基于無人機遙感監測的壽光市土地資源保護應用

李波+唐海

【摘 要】 對無人機遙感系統的組成，無人機遙感數據獲取流程，遙感影像變化監測算法及監測過程等進行了研究。將無人機遙感技術和遙感影像變化監測技術應用于壽光市土地資源保護，為壽光市土地資源保護提出了一種新的技術方法。

【關鍵詞】 無人機 變化監測 土地資源

1 引言

目前土地資源保護工作主要有兩種技術手段。一是使用衛星和普通航空遙感影像進行數據獲取，然后進行變化監測。但是衛星遙感數據獲取周期較長、衛星分辨率較低。有人駕駛飛機普通航空遙感的方法雖然可獲取較高分辨率的影像，但容易收到空域管制影響并且在重復監測中成本較高[1]。二是進行人工實地檢查手段進行土地資源保護。這需要國土資源部門配備大量的人力物力與工作量相適應，由于人手短缺很多地方難以巡查到位，而且人員極其容易受到各種因素的干擾而影響保護效果。

山東省壽光市基于無人機遙感監測進行土地資源保護應用，以先進無人機遙感系統進行快速數據獲取，配合土地資源變化監測技術進行土地資源執法，對壽光市中南部區域不同時期的土地資源數據進行處理和分析，獲取監測區域土地覆蓋的信息、現狀信息和變化信息，快速對非農用地占用耕地的位置進行定位分析及時查處，為壽光市政府、國土部門提供系統、客觀、權威的土地資源數據支持。

2 無人機遙感數據獲取

無人機航空遙感系統具備高機動性、便捷性、成本低等特點，在土地利用、熱點地區土地資源保護監察等領域擁有獨特的優勢[2]。無人機航空遙感系統是高分辨率及高精度遙感影像獲取和處理的嶄新技術，是航空航天等遙感技術的有力的補充[3]。經過研究調查、壽光市土地資源保護主要針對違法亂建等對優良耕地的侵占，利用無人機遙感監測，可以及時發現和依法查處被監測區域國土資源違法行為，有利于建立利用科技手段實行土地資源動態巡查監管。

2.1 無人機航空遙感系統組成

無人機遙感平臺分為空中部分和地面部分。其中空中部分包括遙感傳感器系統、空中自動控制系統、無人機平臺[4]，主要負責按照規劃航線和地面人員操作進行遙感數據獲取。地面部分包括航線規劃系統、地面控制系統以及數據接收系統，主要功能包括飛行前的航線規劃設計，飛行中對無人機飛行狀態進行控制和對獲取的數據進行實時傳輸（圖2-1）。

遙感傳感器系統：由于無人機載荷限制，遙感傳感器一般采用改裝的單反相機，具體參數如下：分辨率大于2000萬，快門速度大于1/5000秒，具有程序自動拍照/人工拍照工作模式控制，相機照片能夠對飛機位置、姿態與時間信息進行加注，具備相機鏡頭專業檢校能力[5]。

空中自動控制系統：根據規劃航線實現對無人機的自動控制，具有導航解算、系統自檢測功能。控制精度如下：姿態動態控制精度±2度，航高控制精度±5米、水平位置精度小于1米[6]。

無人機平臺：無人機平臺是整個系統的基礎平臺，根據實際的野外作業及應對極端環境的要求而設計和生產，具有展開時間短，操作簡便，飛行可靠性高，實用性強等特點。無人機平臺參數如下：載荷大于8千克，巡航速度在70-120千米每小時之間，正常作業高度海拔300-6000米之間，續航時間大于4小時，最大航程大于400km，正常起降風速大于6級[7]。

航線規劃系統：進行任務規劃與航跡控制。具體參數如下：可編程航程點大于256個，規劃任務航跡數大于10條，可在飛行中修改任務或航程點。

地面控制系統：實現飛機飛行參數、地面站參數、實時航跡的顯示控制；實時記錄數據鏈全部數據和地面站相關信息。地面控制站為便攜式設計，可單人攜帶。

數據接收系統：實現數據接收及數據通信。具體參數如下：通信電臺頻段400-900兆赫斯，電臺功率不小于1瓦特，控制距離大于50千米。

2.2 無人機遙感數據獲取

無人機遙感數據獲取主要流程包括航攝設計、外業控制點測量、航空攝影測量、數據處理等步驟。

航攝設計：壽光市無人機遙感數據獲取飛行頻率為每30天獲取一次影像。影像分辨率為0.1米，飛行航高500米，影像旁向重疊度大于30%，影像航向重疊度大于60%，并根據測區情況進行航線設計[8]。

外業控制點測量：為得到可靠的區域網平差精度，根據航線設計方案調整出較為合理的外業控制點選取和布點方案。此次方案航向隔3條基線布設一個平高控制點、旁向隔兩條航帶布設一個平高控制點。

航空攝影測量：攝影時天氣情況要求良好，確保有足夠的光照度，攝影時太陽高度角應大于45°，陰影不大于1倍。攝影時間要求為10-14時為最佳選擇。降落后，對照片數據及飛機整體進行檢查評估，結合貼線率和姿態角判斷是否復飛。

2.3 無人機遙感數據處理

無人機遙感數據快速處理主要包括勻光、勻色，空中三角測量，生成正射影像與鑲嵌，精度檢查等步驟。最終成果正射影像應清晰，片與片之間影像盡量保持色調均勻，反差適中，影像接邊重疊帶不允許出現明顯的模糊和重影，相鄰數字正射影像嚴格接邊。

勻光、勻色：無人機航空影像由于拍攝時太陽光照角度不同，往往存在顏色不一致、明暗差異大等方面的問題。對無人機原始影像進行勻光、勻色，可去處航片之間顏色和明暗差異，保證影像質量 。

空中三角測量：空中三角測量包括影像同名點自動匹配和區域網平差兩部分。同名點自動匹配利用影像匹配算法自動提取同名點并匹配，然后將匹配的同名點、布設的地面控制點和檢查點進行區域網平差。

生成正射影像與鑲嵌進行完成空中三角測量以后，生成DOM，并進行鑲嵌，在鑲嵌的過程中可以進一步勻光、勻色，保證最后DOM的效果。

精度檢查：量測檢查點在正射影像的坐標并與檢查點實際坐標進行對比，計算檢查點的平面位置殘差中誤差在一定范圍內，驗證最終正射影像成果的精度，如果不滿足精度要求，需要找出原因并重新進行空中三角測量。endprint

3 遙感影像土地資源變化監測

對生成的正射影像進行變化土地資源變化監測，快速獲取監測區域土地資源變化信息，并且進行演化分析和信息可視化處理，制作和完成各類土地資源變化監測相關成果，為土地資源執法檢查提供依據。

3.1 變化監測算法

無人機航攝搭載的航攝相機為普通三波段單反相機，沒有近紅外波段，因此綜合運算效率、運算效果等選用圖像比值法進行土地資源變化監測。圖像比值法是一個可以快速運算并得到土地資源變化區域的遙感影像監測算法。此方法被認為是辨識變化區域相對較快的手段[9]。

圖像比值法是將兩個時期（，）獲取的遙感圖像按波段（k）進行逐像元的相除[7]（公式1）。如果兩個時期的土地利用情況沒有發生變化，那么遙感圖像像元比值接近與1，=1。如果兩個時期的土地利用情況發了變化，比如建筑物侵占了耕地，那么遙感圖像像元比值將明顯高于1或明顯低于1[10]。在實際應用中，根據監測對象的不同可以將這個比值變化范圍設定為閾值，通過設置合適閾值來確定土地變化監測的靈敏度，得到正確的土地利用變化監測結果。

（公式1）

，為時相；k為波段；i，j為像元坐標；為像元值。

3.2 土地資源變化監測

壽光市土地資源變化監測，利用圖像比值算法對兩個時期無人機獲取的遙感影像進行變化監測，域值（圖像比值變化范圍）設置為0.1，即圖像比值為0.9到1.1之間時，判定土地利用沒有變化，圖像比值小于0.9或者圖像比值大于1.1時，判定土地利用類別發生變化。對于判定土地利用情況發生了變化的區域，要進行跟蹤判別，判定其土地利用變化范圍、變化類型等，最后制作土地資源變化示意圖（圖3-1）。

4 土地資源保護執法

壽光市土地資源保護執法以土地資源變化示意圖為工作地圖，在此基礎上疊加鄉鎮與村民委員會界線、地名注記作為常態數據，并制作變化圖斑分布位置圖和變化圖斑信息統計表，形成土地資源監測報告國土執法部門作為執法檢查的科學依據。

截至到2013年底，共發現721處新增圖斑，面積約54.2萬平方米。經調查核實后，對其中584宗違法用地進行了查處，及時有效地制止了壽光市違法用地行為。

5 結語

壽光市土地資源保護以無人機航空遙感系統為數據獲取手段，進行快速數據獲取，利用遙感變化監測算法進行土地資源變化監測。實現了對壽光市中南部地區基本農田、耕地和建設用地動態變化情況的實時監測和對違法違規用地行為的執法查處，切實保護了壽光市土地資源。

參考文獻：

[1]韓杰，王爭.無人機遙感國土資源快速監察系統關鍵技術研究.測繪通報，2008（2）：4-7.

[2]金偉，葛宏立，杜華強，等.無人機遙感發展與應用概況.遙感信息，2009，1：88-91.

[3]晏磊，呂書強.無人機航空遙感系統關鍵技術研究.武漢大學學報，2004，37（6）：67-70.

[4]崔紅霞，林宗堅，孫杰.無人機遙感監測系統研究[J].測繪通報，2005（5）：11-14.

[5]趙鵬，沈庭芝，單寶堂.基于CMOS圖像傳感器的微型無人機遙感系統設計[J].光子學報，2008，37（8）：1657-1661.

[6]崔紅霞，孫杰，林宗堅.無人機遙感設備的自動化控制系統[J].測繪科學，2004，29（1）：45-47.

[7]王青山.簡述無人機在遙感技術中的應用[J].測繪與空間地理信息，2010（3）：100-104.

[8]魯恒，李永樹，何敬，等.無人機低空遙感影像數據的獲取與處理.測繪工程，2011，20：51-54.

[9]邵永社，張紹明，張雷雨，等.高分辨率遙感影像土地利用動態監測技術研究[J].計算機工程與應用，2009（9）：162-165.

[10]周啟鳴.多時相遙感影像變化檢測綜述[J].地理信息世界，2011（2）：27-30.endprint

3 遙感影像土地資源變化監測

對生成的正射影像進行變化土地資源變化監測，快速獲取監測區域土地資源變化信息，并且進行演化分析和信息可視化處理，制作和完成各類土地資源變化監測相關成果，為土地資源執法檢查提供依據。

3.1 變化監測算法

無人機航攝搭載的航攝相機為普通三波段單反相機，沒有近紅外波段，因此綜合運算效率、運算效果等選用圖像比值法進行土地資源變化監測。圖像比值法是一個可以快速運算并得到土地資源變化區域的遙感影像監測算法。此方法被認為是辨識變化區域相對較快的手段[9]。

圖像比值法是將兩個時期（，）獲取的遙感圖像按波段（k）進行逐像元的相除[7]（公式1）。如果兩個時期的土地利用情況沒有發生變化，那么遙感圖像像元比值接近與1，=1。如果兩個時期的土地利用情況發了變化，比如建筑物侵占了耕地，那么遙感圖像像元比值將明顯高于1或明顯低于1[10]。在實際應用中，根據監測對象的不同可以將這個比值變化范圍設定為閾值，通過設置合適閾值來確定土地變化監測的靈敏度，得到正確的土地利用變化監測結果。

（公式1）

，為時相；k為波段；i，j為像元坐標；為像元值。

3.2 土地資源變化監測

壽光市土地資源變化監測，利用圖像比值算法對兩個時期無人機獲取的遙感影像進行變化監測，域值（圖像比值變化范圍）設置為0.1，即圖像比值為0.9到1.1之間時，判定土地利用沒有變化，圖像比值小于0.9或者圖像比值大于1.1時，判定土地利用類別發生變化。對于判定土地利用情況發生了變化的區域，要進行跟蹤判別，判定其土地利用變化范圍、變化類型等，最后制作土地資源變化示意圖（圖3-1）。

4 土地資源保護執法

壽光市土地資源保護執法以土地資源變化示意圖為工作地圖，在此基礎上疊加鄉鎮與村民委員會界線、地名注記作為常態數據，并制作變化圖斑分布位置圖和變化圖斑信息統計表，形成土地資源監測報告國土執法部門作為執法檢查的科學依據。

截至到2013年底，共發現721處新增圖斑，面積約54.2萬平方米。經調查核實后，對其中584宗違法用地進行了查處，及時有效地制止了壽光市違法用地行為。

5 結語

壽光市土地資源保護以無人機航空遙感系統為數據獲取手段，進行快速數據獲取，利用遙感變化監測算法進行土地資源變化監測。實現了對壽光市中南部地區基本農田、耕地和建設用地動態變化情況的實時監測和對違法違規用地行為的執法查處，切實保護了壽光市土地資源。

參考文獻：

[1]韓杰，王爭.無人機遙感國土資源快速監察系統關鍵技術研究.測繪通報，2008（2）：4-7.

[2]金偉，葛宏立，杜華強，等.無人機遙感發展與應用概況.遙感信息，2009，1：88-91.

[3]晏磊，呂書強.無人機航空遙感系統關鍵技術研究.武漢大學學報，2004，37（6）：67-70.

[4]崔紅霞，林宗堅，孫杰.無人機遙感監測系統研究[J].測繪通報，2005（5）：11-14.

[5]趙鵬，沈庭芝，單寶堂.基于CMOS圖像傳感器的微型無人機遙感系統設計[J].光子學報，2008，37（8）：1657-1661.

[6]崔紅霞，孫杰，林宗堅.無人機遙感設備的自動化控制系統[J].測繪科學，2004，29（1）：45-47.

[7]王青山.簡述無人機在遙感技術中的應用[J].測繪與空間地理信息，2010（3）：100-104.

[8]魯恒，李永樹，何敬，等.無人機低空遙感影像數據的獲取與處理.測繪工程，2011，20：51-54.

[9]邵永社，張紹明，張雷雨，等.高分辨率遙感影像土地利用動態監測技術研究[J].計算機工程與應用，2009（9）：162-165.

[10]周啟鳴.多時相遙感影像變化檢測綜述[J].地理信息世界，2011（2）：27-30.endprint

3 遙感影像土地資源變化監測

對生成的正射影像進行變化土地資源變化監測，快速獲取監測區域土地資源變化信息，并且進行演化分析和信息可視化處理，制作和完成各類土地資源變化監測相關成果，為土地資源執法檢查提供依據。

3.1 變化監測算法

無人機航攝搭載的航攝相機為普通三波段單反相機，沒有近紅外波段，因此綜合運算效率、運算效果等選用圖像比值法進行土地資源變化監測。圖像比值法是一個可以快速運算并得到土地資源變化區域的遙感影像監測算法。此方法被認為是辨識變化區域相對較快的手段[9]。

圖像比值法是將兩個時期（，）獲取的遙感圖像按波段（k）進行逐像元的相除[7]（公式1）。如果兩個時期的土地利用情況沒有發生變化，那么遙感圖像像元比值接近與1，=1。如果兩個時期的土地利用情況發了變化，比如建筑物侵占了耕地，那么遙感圖像像元比值將明顯高于1或明顯低于1[10]。在實際應用中，根據監測對象的不同可以將這個比值變化范圍設定為閾值，通過設置合適閾值來確定土地變化監測的靈敏度，得到正確的土地利用變化監測結果。

（公式1）

，為時相；k為波段；i，j為像元坐標；為像元值。

3.2 土地資源變化監測

壽光市土地資源變化監測，利用圖像比值算法對兩個時期無人機獲取的遙感影像進行變化監測，域值（圖像比值變化范圍）設置為0.1，即圖像比值為0.9到1.1之間時，判定土地利用沒有變化，圖像比值小于0.9或者圖像比值大于1.1時，判定土地利用類別發生變化。對于判定土地利用情況發生了變化的區域，要進行跟蹤判別，判定其土地利用變化范圍、變化類型等，最后制作土地資源變化示意圖（圖3-1）。

4 土地資源保護執法

壽光市土地資源保護執法以土地資源變化示意圖為工作地圖，在此基礎上疊加鄉鎮與村民委員會界線、地名注記作為常態數據，并制作變化圖斑分布位置圖和變化圖斑信息統計表，形成土地資源監測報告國土執法部門作為執法檢查的科學依據。

截至到2013年底，共發現721處新增圖斑，面積約54.2萬平方米。經調查核實后，對其中584宗違法用地進行了查處，及時有效地制止了壽光市違法用地行為。

5 結語

壽光市土地資源保護以無人機航空遙感系統為數據獲取手段，進行快速數據獲取，利用遙感變化監測算法進行土地資源變化監測。實現了對壽光市中南部地區基本農田、耕地和建設用地動態變化情況的實時監測和對違法違規用地行為的執法查處，切實保護了壽光市土地資源。

參考文獻：

[1]韓杰，王爭.無人機遙感國土資源快速監察系統關鍵技術研究.測繪通報，2008（2）：4-7.

[2]金偉，葛宏立，杜華強，等.無人機遙感發展與應用概況.遙感信息，2009，1：88-91.

[3]晏磊，呂書強.無人機航空遙感系統關鍵技術研究.武漢大學學報，2004，37（6）：67-70.

[4]崔紅霞，林宗堅，孫杰.無人機遙感監測系統研究[J].測繪通報，2005（5）：11-14.

[5]趙鵬，沈庭芝，單寶堂.基于CMOS圖像傳感器的微型無人機遙感系統設計[J].光子學報，2008，37（8）：1657-1661.

[6]崔紅霞，孫杰，林宗堅.無人機遙感設備的自動化控制系統[J].測繪科學，2004，29（1）：45-47.

[7]王青山.簡述無人機在遙感技術中的應用[J].測繪與空間地理信息，2010（3）：100-104.

[8]魯恒，李永樹，何敬，等.無人機低空遙感影像數據的獲取與處理.測繪工程，2011，20：51-54.

[9]邵永社，張紹明，張雷雨，等.高分辨率遙感影像土地利用動態監測技術研究[J].計算機工程與應用，2009（9）：162-165.

[10]周啟鳴.多時相遙感影像變化檢測綜述[J].地理信息世界，2011（2）：27-30.endprint