基于无人机倾斜摄影测量的DSM生成及变化信息提取研究

刘婵娟

摘  要：传统的土地利用动态调查方法费时费力，难以应对当下城市发展过程中遇到的各种土地规划与利用方面的问题。随着低空摄影测量技术的不断进步，以无人机为平台的遥感数据采集和处理系统正逐渐受到遥感与测绘行业的青睐。本文以无人机倾斜摄影测量技术为数据获取手段，研究利用DSM（Digital Surface Model，DSM）数据获取城市土地利用变化信息，并进一步应用到城市土地利用动态监管工作中的方法，为解决城市建设过程中面临的土地资源利用监管方面的问题提供了较好的解决方案。

关键词：倾斜摄影测量  DSM  影像匹配  信息提取

中图分类号：P231                              文献标识码：A文章编号：1674-098X（2021）04（b）-0149-03

Research on DSM Generation and Change Information Extraction Based on UAV Tilt Photogrammetry

LIU Chanjuan

（Guizhou Qianmei Institute of Surveying and Mapping Engineering， Guiyang， Guizhou Province，

550000 China）

Abstract： The traditional land use dynamic survey method is time-consuming and laborious， and it is difficult to deal with various land planning and utilization problems in the process of urban development. With the continuous progress of low altitude photogrammetry technology， remote sensing data acquisition and processing system based on UAV is gradually favored by the remote sensing and mapping industry. In this paper， UAV tilt photogrammetry technology as a means of data acquisition， the use of DSM （digital surface model， DSM） data to obtain urban land use change information， and further applied to the dynamic monitoring of urban land use methods， to solve the problems in the process of urban construction land use supervision provides a better solution.

Key Words： Tilt photogrammetry; DSM; Image matching; Information extraction

無人机倾斜摄影测量将无人驾驶飞行技术与低空摄影测量技术有机结合起来，并借助先进的通讯与定位技术，能够轻松实现低空对地观测，快速、高效获取高精度的遥感数据，解决了传统的遥感数据获取手段无法保证数据现势性的难题[1]。

利用倾斜影像数据制作的DSM数据，包含了地表之上完整的地物信息，经过一定的数据处理之后，可以从中提取并分析城市土地利用变化信息，数据清晰、直观，对于动态监管的实施具有至关重要的作用。

1  数据源获取

无人机—— 北京数维翔图 DM-610G 六旋翼电动无人机，翼展2.25m，有效荷载5kg，续航时间约3h。倾斜相机——红鹏AP5600微型倾斜相机。采用5镜头多视角数码相机，镜头焦距20mm，侧视相机倾角45°。本实验选取贵阳市部分城区作为数据采集与研究的对象，数据采集分两次进行，在2018年10月和2019年9月分别对研究区进行了数据采集工作，共采集到有效相片数据2000余张。

2  DSM生成

利用倾斜影像生成DSM的流程如图1所示。

2.1 倾斜影像预处理

影像预处理包括影像去噪、增强处理和相机畸变纠正。对航片进行去噪处理，能够有效减弱噪声对航片匹配过程的干扰，提高影像的匹配精度，是保证数据分析的准确度和变化信息提取的置信度的重要环节[2]。增强处理通过减弱影像中较大的反差，增强影像中较小的反差，来实现对影像的增强处理。相机畸变纠正模型是基于数学模型对影像中的畸变进行校正。

2.2 影像匹配

本文采用 SIFT 算法对倾斜影像进行匹配，SIFT 算法将图像被检测的特征点用特征向量描述出来，因此，经过 SIFT 匹配算法处理之后的影像会被表示为特征向量集。SIFT 是一种比较稳定的局部特征匹配算法，适用于海量图像的快速匹配，在无人机低空摄影测量等领域应用广泛[3]。

2.3 DSM的生成与精度评价

为最大限度地提高数据的精度，本文采取整体平差策略进行光束法区域网平差，整体平差在各个视角上同时进行加密点和外方位元素的答解，有效提高了平差效率，为DSM的生成提供了精度较高的外方位元素。

经过特征匹配，得到各视影像重叠区域的同名特征点;经过区域网平差处理，得到了较高精度的外方位元素。由于分步式匹配会在各个方向上分别先进行一次 DSM的生成，基于此，通过对各视角生成的 DSM 进行融合，生成最终的DSM影像[4]。

DSM的精度直接影响变化信息提取的精度：在水平方向上，如果两个DSM周期中存在较大误差，则将导致两个数据周期无法精确匹配坐标点。在高程值方面，如果高程精度不够，则会导致变化信息的错误删除或遗漏。这两个精度问题都会导致不正确的高度差分析结果，从而大大降低了变化提取结果的可信度[5]。生成DSM后，在研究区域中选择一个区域，使用RTK收集多个现场检查点以分析和评估图像的精度。

经过比较分析，第一阶段每个控制点的最大平面误差为0.092m，最大高程误差为0.735m。第二阶段每个控制点的最大平面误差为0.087m，最大高程误差为0.365m。另外，其他控制点误差较小，相对稳定，数据精度可以满足变化信息提取的要求。

3  基于DSM的变化信息提取

3.1 提取方法介绍

叠加已处理好的两期DSM数据，为提高提取结果的准确性，应首先对两期DSM进行一次配准，保证两期DSM在水平方向上无偏差。基于两期DSM提取变化信息的过程，实际上是对同一位置不同时期数据的高程值进行比较的过程。由于DSM数据包含有采集对象的真实高度信息，因此可利用该信息作为分析对象进行变化提取[6]。

（1）利用DSM数据保留了地物真实的高度信息这一特点，在已知的坐标点P（x，y）上，分别读取两期DSM数据中对应位置的高程值h1、h2。

（2）由于数据精度的限制，不能保证在如此确切的坐标位置上两期DSM表示的是同一个精确的位置，为保证提取结果的准确性，实验过程对该坐标点及其周围八个方向上的坐标点都进行高程值的读取，然后将9个高程值求取平均值，并将该平均值作为中心点的实际高程值H。这样，得到两个新的高程值：H1、H2。

（3）城市土地利用的变化，最直接的表现主要是建筑的消长，新增、拆迁活动都是建筑物的变化，因此，在对高差进行分析的时候，可以选取单层房屋的高度α作为高差阈值，即高差在α以下，视为实地没有变化，反之视为产生了变化，以此来对建筑区的变化信息进行提取。

3.2 剔除冗余变化点

在提取的变化点数据中存在某些冗余点。由于搜索网格的限制，将存在一个变化，其中包含多个相邻提取点的情况。因此，还必须从提取结果中删除多余的点。删除相邻的变化点的思路是：以当前点为圆心，并删除指定半径内的变化点。消除冗余点有助于简化更改信息数据。在分析变更信息数据的过程中，可以减少对相同变更区域的重复读取，而不会减少变更区域的数量，有效地提高了工作效率。

3.3 提取结果分析

图2是变化提取结果对比图，从图中可以看出，提取结果所在的区域实地建筑均已发生不同程度的变化，有些是在建工程不断地更新，有些是新建或拆迁工程，高程上均发生了变化，因此会被检测提取出来。

由于受数据精度和提取精度等多方面的影响，变化提取结果并非都是正确的，還存在部分误提取和漏提取的情况。

本次实验共提取到变化信息165处，正确提取出 137 处变化信息，其余28处为误提取，经过人工排查之后统计，共有11处实地发生变化的区域没有准确提取出来，提取准确度约为 77.8%。

4  实地调查与监管

根据叠加分析的结果，保留的土地用途变更信息数据是没有所有权记录或未经法律批准的土地用途变更信息。这部分数据经过了详细验证，并分析了相关的权属变更调查数据和文档，总共删除了17个没有土地用途变更的记录的变更点。对检查结果进行分类和下达，并组织有关技术人员和调查人员到现场核实，对不合理的土地使用单位和个人进行调查，例如非法占用土地，违法建设。

经过现场调查，发现有2个建筑工地的相关手续不完备，其中一个是工厂 ，非法拆迁和非法占用耕地的程序，另外一个是不完整的或不正确的注册信息。调查结束后，记录或修改未记录或记录不正确的土地使用信息，并同时更新本地数据库;形成发现有问题的土地使用的材料并及时报告。

5  结语

基于倾斜摄影测量的土地利用变化动态监测过程相对科学，节省了人力和时间，提高了工作效率，监测的结果能够满足指导城市土地合理利用的需要，有助于指导城市规划与设计，促进城市的健康发展，对于实现城市土地资源的可持续利用意义重大。

参考文献

[1] 刘敏，张启超，赵彬，等.基于低空无人机倾斜摄影测量在农村房屋不动产登记权籍调查中的应用[J].测绘与空间地理信息，2020，43（1）：181-183.

[2] 许承权，黄小琴，施政.消费级无人机倾斜摄影测量1∶500测图方法及精度研究[J].测绘地理信息，2020，45（1）：117-120.

[3] 杜芙蓉.基于无人机倾斜摄影测量的违章建筑探测技术研究[D].西安：西安科技大学，2020.

[4] 付娆.倾斜摄影测量在城市规划中的应用[J].国土资源，2019（12）：42-43.

[5] 肖登枝.无人机倾斜摄影测量三维建模及应用[J].城市勘测，2019（5）：81-83，87.

[6] 雍昭君.无人机倾斜摄影测量三维建模精度多层次模糊综合评价研究[D].武汉：华中科技大学，2019.