摘 要
土地调查是国家为全面摸清我国土地使用等情况而进行的一项基础性工作.掌握真实的土地信息数据,是进行土地评价、土地管理的基础,目的是为国家决策提供重要的基础地理信息数据.第二次全国土地调查的全面开展以及后续的三调,实现了土地基础地理信息为社会提供大众化服务.
随着无人机航测数据获取及后处理技术的发展.土地调查方法也有新的变化,结合当下正在开展的农村土地承包经营权确权登记调查项目,以"安徽省某试点镇项目"为依托,结合项目特点,提出了无人机航测遥感技术在农村土地承包经营权确权登记发证项目的技术路线,通过不同方法的比较,得出在作业效率、成果精度等方面结论.主要研究思路及成果如下:
1)阐述了土地调查的相关内容,论述了本课题的研究背景及意义,通过了解国内外的研究现状,为以后的技术研究奠定基础.
2)阐述了无人机航测遥感技术应用在土地调查中的优势.
3)采用无人机航测遥感技术,进行数据的获取及数据处理方法包括:无人机航测遥感技术原理以及优势;原始影像数据的获取及像控数据处理技术方法,以及将无人机航测遥感技术应用到农村土地承包经营权确权登记发证项目中的作业流程以及对所采取的关键技术进行详细分析.
4)以安徽某试点镇为例,采用无人机进行航空摄影,Inpho 软件进行后期空三加密及数字正射影像制作,航天远景软件进行地块边界采集,制作调查用工作底图,实地对承包地块进行权属调查,对后期数据进行编辑整理,并对最终成果进行实地检验,汇总统计分析,从实际作业验证了无人机应用于农村土地承包经营权技术路线的可行性,经过对调查底图影像、承包地块的界址点点位精度进行误差统计分析,采用该方法,获取的地块点位精度远优于土地承包经营权调查规程中调查工作底图的精度要求.
关键词:无人机,土地调查,影像处理,承包经营权,确权
Abstract
Land survey is a basic work that the state has carried out to fully understand thesituation of land use in China. The mastery of real land information data is the basis forland evaluation and land management. The purpose is to provide important basicgeographic information data for national decision-making. The launch of the second andthird national land survey has provided popular services for the society with basicgeographical information of land.
With the development of UAV aerial survey data acquisition and post-processingtechnology, the land survey method has also undergone new changes. This based on theongoing survey project, which is about right registration of rural land contractedmanagement rights. It is Supported by "the project on a certain pilot town in Anhuiprovince", combined with the characteristics of the project, has provided the technicalroute of using UAV aerial survey sensing technology on registration and certification ofrural land contractual management rights. The conclusion on efficiency and precision hasbeen reached through the comparison of different methods. The research ideas andachievements of this paper are as follows:
1) Explained the relevant contents of the land survey, discussed the researchbackground and significance of this topic, and laid a foundation for future technologicalresearch by understanding the research status at home and abroad.
2) Explained the advantages of UAV aerial survey and remote sensing technology inland survey.
3) The methods on acquisition and processing of data through UAV aerial surveyingand remote sensing technology include: principle and advantages of UAV aerialsurveying and remote sensing technology; acquisition of original image data andtechnology methods of photo-control data processing; work flow of using UAV aerialsurvey sensing technology on registration and certification of rural land contractualmanagement rights, and the detailed analysis on the key technologies which is adopted.
4) Taking the pilot town in Anhui Province as an example, UAV were used foraerial photography, Inpho software was used for late period of aerial triangulationencryption and production of digital orthophotography, and space vision software wasused to collect the boundary of plots, and production of base maps were used for survey.
The contracted land plots were subject to a survey of ownership, and the later data wereedited, and the final results were field-tested, and statistical analysis was performed. Thefeasibility of technical route on applying the UAV to rural land contractual managementright has been verified. The error statistic analysis has been processed on working mapimage and positional accuracy of boundary point of contracted land. The accuracy ofobtained plot point we have acquired is much better than the requirement of the base mapin Investigation procedures of the land contractual management right.
Keywords: UAV, Land survey, Image processing, Contract management right, authenticright
目 次
引 言 ....................................................................................................................... 1
第 1 章 绪论 ................................................................................................................. 2
1.1 研究背景 ......................................................................................................... 2
1.2 研究意义 ......................................................................................................... 3
1.3 国内外研究现状 ............................................................................................. 3
1.3.1 国外研究现状 ....................................................................................... 3
1.3.2 国内研究现状 ....................................................................................... 4
1.4 论文主要内容及关键问题 ............................................................................. 6
1.4.1 论文研究内容 ....................................................................................... 6
1.4.2 关键问题 ............................................................................................... 7
1.4.3 技术流程 ............................................................................................... 7
第 2 章 无人机摄影测量系统在土地调查中的优势比较 ....................................... 10
2.1 土地利用现状调查 ....................................................................................... 10
2.1.1 调查种类 .............................................................................................. 10
2.1.2 实地核实测量 ..................................................................................... 11
2.2 土地权属调查和条件调查 ........................................................................... 11
2.3 土地调查方法 ................................................................................................ 12
2.3.1 常规土地调查方法 .............................................................................. 12
2.3.2 航空摄影测量方法 .............................................................................. 13
2.3.3 无人机摄影测量方法 .......................................................................... 14
2.3.4 三种方法比较 ...................................................................................... 14
第 3 章 基于无人机航空摄影的土地调查技术流程 ............................................... 16
3.1 无人机航空摄影测量原理 ........................................................................... 16
3.1.1 无人机航空摄影测量系统构成 ......................................................... 16
3.1.2 无人机航空摄影测量 ......................................................................... 18
3.2 无人机摄影测量技术数据获取 ................................................................... 18
3.3 无人机摄影测量技术中的数据处理 ........................................................... 19
3.4 空中三角测量 ............................................................................................... 20
3.4.1 空三加密基本流程 ............................................................................. 20
3.4.2 POS 辅助空中三角测量 ...................................................................... 22
3.5 无人机新技术应用 ....................................................................................... 22
3.5.1 POS 辅助航空摄影 .............................................................................. 23
3.5.2 免地面像控点 ..................................................................................... 24
3.6 地块信息采集 ............................................................................................... 24
3.7 基于无人机航空摄影的土地调查 ............................................................... 25
第 4 章 无人机摄影测量在农村土地承包经营权确权中的应用 ........................... 27
4.1 试验区概况及作业流程 ............................................................................... 27
4.2 航空摄影 ....................................................................................................... 28
4.2.1 航摄飞机 ............................................................................................. 28
4.2.2 航摄仪 ................................................................................................. 30
4.2.3 航线设计 ............................................................................................. 30
4.2.4 航空摄影实施 ..................................................................................... 31
4.3 像片控制测量 ............................................................................................... 32
4.3.1 像片控制点布设 ................................................................................. 32
4.3.2 像片控制点及检查点的施测 ............................................................. 33
4.4 空三加密 ....................................................................................................... 34
4.5 正射影像制作 ............................................................................................... 36
4.6 矢量图采集 ................................................................................................... 37
4.6.1 田块信息数据 ..................................................................................... 38
4.6.2 沟渠 ..................................................................................................... 39
4.6.3 居民地 ................................................................................................. 41
4.6.4 道路 ..................................................................................................... 41
4.7 调查工作底图制作 ....................................................................................... 42
4.8 土地权属调查精度分析 ............................................................................... 44
结 论 ......................................................................................................................... 49
参考文献 ..................................................................................................................... 51
致 谢 ......................................................................................................................... 54
导师简介 ..................................................................................................................... 55
作者简介 ..................................................................................................................... 56
学位论文数据集 ......................................................................................................... 57
引 言
在现代社会中,人口、环境、粮食以及土地资源之间存在很大的矛盾,特别是对土地资源的利用,对社会影响最大,人类的生存环境、粮食供给平衡状况以及经济社会的可持续发展与土地利用现状息息相关.世界上每一个国家都非常重视国家土地的利用现状.我国属于农业大国,土地利用种类多种多样,不同区域内的土地利用状况差异显着.资源利用现状、经济的增长发展以及土地的利用开发情况之间的影响越来越明显.所以,土地调查研究工作显得异常重要.
目前关于土地调查方法的研究,主要在于如何快速获取土地利用状况,这是人们研究的主要课题之一.土地利用状况的快速获取离不开调查底图的制作,而如何快速的获取调查底图?目前,主要是利用数字正射影像来制作调查底图.数字正射影像的获取是土地调查开展的前提和基础,而获取影像图的途径主要有高分辨率遥感卫星、有人机航空摄影、无人机航空摄影.而无人机航空摄影获取遥感影像,正以其独特的优势在土地调查中的应用越来越广泛,无人机飞行高度低,获取的影像分辨率较高,起降方便,不需要特殊的专用跑道,受天气环境和地质环境条件影响较小,比较灵活,短时间内可以快速获取遥感影像.在建设用地使用权和农村宅基地使用权确权中,调查底图一般采用 1:500 大比例尺地形图,因此常采用无人机快速获取遥感影像,通过后期数据处理获取满足精度要求的数字线划图,可大大提高作业效率,因此在农村宅基地和建设用地使用权、农村土地承包经营权确权登记调查中,常采用无人机航测遥感技术快速获取高分辨率影像,进行后期数据处理,制作调查底图,进行后期的权属调查.
本文正是以安徽某试点镇项目为依托,详细论述了无人机航测遥感技术在农村土地承包经营权中的应用方法,从而论证了无人机航测遥感技术应用到土地调查中是可行的.
第 1 章 绪论
1.1 研究背景
土地调查是国家为全面摸清我国土地的面积、土地等级、位置分布、使用状况、归属情况而进行的一项基础性工作.掌握真实的土地信息数据,是进行土地评价、土地管理的基础性工作,为国家决策提供重要的基础土地信息数据.做好土地调查是我们国家重中之重的任务,通过土地调查获得土地资源基础数据,来制定我国社会经济发展计划和土地利用规划等.
目前,在土地调查中,大部分都采取卫星遥感影像、有人机航空摄影、野外实测等方法作为外业调查的工作底图,例如在全国第二次土地调查中,国家统一下发调查时点的高分辨率卫星遥感影像作为调查的工作底图,农村集体土地所有权确权登记发证也是采用高分辨率卫星遥感影像作为调查工作底图,农村宅基地使用权和建设用地使用权确权登记发证采用野外实测的方法进行,农村土地承包经营权大部分采用的是大飞机航飞的航空影像,但是对于大比例尺、小范围、工期紧的土地调查而言,遥感卫星所获取的影像,需要对其进行影像格式转换、卫星轨道参数提取等数据处理,同时,卫星影像分辨率相对较低,在较短的时间内,难以快速获取满足于成图所需的高分辨率遥感影像,近年来,航空遥感逐渐向三多方向发展,多平台、多传感器、多分辨率,但是航空遥感对天气条件要求较高,空域申请审批手续繁琐、机场使用申请麻烦、作业成本相对较高,航空遥感同样难以快速获取满足土地调查所需的高分辨率遥感影像数据,随着无人机硬件设备及其后期处理软件设备的迅猛发展,高稳定性测量型无人机的研制成功、其搭载的设备性能日益完善,为无人机航测遥感技术应用于土地调查提供了强有力的技术支持,同时,无人机航摄系统具有机动灵活、不需要特殊起降场地、受天气状况影响较小、成本低廉、能快速获取高分辨率影像等特点,与卫星遥感相比,无人机飞行高度可根据调查底图需要的分辨率设置飞行高度,因此获取的影像数据分辨率能满足调查底图需求,同时,无人机获取的区域范围小,数据量相对较小,后期处理相对简单,比较适合制作比例尺要求大、区域范围小、同时对工期要求紧的土地调查项目的调查底图.与有人机相比,无人机受天气条件、空域审批等影响较小,并且无需使用专用机场,因此也就不存在机场使用审批.飞行速度、飞行范围等可根据需要设定,具有极高的机动性,同时,无人机可以弹射起飞,可根据需要滑跑降落或伞降,无需专用的起降场地,能在环境条件极其恶劣的条件下起飞,无人机价格低廉,使用成本相对较低,应用到大比例尺、小范围、工期紧的土地调查中优势比较显着.
1.2 研究意义
土地调查作为我国的一项基本国策,是查清我国土地资源利用状况的重要手段,如何快速、准确的开展全国土地调查?采用何种方法进行土地调查?是我们所应思考的问题,目前在我国已经进行的第一次全国土地调查,第二次全国土地调查以及即将进行的第三次全国土地调查,农村集体土地所有权确权登记调查采取的都是国家统一下发的高分辨率卫星遥感影像,按照规范要求,农村宅基地使用权及建设用地使用权确权调查采用实测法进行,农村土地承包经营权调查一般采取大飞机航空摄影获取影像数据,而在小范围试点区域,一般采取无人机航摄的方式获取调查底图,无人机硬件及后处理软件的发展,使其成为一种新型的土地调查方式.无人机摄影测量技术具有快速高效、精细准确、影像实时传输、适用范围广、作业成本低、高危地区探测等.在土地调查中,采用无人机摄影测量技术,能够获取高质量的影像数据,通过处理生成分辨率和精度比较高的正射影像图,进而给土地调查奠定基础,发挥关键性作用,而且还可以减少人员投入及设备投入,降低成本、提高效率[1].
1.3 国内外研究现状
1.3.1 国外研究现状
国外的一些经济发达国家,较早的认识到土地资源管理的重要性,较早的开展土地调查工作,在二十世纪三十年代就已经比较常见.无人机在土地调查中的作用在近几年显得尤为重要,国外许多人对无人机开发与运用做出了大量研究.
2005 年 Nicolas Lewyckyj 等人凭借无人机航摄系统在北卡罗来纳州进行了自然灾害评估,通过生产正射影像数据,进行认真分析,快速精准的评估了工厂与村镇的受损情况.无人机为应急救灾提供了很大的帮助,也为灾害评估提供了基础数据,充分展现了无人机航摄系统在应急救灾中的巨大潜力[2].
2007 年,美国宇航局通过 Ikhaha 无人机获得森林火灾数据,然后对火灾造成的损失情况进行预先估算.2011 年墨西哥艾伦实验室公司通过无人机对钻井平台爆炸事故进行数据采集,以此来对灾害进行处理.
2013 年 M Pérez 等人研究了用德国 microdrones 公司开发的四轴飞行器 MD4-200 进行摄影测量,结果证明无人机用于制作 DEM 和 DOM 的可行性和准确性,是一种低成本的测量系统[3].
S Siebert 等人研究了将无人机系统运用到土木工程测量中,用无人机系统能够快速、自主的获取数据 3D 地图数据,能快速还原施工现场,及土方量计算[4].
M Manyoky 等人研究通过无人机测量进行地籍测绘,与传统的地籍测绘相比,无人机测绘系统的优势在于它们具有灵活性高和效率高的特性,而且较为容易获得正射影像,高程模型和三维模型等数据.为地籍测绘提供了新的机会,无人机在地籍测绘中有很大的优势[5].由此也可看出无人机在土地调查中具有较为重要的作用.
1.3.2 国内研究现状
我国属于农业大国,然而,土地的现状是人多地少,我国面临的难题是如何高效、合理的对全国范围内的土地资源进行开发利用,为了加强土地资源管理,我国政府于 1986 年颁布了第一部土地管理法,规定每一年中的 6 月 25 日为全国土地日,同时将土地调查制度作为我国的一项基本国策纳入国家法律法规.
1984 年,我国开展了第一次全国土地调查,第一次全国土地调查采用的调查图件,是由各县调查人员到当地测绘部门进行收集来的,并且可能需要跑好几个单位才能收集到,主要包括不同比例尺的普通航摄照片和部分数字正射影像图,而且很多影像是在 1980 年-1987 年期间拍摄的.而大部分的外业调查是在九十年代初进行的,影像获取时间和外业调绘时间间隔时间较长,地物变化较大,影像的时效性差,影像的可利用程度较低,需要补测的新增地物较多,因此大大增加了外业调绘的工作量,严重影响了第一次土地调查的进度和调查成果质量.
2007 年,我国启动了全国第二次土地调查,这次土地调查是在第一次调查的基础上,以全面查清我国全国范围内的土地利用状况为目的,掌握真实可靠的土地利用现状数据,并对调查成果进行入库,建立全国统一的土地调查数据库,实行信息化、网络化、动态化管理.随着航测遥感技术的发展,在第二次的全国土地调查中,统一采用国家下发的高分辨率卫星遥感影像作为全国第二次土地调查的调查底图,工作效率较高,作业周期短,基于航测遥感技术进行土地调查的作业方法在第二次全国土地调查中发挥了至关重要的作用,为以后每年的土地变更调查提供了成熟的技术基础和基础数据[6].
在农村土地所有权确权登记过程中,运用 3S 技术解决以往土地确权工作中的一系列问题,RS 提供全天候、大范围、高分辨率的影像数据,其承载的大量地物信息在土地确权工作中的控制网设计、权属界线调查中发挥着重要作用,GPS 可以在 CORS 基站支持下,在较大区域内进行实时的高精度位置信息采集,能够实时进行动态测量,不受测区地形、季节、天气等外在因素影响,减轻了劳动强度,又可以提高测量精度,操作简便、作业效率高.GIS 技术通过处理数据库中空间图形及属性数据,可以完成土地利用现状调查、土地权属调查底图编制、数据量算汇总、空间分析等工作[7].
在调查底图的制作过程中,GPS-RTK 技术主要应用在像控点测量方面,其作为 3S 技术的重要组成部分,在土地调查中也经常用到,不仅能提高像控点的测量速度,降低外业调查人员的外业工作量,同时也能提高像控点的测量精度,从而提高土地调查的速度.
在土地变更调查中,也常采用遥感技术作为土地利用现状更新工作的主要方法,卢炜欣提出将遥感技术应用于土地利用现状变更调查中,将定期遥感监测成果与已有的土地利用现状数据库相互叠加,进行对比分析,能迅速反应土地利用状况的变化情况,并及时对变化情况进行分析,编制土地利用变化分析报告,目前已成为土地变更调查的主要技术方法[10].
随着科技发展,无人机航测遥感技术不论在功能方面,还是性能方面都取得了长足进步,随着航测遥感技术、导航、通讯及计算机等技术的飞速发展,极大的推动了无人机航测遥感技术在土地调查项目中的应用进程,慢慢发展成为航天遥感及航空遥感的有力补充.在实际项目中,刘缤艳等将无人机航空摄影测量技术应用到农村集体土地使用权确权调查中,提出了一整套调查的方法和工作流程,在实际工作中,将外业实测界址点成果叠加到立体采集的矢量图成果上,进行初步编辑,作为外业调查底图,然后进行外业权属调绘,这样的作业方法不仅可以保证界址点的测量精度,同时使地籍图测绘的速度又大大提高,此方法成图精度高、作业效率快,生产成本低[4].毕凯等针对小面积范围内、大比例尺的农村土地调查的实际需求,提出了采用无人机航摄系统进行农村土地调查底图制作的解决方案,为以后大规模开展农村土地确权登记发证工作积累经验[11].
2017 年 10 月 8 日,国务院印发了《关于开展第三次全国土地调查的通知》,决定自 2017 年起,启动第三次全国土地调查,第三次全国土地调查将会充分利用航测遥感技术、工程测量、GPS、GIS、3S 集成、互联网等相关技术手段,全面收集和整理全国第二次土地调查及年度土地变更调查成果,在第二次全国土地调查成果的基础上,以数字正射影像图为基础,实地调查土地利用现状、土地坐落、地类界线、图斑面积、权属单位等,全面细化和完善全国土地利用基础数据,建成集国家、省、地市、县四级的集影像、矢量、簿册为一体的全国土地调查数据库,与第二次全国土地调查及每年度的年度变更调查相比,第三次全国土地调查是对已有数据成果进行细化,对变化区域进行数据更新,并对新增地物进行补测.
…………由于本文篇幅较长,部分内容省略,详细全文见文末附件
结 论
现阶段,国家对土地的管理越来越精细,无人机又具有自己独特的优势.本论文以安徽省某试点镇农村土地承包经营权项目为依托,研究了无人机摄影测量技术在土地调查中的应用,提出了一套无人机摄影测量技术应用于农村土地承包经营权确权登记发证项目的技术方案.得出以下结论:
1)与传统的有人机航空摄影相比,无人机具有价格低廉、作业高效、飞行高度低等优势,可快速获取清晰的精度较高的影像数据信息,同时采用 POS 辅助航空摄影可大大减少外业的工作量,降低生产成本,拥有非常可观的经济性,高科技的无人机在航空摄影测量方面的使用越来越广泛,由此制成的数字正射影像产品在土地调查中发挥着极其重要的作用.
2)通过实例数据分析比较,外业实测检查点与用无人机航测法得到的数字正射影像同名点精度远优于规范要求的精度,同时也优于图解法+实测法获取的承包地块界址点点位精度.规范要求:1:2000 平原地区,数字正射影像的平面位置中误差为 1.2 米,航测法+实测法获取的承包地块界址点的点位中误差为 0.35 米,最终得出数字正射影像的点位位置中误差为 0.277 米.
3)地块信息采集中,采用航天远景的 Mapmatrix 软件,在全数字摄影测量系统上进行采集,简单易学的影像匀光匀色功能和高效的影像生成和修复功能,自动化程度比较高,需要人工干预的较少,在实际生产中能大大提高作业效率.
4)形成了一套无人机摄影测量技术应用于农村土地承包经营权确权登记发证的作业流程,在大比例尺、小范围、工期紧的土地调查中,在满足规范要求精度的前提下,可以大大提高作业效率,缩短作业工期,降低生产成本.
以下两个方面需进行深入探究也是未来的研究方向:
1)无人机搭载的一般是数码相机,因相机畸变,获得的影像重叠度并不规范,且地表物体变形,稳定无人机飞行过程,获取像幅较大的影像都是需要深入研究的问题,需依靠相机制作技术及飞行技术的发展.
2)无人机获得的航摄影像数据很大,相对应的后期作业需处理计算的工作量也很大,虽然某些算法可提高数据处理效率,总体来看,生产效率并不高,这方面仍需进一步提高.
综上所述,土地调查中应用无人机航测技术是我国土地项目发展的未来趋势,需要深入这方面的研究,以满足测绘更大的需求.
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