吴正鹏,王琳,奚歌

(1.天津市测绘院,天津 300381； 2.国家海洋信息中心,天津 300171)

无人机低空遥感系统在土地复垦中的应用

吴正鹏1∗,王琳1,奚歌2

(1.天津市测绘院,天津 300381； 2.国家海洋信息中心,天津 300171)

简单介绍无人机低空遥感系统组成、特点及数据处理流程；以天津市示范小城镇建设项目为背景，依据土地复垦工作要求，建议使用无人机低空遥感系统获取遥感影像资料；结合津南区葛沽镇示范小城镇建设土地复垦项目详细论述其具体应用；针对土地资源开发、利用、保护现状对其应用前景进行展望。

无人机；低空遥感；土地复垦；空中三角测量；DEM；DOM

1 引 言

1988年国务院颁布的《土地复垦规定》将土地复垦定义为“对在生产建设中因挖损、塌陷、压占等造成破坏的土地,采取整治措施,使其恢复到可供利用状态的活动”。其广义定义是指对被破坏或退化土地的再生利用及其生态系统恢复的综合性技术过程；狭义定义是专指对工矿业用地的再生利用和生态系统的恢复。

为改善农民生产、生活环境,促进城乡统筹发展,天津市启动了以宅基地换房建设示范小城镇工作,并出台了相应管理办法。示范小城镇建设旨在依据土地利用总体规划,将拟复垦为耕地的农村建设用地地块(包括宅基地)和用于小城镇建设的地块共同组成建新拆旧项目区,通过建新拆旧和土地复垦,最终实现项目区内建设用地的总量不增加,耕地面积不减少、质量不降低,用地布局更加合理的目标。管理办法要求复垦土地检查验收时,区县应提供项目区实施前后1∶10 000或更大比例尺的土地利用现状图和遥感影像资料。

2 无人机低空遥感系统组成、特点及数据处理流程

2.1 无人机低空遥感系统组成

无人机低空遥感系统以无人机为飞行平台,搭载高档民用相机,基于地面控制系统实施航迹规划、监控,借助飞行控制系统实现高分辨率遥感影像的自动拍摄,从而快速获取目标区域基础地理信息数据；是具备高智能化、高集约度,稳定可靠,低空作业能力优势突出的航空摄影测量系统[1]。与常规航空摄影测量系统类似,其组成部分主要包括:飞行平台、遥感传感器、飞行控制、地面控制及遥感数据处理软件系统。

2.2 无人机低空遥感系统特点

与卫星遥感、载人航空遥感平台相比,无人机低空遥感平台具有以下几个独特的优势:①平台构建容易、维护成本极低；②受天气的影响较小,作业方式机动灵活；③飞行高度低,能够获得大比例尺高精度影像,在局部信息获取方面有巨大优势；④不受重访周期限制,可在云下飞行,能有效避免云的影响,获取高时间分辨率影像；⑤能够获取高重叠度的影像,增强了后续处理的可靠性；⑥受空域限制较小[2]。此外,无人机遥感平台还具有便于携带,转移方便等优点。

2.3 无人机低空遥感系统数据处理流程

与传统航空摄影数据相比,无人机低空遥感数据具有以下几个特点:①由于采用了非量测数码相机,镜头畸变较传统航摄仪大；②低空宽视角,因视点变化的原因,影像四周地物几何变形大,特征匹配难度大,有效匹配率低；③低空、窄像幅且高重叠度,影像数据量大；[2]④无人机遥感平台稳定向较差,虽采取了积极防范措施,仍避免不了受高空风力影响出现的大倾角、大旋偏角及由航迹偏离引起的航向重叠度、旁向重叠度不规则问题。因此,无人机低空遥感影像数据处理手段较传统航片在某些环节上算法有其特殊之处；总体来说,其数据处理流程与传统航空摄影测量基本一致,具体流程如图1所示:

图1 无人机低空遥感数据处理流程

3 土地复垦应用案例

3.1 飞行情况简介

2011年9月下旬,采用天津市测绘院CK-GY04型无人机机载双相机低空遥感系统对天津市津南区葛沽镇示范小城镇建设项目区内土地复垦区域实施航空摄影,获取了约4.0 km2的影像数据。航摄当天,当地风力4级左右,航高400 m,影像地面分辨率0.1 m,航片的航向重叠度70%、旁向重叠度40%；通过检查双相拼接影像(如图2所示),认为该系统所拍摄的影像在像片重叠、倾斜角、旋偏角及航线弯曲度、航高保持等方面均能满足内业数据处理要求。

图2 双像拼接示意图

3.2 无人机低空遥感数据处理

由于无人机低空遥感系统获取的影像数据存在像幅小、畸变大、数量多、基线短、重叠度不规则且倾角、旋偏角过大等问题,该项目采用中国测绘科学研究院研发的高分辨率遥感影像数据一体化测图系统Pixel Grid(该系统支持非量测相机的畸变差校正,能针对无人机影像重叠度不规范、像幅较小、相片数量多、倾角过大且倾斜方向没有规律,摄区地形起伏大、高程变化显著等特点快速拼接生成大范围遥感影像图,高效完成基于无人机遥感影像的测量和观测任务[3])、ERDAS及Photoshop等软件进行后期遥感数据处理。其中:

区域网空中三角测量像控点布设方案采用周边布点法；平差所需像控点及检查点的平面与高程均采用网络RTK测量方法,直接测量像控点WGS84坐标并依据要求将WGS84大地坐标换算至天津90地方坐标系。具体参考如下要求:①卫星高度角:≥15°；②有效观测卫星数:≥5；③数据采样时间:3 min；④点位几何图形强度(PDOP值)≤6。

空中三角测量是无人机低空遥感影像数据处理的关键,也是整个处理流程中的难点问题,对最终产品的精度有直接影响。采用Pixel Grid系统的无人机影像快速处理模块作业,相对定向和模型连接完成后,针对由航飞不稳造成模型连接不可靠的区域,定义航带初始偏移量时适当增加偏移点个数,以提高模型间转点的成功率和精度；对于部分自动连接失败的模型,通过人工干预增强连接强度。

DEM数据生产,采用Pixel Grid系统基于多基线/多重匹配特征的高精度DSM匹配算法[4],自动提取整个测区的高密度DSM数据；利用坡度法对建筑区和树林进行滤波[4],生成高密度高精度DEM,对于误匹配区域通过观测立体像对进行编辑、修复。

DOM制作方面,正射纠正采用Pixel Grid软件完成；影像镶嵌及分幅裁剪则采用ERDAS一次性完成,能避免大量图幅接边工作；色调调整分两步进行,首先使用专业匀光、调色软件对原始影像进行匀光处理,消除“烧饼”效应等问题并依据“标准片”分航线将测区内的影像色调统一处理使之接近标准色调,最后使用Photoshop调整整体色调,从而保证最终成果颜色整体一致性。

3.3 土地复垦情况对比分析

鉴于示范小城镇建设项目土地复垦面积小、作业区分散且对遥感影像数据现势性、地面分辨率要求较高的特点,常规航空摄影与卫星遥感手段由于其数据采集周期长、数据起拍价格高等原因无法满足该类项目需求。因此,采用无人机低空遥感系统获取遥感影像资料,从而掌握复垦区域土地利用现状是保障项目顺利实施的最佳方案。

为方便核查土地复垦前后土地利用状况,通过综合对比分析天津市津南区葛沽镇辛庄子村不同地面分辨率、多源、多时相存档遥感影像数据,确定将能全面反映土地复垦前辛庄子村土地利用状况且地面分辨率较高的2010年10月遥感影像数据(如图3所示)作为对比核查的基础数据。

图3 津南区葛沽镇辛庄子村土地复垦对比图

经对比分析辛庄子村2010年10月和2012年9月两期遥感影像数据,有如下结论:土地复垦前该村用地性质为村庄建设用地(主要包括居住用地和工业用地),土地复垦后用地性质转变为耕地；截止2012年9月土地复垦工作基本完成,复垦总面积约521 500 m2；土地复垦后生态系统恢复状况有待进一步监测。

4 结 语

我国正处于工业化快速发展阶段,大规模的生产建设活动挖废、塌陷、压占了大量土地资源,使原本就十分紧张的耕地保护形势更为严峻。因此,为贯彻“十分珍惜和合理利用每寸土地,切实保护耕地”的基本国策,实现社会可持续发展、土地资源可持续利用,加快建设资源节约型社会,土地复垦作为切实有效的耕地保护措施已越来越得到政府和社会的认可与重视[5]。以无人机低空遥感、常规航空摄影及卫星遥感为代表的对地观测技术与基础地理信息系统相结合的技术体系是进行土地资源监管的最高效手段,可以快速、有效地对土地资源开发、利用、复垦情况进行及时、准确地动态监测,具有宏观、快速、准确、直观等特点。同时,运用定量检测和定性分析相结合的手段,可以增强土地资源开发利用监测的科学性和精确性,从而为土地资源的科学管理和合理开发提供依据。

[1] 王峰，吴云东.无人机遥感平台技术研究与应用[J].遥感信息，2010(2)：114～118.

[2] 吴正鹏.无人机载双相机低空遥感系统应用初探[J].城市勘测，2011(1)：76～80.

[3] 谷国涛，吴良才.无人机遥感技术数据特点及其应用[J].科技致富向导，2011(35)：57～58.

[4] 周晓敏，赵力彬，张新利.低空无人机影像处理技术及方法探讨[J].测绘与空间地理信息，2012，35(2)：182～184.

[5] 雷双友，尹向红，李轩宇.无人机遥感技术在城镇土地集约利用监测评价中的应用[J].测绘通报，2011(7)：34～36.

Application of UAV Low-altitude Remote Sensing System in Land Reclamation

Wu Zhengpeng1,Wang Lin1,Xi Ge2
(1.Tianjin Institute of Surveying and Mapping,Tianjin 300381,China；2.National Marine Data Information＆Service,Tianjin 300171,China)

The composition,features and data processing of UAV low-altitude remote sensing system was introduced in brief.On the background of small town construction demonstrative project in Tianjin,UAV low-altitude remote sensing system was recommended while obtain remote sensing image information in order to meet the land reclamation requirements.The specific application was expounded in detail combine with land reclamation for the small town construction demonstrative project in Jinnan District Gegu Town.Prospect its application against the present situation of land resource exploitation,utilization and protection.

UAV；low-altitude remote sensing；land reclamation；aerotriangulation；DEM；DOM

1672-8262(2013)06-82-04

P237

B

2013—01—31

吴正鹏(1981—),男,注册测绘师,高级工程师,主要从事摄影测量与遥感数据处理、应用研究工作。