陈竹安,施陈敬,冯祥瑞，黎宏涛

(1. 东华理工大学测绘工程学院，江西 南昌 330013； 2. 江西省数字国土重点实验室，江西 南昌 330013)

村庄是人类历史发展进程中的一种聚落形式，是农村居民生活和生产的聚居点。在村庄建设过程中，规划是做好村庄各项建设工作的基础，是村庄各项建设管理工作的基本依据。规划测量在秀美乡村建设中的前期工作中是必不可少的一部分。但是根据我国农村实际情况，大部分村庄由于缺乏合理的规划，存在农民建房选址散乱，村内道路狭窄曲折，地物复杂多样及通视条件差等问题，且我国边远地区农村地形起伏大，给测量工作带来了很大的困难，同时更加不利于传统测绘工具进行秀美乡村建设规划的控制测量工作[1- 2]。

目前，秀美乡村建设工作已经在全国范围内展开，针对上述测量问题，传统测量技术如全站仪、RTK因效率问题已经无法满足其需求，而如何进行高效率的规划测量工作则成为本研究的重点。近些年来，无人机凭借其高精度、灵活便捷、时效性强等优势，迅速成为传统测绘手段的低成本替代品[3]。无人机低空摄影测量系统以无人驾驶飞行器为作业平台，以高分辨率数字遥感仪器为作业设备，以获取低空高分辨率遥感影像数据为作业目标，对预测量区域进行有规划的重叠式拍摄作业[4]。然后对无人机拍摄的数字化影像进行自动或半自动重叠匹配以及空中三角测量等处理，利用重叠像片中具有同名特征的冗余观测值进行剔除，最终提取地物参数制作正射影像、建立数字高程模型，主要应用于地理基础数据的快速获取以及处理[5]。无人机低空摄影测量技术在小区域基础地形测绘中不仅满足比例尺为1∶1000的精度要求，同时如何自动提取高分辨率无人机正射图中的基础地物信息也是当前研究热点，而且无人机具有机动性强、高效率、经济等优点[6- 10]。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究选取江西省鄱阳县饶丰镇乔一村进行航测规划，乔一村位于江西省鄱阳县东南部，饶丰镇西南部，毗邻乐安江，紧挨乔木湾大桥，距离鄱阳县城20 km，地理位置优越，村庄面积为283 102 m2，村内主要经济来源以务农为主。

1.2 数据获取及处理

1.2.1 地面像控点及检验点测量

在无人机低空摄影测量技术中，控制点测量是其重要组成部分。研究选择GPS对研究区控制点进行实地测量，为了保证研究的精度，参照国家标准《1∶500、1∶1000、1∶2000地形图航空摄影测量外业规范》(GB/7391—2008)，控制点位置均匀分布在研究区域内，外业控制点的布点方案采用区域网布点方法[11- 12]。本研究布设KZ1、KZ2、KZ3、KZ4、KZ5共5个地面控制点作为像控点，作为无人机影像处理时的矫正点，同时又布设JY1、JY2、JY3、JY4、JY5、JY6共6个点作为检验点，对无人机影像处理成果进行精度验证。无人机航拍控制点及检验点分布位置如图1所示，地面控制点测量采用高斯- 克吕格投影，2000国家大地坐标系，像控点坐标见表1，检验点坐标见表2。

像控点编号XYZKZ13200510.312476659.46313.612KZ23200651.830476549.86713.028KZ33200614.362476431.25813.588KZ43200747.616476160.81212.759KZ53200565.153476617.09211.81

表2 实测检验点坐标及模型检验点坐标 m

1.2.2 无人机航拍影像图获取

本研究选择大疆Phantom 4 PRO无人机，利用无人机低空摄影技术对乔一村进行摄影测量。该无人机配备有20 mm(35 mm格式等效)低畸变广角相机和高精度防抖云台以及2000万像素图像传感器，可拍摄的照片格式为JPEG、RAW及JPEG+RAW格式；最大飞行速度为20 m/s，续航时间约为30 min。本次摄影测量获取无人机遥感影像95张，其航向重叠率为80%，旁向重叠率为70%，无人机作业时，天气情况良好，微风。

1.2.3 无人机影像数据处理

Pix4DMapper是一款专业精度的无人机数据和航空影像处理软件，在极少人工干预的情况下可将数千张影像快速、准确地完成遥感影像成果制作，同时生成精准的数据成果精度报告。在Pix4DMapper软件中导入JPG格式的航片及像控点坐标，该软件可自动识别航片中的数据信息，并读取与航片数据文件名相对应的POS数据文本文件。在设置像片的匹配方式、特征点的提取参数、生成产品的规格、等高线的参数后，Pix4DMapper软件会自动对无人机遥感影像进行处理，生成测区的正射影像图(DOM)、点云数据、数字表面模型(DSM)及数字地面模型DTM数据等成果。无人机影像处理的具体流程如图2所示。

2 结果与分析

2.1 无人机影像拼接成果

将在Pix4DMapper软件中自动生成的DOM数据添加至ArcGIS中，新建shape file文件，勾绘研究区边界，并在此基础上对成果数据进行裁剪，保存为JPG格式输出，乔一村正射影像图如图3所示。

2.2 精度检验

遥感影像成果精度检验是无人机低空摄影技术应用必不可少的一个环节，文献[13—15]的研究表明，不加控制点时成图误差极大，高程误差可达米级，加入像控点坐标之后进行处理，成果误差可稳定在分米甚至厘米级。为对无人机影像成果进行精度检验，利用RTK在地表露出良好，具有明显标识特征区域测出的6个控制点坐标作为检验点进行精度验证，RTK测出的坐标结果均为固定解，误差可保证在5 cm以下。

以ArcGIS软件为平台，将6个检验点在生成的正射图成果中刺出，在DOM中提取相对应的坐标值，然后在数字表面模型(DSM)上提取相对应点的高程，实测检验点与提取的模型检验点见表2。将RTK实地测出的成果作为真值，提取的坐标值及高程作为测量值，将测量值与真值进行比较，并分别计算出X、Y和Z这3个方向的均方根差(RMSE)，其计算公式为

(1)

式中，Ti表示在正射影像图中提取的测量值；ti表示GPS的实测值；n表示进行误差计算的点数。

经过数据分析得，平面X方向最大误差为0.150 m，最小误差为0.032 m，均方根差为0.009 m；在平面Y方向最大误差为0.135 m，最小误差为0.035 m，均方根差为0.007 m；高程最大误差为0.141 m，最小误差为0.048 m，均方根差为0.008 m；满足数字航空测量规范1∶1000比例尺和基础地理信息成果1∶2000数字化成果的限差要求。综上所述，无人机航空测量数据精度满足新农村规划测量的需要，而且拼接后的正射影像能够较好地显示水系、道路、居民地、管线、植被、地貌土质等基础地物信息，对于后期的秀美乡村规划建设都具有良好的辅助作用。

2.3 正射图矢量化

数字线划地图(DLG)是同现有线划保持基本一致的各地图要素的矢量数据集，是秀美乡村建设规划的基础资料之一。经过精度检验，证明无人机影像成果完全满足地形图测量的精度要求，因此可将在点云数据上采集的高程值及利用RTK实测的重要地物高程值展开到需绘制的数字线划图上去。将Pix4D Mapper处理生成的乔一村正射影像加载到绘图软件中，利用软件的测图工具及实地调查，并辅以正射图显示的地理信息绘制乔一村地理信息现状图，借用相机等工具对规划区进行摄影，并标注在相对应的位置，以方便为后期规划工作提供参考，乔一村现状图如图4所示。

3 成果应用

3.1 乔一村现存的问题

从无人机正射图及实地调查可知，乔一村以3层民居住宅为主，由于该村庄前期建设缺少规划，村庄建设布局散乱，村内存在部分空置地，导致居住用地的浪费；村庄内部存在“脏、乱、差”等问题，例如村内无垃圾点，导致垃圾乱倒、污水乱排且无人清理；村庄内的基础设施和服务设施等配套建设滞后，例如村内无路灯，缺少村民娱乐健身场所。

3.2 乔一村具体规划设计

根据《中华人民共和国城乡规划法》，基于CAD软件，以“整洁美丽、和谐宜居”为目标，以该村庄实际情况为基础，在尊重村民意愿，体现该村庄特色的前提下，对村庄进行规划设计[15]。主要建设项目包括：村内主要道路硬化、水塘治理、村庄绿化、路灯安装、垃圾点建设、排水沟整治、戏台及文化活动中心修建等，乔一村具体规划平面图如图5所示。

在平面规划图的基础上，利用SketchUp及PhotoShop等相关规划软件制作出各个规划区的模型及村庄整体规划鸟瞰图，可为后期村庄建设施工提供数据支持，同时可用于村庄建设完成后的验收工作。以村内排水沟规划及村内空地为例进行模型制作并进行对比，通过以下研究成果可以直观地看出其规划效果。乔一村整体规划鸟瞰图如图6所示，乔一村排水沟现状图及排水沟规划透视图分别如图7、图8所示。

本研究基于无人机正射图进行秀美乡村规划建设，与传统测量方法相比，无人机正射图提供的成果更加全面，对地物的采集更加细致，同时可在正射图及平面规划图的基础上建立实景三维模型。基于实景三维进行规划更加直观和真实；直接在三维模型上进行规划设计，减少外业踏勘工作量，改善作业环境；实景三维模型能够有效弥补平面规划图纸在空间结构考虑上的不足，使空间问题在设计阶段就凸现出来，这也在最大限度上保证了规划设计的成功；实景三维模型和传统平面规划图相比，实景三维规划图更能为大部分人了解，能够直观有效地在专业人士和非专业人士之间架起沟通的桥梁，更加方便各职能部门收录群众意见。

4 结 论

本研究利用大疆Phantom 4 Pro无人机获取乔一村的高分辨率低空遥感影像图，以Pix4DMapper软件为平台，获取测绘区的高精度正射图，并在此基础上对乔一村进行规划设计。研究结果表明：无人机低空摄影测量方法具有精度高、效率高且成本低等优点，针对地形复杂的山村，可大大减少人力、物力消耗，节约时间成本，并且能较好地显示规划区基础地物信息，方便于制作规划区后期效果图，为规划区后期建设提供模板。同时基于正射图及村庄鸟瞰图，让村民对村庄认识更加直观，更加方便收录村民对村庄的建设意见。目前我国秀美乡村建设工作已全面铺开，此方法可以大规模推广，以推动我国农村现代化建设，同时也可以定期采集规划区数据，对已建设完成的村庄进行竣工验收及管理。因为无人机常用于低空摄影测量，受到云团影响较小，但受天气因素影响较大，测量时应密切注意天气状况。目前无人机管控工作不够完善，有关部门应加强管理，以实现无人机低空摄影测量技术在农村现代化建设中的应用推广。