本篇文章目錄導航：
【題目-引言】土地測繪中無人機技術的運用探究
【第一章】基于無人機的土地調查研究緒論
【第二章】無人機攝影測量系統在土地調查中的優勢比較
【第三章】基于無人機航空攝影的土地調查技術流程
【4.1-4.2】試驗區概況和航空攝影
【4.3-4.6】像片控制測量、正射影像制作及矢量圖采集
【4.7-4.8】調查工作底圖制作和土地權屬調查精度分析
【參考文獻】無人機技術與土地測繪工程的融合研究結論與參考文獻
第 3 章 基于無人機航空攝影的土地調查技術流程
3.1 無人機航空攝影測量原理.
無人機航空攝影測量主要是根據任務需求，采用無人機搭載一定的航測遙感設備，根據事先設計的飛行航線，對測區進行拍攝，獲取高分辨的影像資料，得到人們需要的地面某種信息，并借助數據處理技術（相對應的數據處理軟件），對獲取到的數據進行信息化處理，得到人們需要的某些數據，從而進行數據分析、處理、運用，為后期的數據應用提供重要的基礎數據資料。
3.1.1 無人機航空攝影測量系統構成.
無人機航空攝影測量系統，主要包含硬件系統和軟件系統，無人機是整個硬件系統的重要組成部分之一，機載遙感設備（如高性能數字航攝儀、激光掃描儀、紅外掃描儀等），是獲取地面數據信息不可或缺的監測設備，機載、地面數據的傳輸離不開通訊系統，而航線設計軟件是軟件系統的重要組成部分，直接決定了整個系統的方向和精度，在劃定的任務區范圍內，根據人們需要的數據精度、地面分辨率、地形地貌、攝影測量參數以及結果進行綜合設定，例如，根據作業要求的地面分辨率，重疊度和機載設備參數，計算飛行航高以及飛行所需的曝光點坐標、基線長度、航線間隔等參數，并對計算好的航線進行質量檢查。
完整的無人機航空攝影測量系統主要包括飛行控制系統、地面監控系統、數據傳輸系統、地面保障系統、發射與回收系統五個部分。
1）飛行控制系統.
此系統主要包含飛行平臺、通訊設備、飛行控制系統三個部分。無人機作為飛行平臺，是整個硬件系統的重要組成部分，飛行控制系統借助 GPS 設備進行定位，借助 IMU 系統獲取陀螺儀及加速度等平臺的姿態參數，采用 GPS 與 IMU 結合算法計算無人機的飛行高度、飛行速率、橫滾及俯仰等數據，及時接收并處理地面控制系統發送的信息，機載計算機以中央處理器為核心，依據所選航線，計算偏移規律，控制飛機依據事先設計的航線，定點曝光飛行。
2）地面監控系統.
利用地面監控系統的航線設計軟件，在航空攝影前，做好飛行航線設計，在飛行過程中，指導無人機沿設計的航線自主飛行，同時，在飛行過程中，地面監控系統可實時顯示飛機的飛行速率、飛行高度、飛行姿態、氣象情況等參數，記錄并存儲飛行中的參數與數據。地面站人員可根據實時顯示的飛行參數數據，對無人機的飛行狀態進行實時監控。
3）數據傳輸系統.
本系統主要包含兩部分：地面數據傳輸和空中數據傳輸。地面數據傳輸和空中數據傳輸均包含傳輸天線、數據接口、數字傳輸電臺等；主要是為了相互傳輸飛行控制系統及地面監控中心的指令數據。
4）地面保障系統.
地面保障系統一般包含航空攝影保障設備及運輸保障設備兩部分，航空攝影保障設備指的是保障無人機進行航空攝影作業時所需的儀器設備，一般是戶外設備。
運輸保障設備指的是包裝儀器部件及無人機航空拍攝系統的運輸箱，應為易損配件及重要設備設置專用的運輸箱。
5）發射與回收系統.
本系統主要包含兩部分，即發射與回收。發射部分是為了讓無人機在一定時間內速度增加到起飛速度；回收部分是為了保障無人機的落地安全；發射與回收有兩種方式：滑跑方式與彈射方式�；芊绞揭话阍谂艿郎线M行，要求比較高。在復雜的土地環境中無法進行滑跑時，一般采用迫降與降落傘回收。彈射方式則是一種新興的直線推進技術，多用于短行程發射大載荷，在軍事、民用和工業領域有著重要作用。
3.1.2 無人機航空攝影測量.
人無人機航空攝影測量就是以無人機作為飛行平臺，搭載高性能遙感設備，按照既定的精度要求，事先規劃的飛行航線，對任務區進行航空攝影，獲取任務區的影像數據信息，通過影像和地面所對應的既定關系，采用后期的數據處理軟件對獲取的信息進行數據處理，得到人們所需要的信息數據。
采用無人機遙感平臺進行小范圍、大比例尺航空攝影，在實踐中已經取得顯著的效果和經驗，是國家航空遙感技術的有效補充，以無人機作為搭載平臺的低空航攝技術，為國家經濟社會和文化建設發展提供了強有力的技術服務方式。
隨著我國土地管理法的頒布實施，土地調查作為我國的一項基本國策，土地調查的方法也呈現多樣化，隨著技術的發展，特別是 RS、GPS、GIS 技術、3S 集成技術、計算機網絡、通訊等技術手段的發展，以遙感技術作為土地調查方式，越來越受到人們的歡迎，衛星遙感，航空遙感，無人機遙感技術等，陸續被應用于土地調查中，以無人機遙感平臺為代表的低空無人機航空攝影測量技術在土地調查中的應用越來越普遍，特別是在小范圍、大比例尺、工期緊的土地調查中，無人機航空攝影測量方式以其自身的特殊優勢，搶占市場領先地位。
3.2 無人機攝影測量技術數據獲取.
無人機遙感數據的獲取是試驗項目能否成功的關鍵，無人機的穩定性又決定著無人機的飛行質量和影像質量，對整個項目起著關鍵作用。在項目開始前，要收集測區的相關資料，現場實地踏勘，了解任務區的地形地貌、地質條件、交通條件、水文條件、氣象條件等，收集到的大比例尺地形圖和全球 90 米 DEM 可以作為航攝飛行設計用圖，進行航線設計。然后根據測區的地形條件，圖上尋找合適的起降場地，根據圖上選取的起降場地，實地踏勘，看是否符合無人機的起降要求，同時，由于本實驗項目采取的是 POS 系統輔助航空攝影及后期空三加密，因此，在航攝之前選取一個已知點架設 GPS，該已知點應遠離高壓電塔，通訊塔，高大的樹木等可能會遮擋或干擾 GPS 信號的物體，和無人機上搭載的 GPS 同步觀測 GPS信號，獲取任務區的影像數據和 POS 數據，通過數據處理軟件對 POS 數據進行解算，獲取后期空三加密所需要的影像數據和 POS 數據。
本實驗項目使用的無人機是采用某公司自主研發的固定翼無人機，該無人機采用大載荷的機翼設計，可降低無人機在紊亂氣流飛行中的顛簸，以確保無人機機體不被破壞，減低了無人機正常飛行時的抖動，大大提高了無人機的抗風能力，同時采用零度上反平直機翼設計，減小無人機的上反角可以減小升阻比，增加無人機的有效航程。降低側風時的偏航力矩，減少偏航的發生。同時采用中置油箱的設計，避免因油量減少的同時，也會減輕飛機重量，造成升力加大影響動態重心，將油箱放置在重心略靠后，當油量減少重心微前移產生低頭力矩克服多余平飛升力，飛行穩定性更強，獲取的原始影像比較清晰，在飛行前，參考全球 90mDEM（SRTM）地形數據進行航線設計，使得在航空攝影時無人機能按照既定的設計航線飛行，無人機獲取數據流程如圖 3 所示。
3.3 無人機攝影測量技術中的數據處理.
在數字正射影像上，疊加地塊、水系、道路、居民地等圖層組成的矢量數據、行政界線數據、基本農田數據、地力等級數據等數據進行調查底圖制作，利用數字高程模型數據和空三加密成果對航空攝影原始影像進行影像糾正、鑲嵌、裁剪，制作數字正射影像，航空攝影完成后，主要得到原始照片數據，相機 POS 數據，展點數據等，要進行后期的無人機數據快速處理，還需要加入外業實測的像控點數據，和 POS 數據一起進行后期空三加密，DEM 生成和 DOM 制作，而無人機遙感平臺搭載的數碼航攝儀像幅較小，數量多，影像畸變差較大等，因此在進行后期空三加密作業前，首先應對影像作去畸變處理，并采用 POS 數據輔助空中三角測量作業，減少外業像控點的數量，作業效率較高。
在本次的任務區實驗中，選用的是 Inpho 軟件進行數據后期處理，Inpho 軟件是歐洲比較出名的航空攝影測量與遙感處理軟件，我們采用 Inpho 軟件其中的空三加密模塊 Match AT，可以自動匹配連接點，其精度高、效率高，即使在沙漠、森林等紋理比較弱的區域也可以進行很好的匹配，大大減少了人工的干預度，提高了作業效率，采用 Inpho 軟件進行數字正射影像的制作流程圖如圖 4 所示。
3.4 空中三角測量.
3.4.1 空三加密基本流程.
空中三角測量也稱為空三加密，它是根據航空攝影照片與所攝地表目標之間的空間幾何關系，結合外業少量的像片控制點，在室內加密出更多控制點的方法，在航空攝影中，同一條航線及相鄰航線的航攝照片均設計有一定的重疊，并且無航攝漏洞，在航攝照片 5 度或 6 度重疊區域，參照規范要求的布點方案選取像片控制點，進行外業測量。采用攝影測量的方法，建立同實地相對應的區域網模型，計算加密點的平面坐標和高程坐標。目前主要采用的空中三角測量方法是解析法，下面就簡要介紹幾種常用的空三加密方法，即航帶法空三加密、獨立模型法空三加密、光束法區域網空三加密。
現如今，主流的空中三角測量模式按照其自動化程度被分為兩種，即全自動模式、半自動模式。他們的優缺點都很明顯: 全自動模式是計算機通過影像自動匹配技術自動匹配全部的標準點，此種方式對影像質量要求很嚴格，此外，對地表物體及測量區域內的地形類別等也有要求。半自動模式與全自動化模式相比，需要采用人工在屏幕上測量、選取標準點，然后通過影像匹配獲得很大的同名點，再將這些同名點與標準點一起平差運算。此種模式的特點是效率高，在航線間與模型間會產生很多的連接點，因而平差網很穩定，精度也很高，非常適用于復雜測量區域。
市場上自動化程度不同的測量軟件有很多，比如 Helava 系統、Inpho 系統（德）等，我國主要是 VirtuoZo（適普企業）、JX-4 等。雖然這些系統都有其獨特長處及特點，但他們理論核心流程都是：自動匹配連接點（人工選點）、平差計算、加密點的影像外方位元素和地面坐標。其中像點坐標都是采用多影像匹配及識別應用模式技術。
3.4.2 POS 輔助空中三角測量.
在項目實驗中，我們采用 POS 系統輔助航空攝影，利用解算后的 POS 數據輔助后期空三加密進行作業，經過 POS 數據解算，將解算后的 POS 數據和外業像片控制點數據共同參與到空三加密，統一進行區域網平差，這種方法可以大大減少甚至無需外業像控點，就可以進行后期的空三加密，進而就可以提高野外作業的工作效率。
空中三角測量的數學基礎為經過變換后的共線方程，如公式（1）：
3.5 無人機新技術應用.
無人機遙感數據的獲取是試驗項目能否成功的關鍵，無人機的穩定性又決定著無人機的飛行質量和影像質量，對整個項目起著關鍵作用。
在無人機上加載 POS 系統，進行航空攝影，GPS 差分定位技術獲取曝光瞬間航攝儀的位置數據，慣性測量裝置（IMU）可以獲取曝光瞬間航攝儀的姿態數據，通過后期專用數據處理軟件對 POS 數據進行數據處理，可直接獲取每一張像片的6 個高精度外方位元素，和少量的地面控制點數據一起，共同參與到后期的空三加密計算中，采用這種方法，可以大大減少地面像控點的數量，減少外業人員的勞動量。
3.5.1 POS 輔助航空攝影.
POS 輔助航空攝影測量的方式主要有直接定向法和輔助定向法。
1）直接定向法.
直接定向法是指利用飛機上自帶的慣性測量裝置（IMU）和高精度差分定位裝置（DGPS），在航空攝影的同時，除獲取航攝影像外，同時獲取影像的姿態數據和位置數據，通過對 POS 數據處理和事后 GPS 差分定位，獲取航攝曝光瞬間航攝儀的精確位置和姿態，通過對系統誤差進行檢校和糾正，可以直接獲得每張影像的6 個高精度外方位元素，無需進行空三加密即可直接進行測圖，這種航空攝影測量的成圖方法無需引入地面控制點進行糾正，并且無需空中三角測量作業工序。
2）輔助定向法.
相比較于直接定向法，輔助定向法在空三加密過程中，加入了少量的地面控制點進行聯合平差，將在航空攝影過程中獲取的 POS 數據進行解算，得到每張像片的外方位元素，將 POS 解算數據和少量的地面控制點一起，共同參與區域網聯合平差，獲得每一張像片更高精度的像片外方位元素，利用高精度的像片外方位元素值進行定向測圖的航空攝影測量方法。
POS 系統也稱為定位定姿系統，它是由獲取高精度位置信息的 DGPS 系統和獲取高精度姿態信息的 IMU 系統組成，飛機上自帶的 GPS 設備和架設在地面已知點上的 GPS 設備同步、連續地觀測 GPS 衛星信號，通過差分 GPS 技術獲取精密位置信息數據，利用慣性測量設備 IMU 獲取曝光瞬間航攝儀的姿態信息，經過對POS 數據進行處理，能夠準確獲得航攝儀曝光瞬間每一張影像的高精度外方位元素，從而實現少量地面控制點或無地面像控點甚至無需空中三角測量這道作業工序，就可以實現定向測圖的航空攝影測量理論、技術和方法，大大縮短了航攝成圖周期，提高了作業效率，降低了生產成本。
本實驗項目采用輔助定向法進行，在已知點上布設 GPS，和飛機上的 GPS 同步接收 GPS 信號，通過對獲取的 POS 數據進行解算，將解算后的 POS 數據和少量的地面像控點數據一起，共同參與到后期的空三區域網平差，獲取高精度的影像外方位元素，進行后期數字正射影像制作、地塊采集，調查底圖制作，外業權屬調繪。
3.5.2 免地面像控點.
無人機在飛行中可能存在姿態穩定性較差、影像質量較差等問題，此時需布設足夠數量、結構穩定的地面像控點，才能保證測區成果的作業精度。但是在河湖環境下進行測量時，如果存在帶狀河道、植被茂密及裸地面少等問題，就會使得實際作業無法布設結構和數量均達標的像控點，導致后期成果精度無法達到相應的測繪精度，在一定程度上限制了無人機遙感技術在河湖遙感監測中的應用。近年來，隨著 GPS 技術的快速發展，GPS 測量精度越來越高，設備重量越來越輕，體積也越來越小，逐步廣泛應用到無人機上。結合 GPS 輔助空中三角測量技術，可有效地減少像控點的數量甚至完全不使用像控點，大大提高無人機作業效率。
免像控無人機航攝系統結合精密測時技術和載波相位差分技術（RTK），可獲取高密度、高精度的航空制圖像控點，通過 RTK 來實時獲取每一張像片拍攝的準確位置，取代傳統的地面控制點，這種精密定位技術使得像片位置信息實現與地面控制點相同的功能。通過無人機獲取的影像，經過特定的影像處理軟件導出DOM、DEM、點云，無需空中三角測量加密等流程。由此可達到無需布設地面像控點的目標，降低了危險區域外業布設像控點的難度與危險度，大大降低了外業成本。
3.6 地塊信息采集.
按照農業部《農村土地承包經營權調查規程 NY/T 2537-2014》的技術要求，地塊數據信息的采集主要有三種方法，圖解法、航測法、實測法，也可以是任意兩種或三種的組合法。
在農村土地承包經營權確權中，地塊信息數據是最主要的數據之一，相比較而言，實測法就是由村民雙方實地指界，現場采用 RTK 儀器設備實地測量地塊界址點的方法，精度最高，但是耗費大量的人力、物力、財力，和更多的時間，相應的延長了項目工期，同時作業成本較高。航測法就是在全數字攝影測量工作站上，立體采集地塊邊界、溝渠、道路、居民地邊界等等，其精度相對較高，但是卻可以節省很多勞動力，效率高。圖解法精度最低，同時也與調查用工作底圖的質量、清晰度有關，首先由內業判讀影像，采集地塊邊界，再進行野外檢測，當內業解譯界址點和實測界址點的誤差在規范允許的范圍內時，采取解譯界址點坐標，如圖解法達不到精度要求，或實地對地塊邊界有爭議的，利用全站儀、GPS-RTK 等儀器設備，根據村民實地指界，現場采集界址點坐標，這也是圖解法和實測法相結合的技術方案。
在本實驗項目中，在時間和精度要求都挺高的情況下，經過研究，采用航測法和實測法相結合的技術方案來進行，這樣既可以保證地塊邊界的正確性，又能保證在規定的時間內完成任務，首先在全數字攝影測量系統立體采集地塊邊界，再實地檢核界址點坐標，當立體采集界址點坐標和實測界址點坐標誤差在規范允許的范圍內時，采取解譯界址點坐標；當實地和解譯界址點坐標有爭議或航測法達不到要求的，利用 GPS-RTK、全站儀等儀器設備,實地根據居民指界采集界址點坐標，這種方式與圖解法和實測法相結合的方式雷同，但是，相對圖解法和實測法相結合的方法，精度較高。