无人机航测技术在土地整治中的应用研究

　　摘 要：随着科学技术的飞速发展及工程行业的更高要求，传统测量技术逐渐不能满足土地规划项目的具体要求，因此以无人机航测技术为代表的先进测量技术，以其技术优势在工程中的应用愈加广泛。本文以重庆地区土地整治项目需求入手，详细分析了无人机航测技术在土地整治项目中的具体优势，并通过设计具体实验，验证了其测量精度满足项目需求。无人机航测技术既能体现企业自身的技术实力，又能为项目的具体实施节约一定的成本，因此有很广泛的技术应用前景和市场推广价值。

　　关键词：无人机;航测技术;土地整治;应用研究

　　重庆地区多为山地、丘陵地貌，地形起伏多变，降水较多，且地面水系丰富，由于早期存在边坡盲目开垦种植农田、非法砍伐树木、非法开采等现象，以及边坡风化失稳等不良地质，再加上惡劣天气条件影响，常发生滑坡、泥石流、堰塞湖等地质灾害问题。为治理上述问题，国家发展改革委、水利部和重庆市财政下拨专项经费进行土地整治工作，主要开展坡耕地水土流失综合治理项目和农村小水电扶贫项目，前期开展的测量项目主要是全野外数字测图工作，通过数字地形图的更新，为后续规划、设计、施工等工作开展打下坚实的数据基础[1]。

　　在传统的土地整治项目中，主要采用全站仪、水准仪、皮尺等常规工程测量仪器，测量技术落后，且受地形影响，劳动强度极大。后来随着测量设备的更新换代，卫星定位技术逐渐在该领域广泛应用，如采用自行架设单基站GNSS-RTK或利用市地理信息中心提供的CORS网络GNSS-RTK等形式，避免了站点间的通视问题，极大提高了工作效率，但是由于山区地形复杂，卫星信号及手机信号均收到不同程度的影响，尤其是在中午11点～14点之间，CORS信号极易断线，因此工作中不能时时提供坐标数据，往往影响施工进度。不论是全站仪，还是GNSS卫星定位设备，都是接触式测量方式，必须要人员到相应点位才能得到具体坐标信息，原始地面起伏较大，爬坡下坎比较消耗体力，且易发生人身安全问题这都是不利因素，同时，这些测量方法，仅能测量点的三维坐标，生成二维线划图，高程以等高线来表示，不能直观反映地形起伏变化情况，给设计、施工带来一定的不便，因此目前所用测量技术和方式逐渐不能满足当前土地整治中规划、设计、施工的具体需求。

　　随着测量技术的进一步发展，卫星遥感技术、无人机航测技术、三维激光扫描技术、激光雷达等非接触式测量技术逐渐崭露头角，它们以非接触式测量方式，直接获得高精度的扫描点云数据，可以高效地对真实世界进行三维建模和虚拟重现，并在文物数字化保护、土木工程、工业测量、自然灾害调查、数字城市地形可视化、城乡规划等领域有广泛的应用[2]，特别是无人机航测技术，在地形条件复杂，高差起伏很大的地域，基本代替了传统的人工测量[3]。

　　1.无人机航测技术在土地整治项目应用中的优势

　　遥感技术根据遥感平台的不同，可分为地面遥感、航空遥感和航天遥感三种形式[4]，无人机航测技术属于航空遥感中的一种。航天遥感，主要是指卫星遥感，具有测量面积大、范围广、不受国界和地理条件限制的优点，适于大面积地形测绘。地面遥感，主要指地面架设遥感设备，具备大面积的同步观测，获得资料的速度快，周期短，时效性强特点，但受到遥感平台高度和视角广度影响。航空遥感中，传统的航空摄影测量方法，受空域申请、航摄周期等影响，在快速响应的应急保障和小区域的精准测绘中无法满足快速更新的需求[5]，随着低空遥感技术的发展，使得低空无人机航测技术成为一个崭新应用方向。无人机具有机动灵活、生产周期短等特点，可为复杂地形区的测量项目提供有效的技术支持，可有效弥补传统测量手段的不足[6]，在土地整治项目中具有明显优势。

　　1.1 数据成果齐全，便于后续工作开展

　　传统测量技术，如全站仪、GNSS-RTK等由于技术的局限性，测量数据成果单一，二维线划图(DLG)识读性不佳，且在绘制中会舍弃大量要素信息，对设计施工不利。而无人机航测技术可生成DOM、DEM、DSM、DLG等4D产品，可见航测成果信息更加齐全，直观性强，对后续的规划、设计、施工、管理维护也有很好的指导意义。

　　1.2 工作效率高，劳动强度低

　　在土地整治项目中，传统测绘方法以实地踏勘测量为主，受地形影响，视角不足，因此需要集中大量的人力物力，耗费较多的时间完成测量任务，而通过无人机航测技术，只需让无人机航飞覆盖整个待测区域，观测人员布设少量像控点，即可完成外业工作，之后回到室内，以Context Capture Master、Pix4D、PhotoScan、Inpho等专业航测软件处理数据，得到4D成果，很大程度上缩短了工作周期，提高了工作效率，保证了工作人员的安全。

　　1.3 成果可读性好，便于汇报及交接工作

　　利用無人机航测技术可以获得规划前、施工中及竣工后等多阶段的工程影像资料，而工程项目的竣工验收、资料存档材料中，工程影像资料是非常重要的一项。由于影像资料的可读性极好，不需要专业技能的积累，就可清晰的了解整个工程项目的进展历程，在向上级部门汇报、竣工验收以及向使用单位交接能很好地体现出公司具备的技术优势。

　　2.无人机土地整治测量精度实验

　　为充分利用无人机航测技术的项目优势，为验证其精度，以某区域土地整理规划为例，采用大疆精灵4Pro无人机进行航测工作，航测实验实施流程如图1所示。

　　2.1实验规划

　　根据实验区域地形情况分析，地势为北高南低，东高西低，最大高差不超过30m。根据航高计算公式

　　(1)

　　式中，H-相对航高，m;f-镜头焦距，mm;a-像元大小，μm;GSD-地面分辨率，cm。

　　为尽可能提高测量精度，以最低点起飞，按照地面分辨率为2cm进行航线规划，设定航向重叠度为80%，旁向重叠度为70%，经计算起飞点相对航高为73m，同理，计算山顶点(区域最高点)飞行参数，可见数据满足规范规定，航测具体参数如表1所示。

　　按照计算参数进行航线规划，并现场布置像控点及检验点，像控点大致均匀布设于区域四周及中心，检核点基本以方格网形式布设，为充分检核精度，检核点位较多，因此点位布设工作量较大，点位布设如图2所示。

　　2.2航飞及实地测点

　　利用深圳大疆公司研发的DJI GS Pro航飞软件控制无人机，使其根据设置航线自主飞行。由于本次采集点位较多，所以采用后采法采集像控点及检查点，利用高精度GNSS-RTK多次采集取均值，并且测量过程中，应采用三角支撑杆固定，使其气泡居中，确保点位数据的准确性。

　　2.3内业处理

　　本次采用Pix4D软件进行内业处理工作。首先，新建工程，将像片加载至软件中，设置影像属性;其次，快速检查处理，检查像片重叠度及相机参数等情况;再次，加入像控点，并在图像上进行刺点工作，一般每点刺3～8张图像，并设置输出坐标系;最后，设置本地处理参数，之后就按照初步处理、空三加密以及数字表面模型和正射影像图 全自动处理。质量分析报告中，像控点中误差仅为5mm，可见数据处理过程满足要求。

　　2.4成果分析

　　根据数据处理成果，将检核点坐标实地测量值和软件量测值进行分析，计算误差如表2所示。

　　由于点位过多，为更加清晰的展示点位误差的分布的离散情况，如图3所示。

　　通过比较实地测量值和软件上的量测值获得平面和高程方向的真误差，计算出三维模型三个方向的中误差及平面中误差，计算公式为

　　(2)

　　式中，mi为中误差，[ΔiΔi]= Δ12+Δ22+……+Δn2，Δi为提取值与观测值之差，n为检查点个数。

　　经计算，x方向中误差为3.2cm，y方向中误差为4.3cm，h方向中误差为6.8cm，即检查点平面中误差5.3cm，高程中误差为6.8cm。可见，除去少量几个错误的离散点需要进一步分析外，点位精度符合1：500地形图测量精度要求。

　　3.结论

　　通过利用无人机开展区域土地整治航测实验，验证了其测量精度的可靠性，在土地整治项目中，可以利用其优势，快速高效率的获取4D成果以及影像视频资料，为后续的规划、设计、施工、管理提供基础资料和过程数据。在航测成果中，能够直观地展示原始地物地貌，在项目实施上，能有效反映现场数据，数据成果齐全，展示性极好，能够反映企业自身的技术实力，为项目汇报、成果展示提供一个很好的技术支撑，因此有很广泛的技术应用前景和市场推广价值。但是，无人机航测技术受天气影响较大，且在地面植被覆盖较密时无法准确测量植被下地面情况，因此，在实际应用中还可以结合机载激光雷达等技术，进一步的探索研究。

　　参考文献

　　[1]安天杭.云南打造小流域坡耕地水土流失综合治理“昌宁经验”[J].中国水利，2018(24)：220-223.

　　[2]董学海.三维激光扫描技术在土石方计算中的应用研究[D].西安理工大学，2017.

　　[3]张宁，杨润书，甘淑.无人机航测技术针对山区高速公路带状测区的应用研究[J].公路，2018，63(07)：245-249.

　　[4]张颖. 论我国商业遥感卫星数据的归属[D].华中科技大学，2018.

　　[5]厉芳婷，闵天，尧志青.无人机航测技术对影像空三精度的影响[J].测绘通报，2017(S1)：75-78.

　　[6]满亚洲，朱兰艳，吕文雅.低空无人机航测系统在高原复杂地形量测中的应用[J].激光杂志，2019，40(08)：22-25.

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