不高[2]。

近年来，无人机航测遥感技术快速发展，它是对卫星遥感、大飞机航测的有效补充，具有灵活性高、成本低、作业周期短、数据分辨率高等特点，在大地测量、国土规划、资源调查、防灾救灾等领域得到了广泛应用[3-4]。该技术的发展和应用，促使土地整治工程在前期踏勘、中期设计施工、后期验收监管等方面实现高效便捷的动态监测成为可能，许多省市已经将低空无人机航测技术作为土地整治项目设计、验收、监测的推荐技术[3，5]。本文利用小型无人机采集某土地整治项目区航拍数据，通过专业分析处理软件进行航拍数据处理，检验其在后期监测中的应用可行性。

1    无人机低空摄影测量系统介绍

1.1    无人机低空摄影系统

无人机低空摄影系统以无人机为飞行平台，通过飞行控制系统实现无人机的固定航线飞行，并拍摄高分辨率遥感影像，从而快速获取目标区域基础遥感信息数据。该系统由飞行控制系统、地面站系统、航拍系统等部分组成[5]，获得的数据经过后期内业处理生成各类直观影像和模型。

其中，飞行控制系统是无人机摄影系统的飞行控制核心，它能够接受地面发射的控制信息，使无人机按照预定航线、速度、高程进行自动飞行及返航，该系統通过GPS定位无人机坐标位置，实时计算无人机的飞行速度、高度等信息。地面站系统通过实时向无人机发送信号控制其飞行航线、速度、高程等，能够显示无人机飞行区域的电子地图、飞行航线、参数、无人机姿态等信息，达到监视飞行状态的目的。航拍系统可以根据实际需要，搭载各类传感器（如普通数码相机、红外多光谱相机等）以及稳定云台，实现多精度、多角度实时遥感数据采集。

1.2    低空航拍数据处理

利用无人机拍摄的航空影像，通过专业数据处理软件（Inpho、PhotoScan及Pix4D等）提取无人机坐标、高程、飞行角度、拍摄角度等信息，并进行航拍影像的拼接，最终输出数字正射影像图（DOM）、数字表面模型（DSM）、数字高程模型（DEM），其计算周期短、自动化程度高、应用范围广[6]。

本研究采用Agisoft公司的PhotoScan软件，可以对输入的影像进行自动对齐及优化处理，生成不同等级的密集点云数据，进而生成网格、纹理，通过航拍影像自带的地理坐标系统，最终生成具有地理参考信息的数字地理模型[7]。

本文以某土地整治项目竣工地块为拍摄对象，以低空无人机为平台，基于近似最近邻（ANN）匹配算法的Agisoft Photoscan软件实现航拍影像自动拼接，生成地块正射影像图[7]，添加到Google earth卫星影像图中对比其处理效果，以期为土地整治项目相关设计、动态监测提供简单、易行的航拍影像资料。

2    数据采集

2.1    野外数据采集准备工作

在采集影像数据前，通过相关资料了解测区竣工范围线和相关地物分布，对该地块进行实地踏勘，熟悉拍摄范围并规划飞行航线，避开航摄范围内较高地物（建筑物、高压线等），最后选择风速低、光线好的日期进行无人机航拍[5]。

2.2    无人机飞行参数设置

本项目采用的无人机平台为大疆公司的精灵3A机型，它由飞行器、云台相机、遥控器组成，搭配iPad以及DJI GS Pro App配合使用。该机型配备20 mm（35 mm格式等效）低畸变广角相机、高精度防抖云台以及1 200万像素图像传感器，可拍摄1 200万像素JPEG及无损RAW格式的照片，配备高达66 W·h的高能量密度智能电池和高效率的动力系统，最大平飞速度16 m/s，最大续航时间约为23 min[7]。

无人机起飞前，通过DJI GS Pro软件设置本次飞行航线，设置飞行速度5 m/s，飞行高度140 m，飞行时间15 min，相机镜头垂直拍摄，达到航向重叠率70%、旁向重叠度50%，航摄点共20个[7]。

3    数据处理与结果分析

3.1    软件处理步骤

（1）打开PhotoScan 软件，点击“添加堆块”，创立新项目。

（2）添加照片并对齐照片。选择添加无人机飞行拍摄并挑选后的13张航片，然后点击“对齐照片”，在窗口中选择适合的精度，软件能够自动读取航片坐标、高程、飞行姿态等信息，通过空中三角测量的基本原理以及多视图三维重建技术自动排列照片并对齐[6]（图1）。

（3）生成密集点云、网格、纹理。分别点击“生成密集点云”“生成网格”“生成纹理”。PhotoScan软件会基于相机拍摄位置计算深度信息组成密集点云，并生成对应的网格三维模型和纹理模型（图2）。

（4）构建数字高程模型、数字正摄影像模型。分别点击“构建数字高程模型”“构建数字正摄影像模型”，选择WGS 84坐标系，并设置数据来源、像素等参数（图3）。

（5）输出相关成果。经过以上步骤之后，选择合适的分辨率以及所需的投影类型，输出所需的数字正射影像模型DOM的tif格式和kmL格式，生成的数字正射影像模型像素为1 856×2 047（图4）。

3.2    结果分析

将正射影像图的kmL格式文件添加到Google earth卫星图中，对比最新影像图，软件生成的正射影像图分辨率明显高于谷歌卫星20级影像图，并且基本与已有卫星图重合，说明该低空无人机航摄和软件技术处理数据位置精度高、分辨率高。通过后期在Arc GIS软件中结合已有工程图，可以实现项目地块的面积、道路、水渠等相关数据的估算，能够很好地应用在土地整治类项目的前期规划、施工动态监测以及后期验收等方面。图5、图6分别为正射影像图加载前后的卫星图对比效果。

4    结语

小型低空无人机航拍系统在土地整治中具有很多优势，如能够快速采集最新数据，灵活性强、成本低、效率高，尤其适用于地形复杂区域拍摄[7]。后期PhotoScan软件处理便捷，制图结果和分辨率满足要求，生成的DOM、DEM、DSM等模型能够在相关图像处理软件中加载，实现项目二维和三维制图、工程量估算、地类区分等目的。

该方法能够获得项目区最新大比例正射影像图，真实、准确、全面、及时反映项目各阶段工程进度变化[8]，结合后期软件处理，在土地整治类项目的前期规划、中期施工动态管理、竣工后运营监测等方面将具有广泛的应用前景[9]。

5    参考文献

[1] 冯颜博，赵扣.浅析无人机遥感技术在土地工程中的应用[J].西部大开发（土地开发工程研究），2017，2（12）：6-9.

[2] 徐秀云，陈向，刘宝梅.微型无人机助力土地整治项目监管[J].测绘通报，2017（3）：86-90.

[3] 赖云，祁琼.无人机航测在土地整治项目核查验收中的应用[J].地理空间信息，2014，12（5）：20-22.

[4] 汪雅婕.Pix4Dmapper在无人机航摄应急救灾项目中的应用研究[J].测绘与空间地理信息，2016，39（9）：202-203.

[5] 吴涛.低空无人机航空摄影测量技术在土地整治项目规划設计阶段的运用[J].安徽农业科学，2015，43（2）：295-296.

[6] 李华，王正东.基于PhotoScan和ArcGIS的土方量测量研究[J].矿山测量，2019，47（1）：61-63.

[7] 代婷婷，马骏，徐雁南.基于Agisoft PhotoScan的无人机影像自动拼接在风景园林规划中的应用[J].南京林业大学学报（自然科学版），2018，42（4）：165-170.

[8] 任向红.微型无人机航空摄影测量技术在宁夏土地整治中的应用：以宁夏中北部土地开发整理重大工程项目为例[J].测绘与空间地理信息，2013，36（9）：168-169.

[9] 顾铮鸣，金晓斌，杨晓艳，等.基于无人机遥感影像监测土地整治项目道路沟渠利用情况[J].农业工程学报，2018，34（23）：85-93.