無人機(jī)遙感影像在湖南省第三次國土調(diào)查中的應(yīng)用研究

左美蓉

（湖南工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410151）

0 引言

湖南省第三次國土調(diào)查的目標(biāo)，是在第二次土地調(diào)查成果基礎(chǔ)上，全面優(yōu)化完善湖南省土地?cái)?shù)據(jù)信息，翔實(shí)準(zhǔn)確掌握土地利用現(xiàn)狀和土地轉(zhuǎn)化現(xiàn)狀。與第二次土地調(diào)查相比，適當(dāng)?shù)募?xì)化是第三次國土調(diào)查的關(guān)鍵特征。高精度攻關(guān)是第三次國土調(diào)查的基本要求，同時(shí)，工期緊、工作量大也是其突出問題，所以調(diào)查過程中必須采用專業(yè)的攻關(guān)技術(shù)和方法。2017年第三次土調(diào)工作以來，湖南利用了衛(wèi)星遙感、信息云計(jì)算平臺服務(wù)平臺共享數(shù)據(jù)、現(xiàn)場勘驗(yàn)等技術(shù)，其中無人機(jī)遙感技術(shù)在其中發(fā)揮了重要作用，其機(jī)動性、協(xié)同能力強(qiáng)、效率高、成本低等特點(diǎn)，特別適用于湖南省第三次國土調(diào)查中的工作。

無人機(jī)遙感影像技術(shù)具備快速、動態(tài)、綜合等優(yōu)勢，能夠?yàn)槲覈r(nóng)業(yè)生產(chǎn)、資源調(diào)整及環(huán)境檢測等方面的研究提供新型的探測手段，將該技術(shù)運(yùn)用于國土調(diào)查中，有助于合理規(guī)劃土地和資源管理。但是，具有分辨率高的無人遙感影像機(jī)通常價(jià)格比較昂貴，隨之也增加了土地調(diào)查的成本。近年來，隨著遙感技術(shù)的快速發(fā)展，有效解決了以往遙感影像獲取影像分辨率低的問題，我國借鑒了國外一些相關(guān)成功經(jīng)驗(yàn)，使用微型無人機(jī)遙感影像系統(tǒng)對土地利用的實(shí)時(shí)狀況進(jìn)行調(diào)查。

1 無人機(jī)遙感影像在國土調(diào)查中的優(yōu)勢

1.1 技術(shù)適應(yīng)性強(qiáng)

現(xiàn)場核查辦公環(huán)境復(fù)雜，在當(dāng)?shù)毓ぷ魅藛T無法到場的情況下，可以利用無人機(jī)遙感影像技術(shù)，確保畫面清晰可辨，拍攝成果符合國家審核標(biāo)準(zhǔn)。此外，無人機(jī)遙感影像系統(tǒng)可以使用更多種類的程序控制器，因此具有較高的適應(yīng)性，可以根據(jù)具體的工作標(biāo)準(zhǔn)，使用不同的程序控制器，進(jìn)一步提高了技術(shù)的適用性。

1.2 覆蓋范圍廣且精準(zhǔn)

5G技術(shù)和RS技術(shù)以無人機(jī)遙感影像系統(tǒng)為核心，可以生成優(yōu)秀的數(shù)據(jù)監(jiān)測實(shí)體模型，能夠全方位、快速地收集整理各類相關(guān)數(shù)據(jù)信息。通俗地說，RS技術(shù)應(yīng)用于系統(tǒng)軟件，能夠快速采集信息，并與5G技術(shù)緊密結(jié)合，將圖片、信息等領(lǐng)域快速傳輸?shù)揭苿又悄芙K端，完成數(shù)據(jù)信息的自動存儲。

1.3 技術(shù)靈活多變

在國土調(diào)查中，可以利用無人機(jī)遙感技術(shù)更方便地調(diào)整測繪方位和平均海拔，合理補(bǔ)齊傳統(tǒng)人工拍攝的短板。從綜合拍攝、經(jīng)濟(jì)適用房、高空等角度出發(fā)，可以建立色點(diǎn)的整體情況和附近情況。如此一來，工作人員可以更準(zhǔn)確地掌握用地情況。此外，無人機(jī)遙感技術(shù)還包括能夠精準(zhǔn)采集照片坐標(biāo)的POS系統(tǒng)軟件，更有利于保持?jǐn)?shù)據(jù)信息的整體性和真實(shí)性。

2 無人機(jī)遙感影像在湖南省第三次國土調(diào)查中的應(yīng)用類型

2017年，我國啟動了第三次全國國土調(diào)查試點(diǎn)工作，對全國土地展開了調(diào)查，徹底查清土地利用現(xiàn)狀和權(quán)屬，此次國土調(diào)查中，運(yùn)用了各種技術(shù)手段，如信息數(shù)據(jù)平臺共享、衛(wèi)星遙感、登門實(shí)地走訪核實(shí)等。第三次全國國土調(diào)查是依據(jù)《土地調(diào)查條例》，對全國范圍內(nèi)每一塊土地的利用現(xiàn)狀和實(shí)時(shí)使用狀況進(jìn)行全面清查，并獲取國土資源管理的相關(guān)數(shù)據(jù)。與此同時(shí)，針對自然生態(tài)狀況、耕地調(diào)查質(zhì)量評價(jià)及建設(shè)用地等情況開展專題分析和報(bào)道。湖南省是從2018年9月開展部署第三次全國國土調(diào)查工作，預(yù)計(jì)在2020年底完成省級成果檢驗(yàn)及驗(yàn)收等工作。根據(jù)部署安排，在國土調(diào)查中利用分辨率高優(yōu)于0.2 m的航空影像，結(jié)合國土調(diào)查結(jié)果，對城鎮(zhèn)土地利用現(xiàn)狀給予調(diào)查，對于農(nóng)村道路、濕地利用重新進(jìn)行分類，徹底查清湖南省范圍內(nèi)各市縣住宅用地、商服用地、空閑地、工礦倉儲用地等各種土地分布狀況和土地利用現(xiàn)狀。

2.1 EBEE RTK無人機(jī)

EBEE RTK無人機(jī)具有體積小、操作簡單、易學(xué)而且安全可靠等特點(diǎn)，起飛時(shí)無需起落架，只用手拋即可完成起飛，更不需要專業(yè)的操控人員。無人機(jī)機(jī)身設(shè)計(jì)均以模塊化形式為主，并且所有部件均可以自由拆卸，在整個(gè)過程中可實(shí)現(xiàn)全自動操作。而且無論對測量模塊、航速模塊還是GNSS空三模塊都可進(jìn)行持續(xù)的實(shí)時(shí)分析。航程規(guī)劃軟件更加直觀、簡單，通過對鼠標(biāo)的拖拽即可控制并模擬和規(guī)劃飛機(jī)起飛和具體航行軌跡，與此同時(shí)，可控制多臺無人機(jī)同時(shí)作業(yè)，當(dāng)大機(jī)降落后，可根據(jù)飛機(jī)航程記錄和帶有地理坐標(biāo)的航像獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

2.2 無人遙感影像數(shù)據(jù)獲取及處理

由于測繪無人機(jī)可進(jìn)行分辨率為5 cm的全覆蓋航拍，通過選取地面控制點(diǎn)進(jìn)行糾正，提高影像的精度，制作出精度高的比例尺，包括1：500～1：2000的影像圖。因此在本次國土調(diào)查項(xiàng)目中，測繪無人機(jī)航拍攝影技術(shù)成為了獲取合適比例尺影像圖的重要手段。

2.3 航攝范圍的確定

對湖南省范圍內(nèi)經(jīng)濟(jì)條件較好，調(diào)查結(jié)果要求較高的城市近郊區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)等，以及情況復(fù)雜的集體用地情況，可采取解析法實(shí)測或者圖解法開展權(quán)籍調(diào)查。對于經(jīng)濟(jì)條件較差，沒有1：2000高精度數(shù)據(jù)成果、偏遠(yuǎn)地區(qū)、獨(dú)立住宅和集體建設(shè)用地，可采取圖解法、勘丈法等簡便易行的調(diào)查方法。使用無人機(jī)技術(shù)時(shí)，根據(jù)選定調(diào)查區(qū)域范圍，在對應(yīng)的SPOT影像上，標(biāo)明并確定攝影范圍和調(diào)查范圍。對國土調(diào)查范圍的航攝標(biāo)準(zhǔn)以調(diào)查范圍區(qū)域向外超出1000 m為準(zhǔn)，確保最終的成圖效果，以防出現(xiàn)漏測情況。

2.4 航攝儀和攝影比例與航高的確定

利用無人機(jī)遙感技術(shù)來獲取土地調(diào)查區(qū)域的真彩色數(shù)字影像，具體航飛設(shè)計(jì)以0.2 m地面分辨率作為標(biāo)準(zhǔn)。航線敷設(shè)按圖廓中心線進(jìn)行設(shè)計(jì)，航線重疊應(yīng)控制在60%～80%之間，旁向重疊應(yīng)控制在15%～60%之間，航片傾斜角度不超5°。數(shù)碼相機(jī)旋偏角的傾斜角度應(yīng)低于15°。航攝比例以國土調(diào)查區(qū)域所需精度要求和地形比例要求為準(zhǔn)，根據(jù)大比例尺測圖特點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合航攝區(qū)域的地形條件、所用儀器的性能、成圖方法等多種因素綜合考慮，在保證測圖基本要求條件下，本著降低調(diào)查成本、縮短成圖周期的原則，選擇將航攝分辨率設(shè)定為0.16 m，飛行高度設(shè)置為600 m。

2.5 航拍時(shí)間的選擇

首先，選擇航拍時(shí)間時(shí)要盡可能選擇有利于航攝的氣象條件，同時(shí)還需要考慮空氣污染程度、風(fēng)力、視野情況等，在氣流較為穩(wěn)定且光線充足的條件下為最佳航拍效果，盡可能避免由于天氣因素給航攝帶來的不良影響，確保航片的真實(shí)性。其次，選擇航攝時(shí)間時(shí)，既要保證有足夠的光照度，又要避免出現(xiàn)大的陰影現(xiàn)象，通常可根據(jù)攝區(qū)太陽高度角來選定。為了保證足夠的光照度，同時(shí)不出現(xiàn)大的陰影，應(yīng)選擇代表性的航拍時(shí)間段，確保航片的獲取質(zhì)量。

2.6 攝影質(zhì)量要求

正確選擇鏡頭，準(zhǔn)確設(shè)置曝光時(shí)間，確保影像清晰、色彩豐富、彩色平衡良好；觀察相片中的缺陷，如有劃痕、靜電斑痕、脫膜、折傷等；應(yīng)該能夠分辨出與航攝比例尺相對應(yīng)的地物細(xì)小影像。

2.7 航攝成果質(zhì)量檢查

當(dāng)無人機(jī)航攝完畢之后，將無人機(jī)飛行的各項(xiàng)數(shù)據(jù)下載至地面的控制站。根據(jù)無人機(jī)航攝記錄航片所曝光的具體位置，影像的現(xiàn)場拼接效果及相關(guān)姿態(tài)數(shù)據(jù)顯示效果，即可檢查出該次航線的直線性、航片的清晰度、航片的外方位角元素是否超標(biāo)、航片比例尺是否一致以及航向重疊、旁向重疊是否符合航攝要求。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 無人機(jī)航空攝影

根據(jù)低空數(shù)字航空攝影規(guī)范要求，各地區(qū)應(yīng)根據(jù)不同地形情況采用不同類型的測繪無人機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。在航拍過程中對于高差相對較大的可采用ZKYG-2無人機(jī)，而對于一些地形較為平坦，與周邊其他地區(qū)相比高差較小，可以采用EBEE RTK無人機(jī)實(shí)現(xiàn)航拍。比如，對湖南省某市區(qū)域地面分辨率進(jìn)行綜合分析，其中城鎮(zhèn)地區(qū)為0.08 m，郊區(qū)為0.12 m，航高分別設(shè)定為280 m和1000 m。在該市區(qū)共飛行18架次，平均飛行時(shí)間為28 min，共拍攝照片2600余張。城鎮(zhèn)地區(qū)無人機(jī)共飛行3個(gè)架次，平均飛行時(shí)間為50 min，共拍攝照片700余張，使用處理軟件為Pix 4Dmapper Pro，處理一個(gè)航次的圖像，平均時(shí)間最低為2 h，最高不超3 h。每次航拍任務(wù)結(jié)束后，需對所有航空影像逐個(gè)進(jìn)行檢查、對導(dǎo)出POS數(shù)據(jù)、相片重疊度、影像質(zhì)量一一檢查，確保航拍影像對調(diào)查區(qū)域的全覆蓋，不出現(xiàn)漏拍等問題。為防止影像出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)、扭曲等現(xiàn)象，應(yīng)對影像實(shí)施預(yù)處理，如發(fā)現(xiàn)影像有云霧籠罩、漏拍、錯(cuò)拍等問題時(shí)，應(yīng)及時(shí)補(bǔ)拍，最大限度地保障數(shù)據(jù)的完整性。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，此次航向重疊度在65%～75%之間，旁向重疊度在40%～45%之間，相片傾斜度小于3°；無漏拍現(xiàn)象發(fā)生；航攝影像無云遮蓋，色彩清晰，滿足調(diào)查要求。在空中三角測量時(shí)應(yīng)對地面控制點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行合理布設(shè)，依照相關(guān)計(jì)算模式，對平面坐標(biāo)和高程計(jì)算出具體的加密點(diǎn)位以及各張不同航空影像所涉及的外方位元素。基于無人機(jī)傾斜攝影測量下，所構(gòu)成三維模型稱之為白膜。而在白膜中只顯示地形數(shù)據(jù)，并無相關(guān)的紋理信息。所以這種經(jīng)過自動空三加密并匹配后的模型，無法直接應(yīng)用于國土調(diào)查，必須先進(jìn)行紋理映射，從而與之相匹配的影像數(shù)據(jù)才能生成實(shí)景三維模型。

3.2 無人機(jī)遙感影像優(yōu)勢

無人機(jī)遙感技術(shù)正以其高機(jī)動性、高性價(jià)比、高安全性服務(wù)于經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的各個(gè)方面，其應(yīng)用于農(nóng)村土地確權(quán)工作技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，成果精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的測量方式，投入的人力物力減少，耗費(fèi)的時(shí)間大大縮減，大大減輕了基層一線調(diào)查人員的工作量，本研究主要選取固定翼無人機(jī)、EBEE RTK無人機(jī)以及ZKYG-2無人機(jī)進(jìn)行闡述。

固定翼無人機(jī)進(jìn)行國土測繪時(shí)平飛速度較快，續(xù)航時(shí)間比較長，可快速獲取土地調(diào)查中所需的資料和相關(guān)數(shù)據(jù)，對無人機(jī)起飛場地有特殊的要求。首先，EBEE RTK無人機(jī)的優(yōu)勢在于飛行高度低、操作簡單、便捷并且質(zhì)量較輕。在實(shí)際應(yīng)用中，如何恰到好處地利用不同類型無人機(jī)的優(yōu)勢，使其發(fā)揮最佳效果，成為我們關(guān)注的問題之一。當(dāng)國土調(diào)查區(qū)域較小時(shí)，可采用EBEE RTK無人機(jī)進(jìn)行航拍。當(dāng)調(diào)查項(xiàng)目較大，但項(xiàng)目比較規(guī)整時(shí)，同樣可采用EBEE RTK無人機(jī)航拍。而當(dāng)調(diào)查項(xiàng)目較大且海拔較高時(shí)，可采用ZKYG-2無人機(jī)航拍。總之，可根據(jù)實(shí)際情況做出正確選擇。其次是EBEE無人機(jī)組合的優(yōu)勢。EBEE RTK的軟件系統(tǒng)中，已經(jīng)對地面精度參數(shù)進(jìn)行了合理設(shè)置，以7.6 cm/PixeL為準(zhǔn)。這個(gè)參數(shù)的設(shè)置，能夠確保無人機(jī)獲取高質(zhì)量的影像圖，并且重疊率為72%，這一數(shù)據(jù)足以滿足湖南地區(qū)的國土調(diào)查要求，同時(shí)也能夠?qū)o人機(jī)飛行時(shí)間盡可能控制在電池的安全使用范圍之內(nèi)。而多架EBEE無人機(jī)進(jìn)行協(xié)同合作時(shí)，可實(shí)現(xiàn)空中自動避讓，同時(shí)記錄無人機(jī)的飛行軌跡等參數(shù)。在對湖南國土調(diào)查中，外業(yè)組同樣采用了這一方法，多架無人機(jī)同時(shí)起飛，極大地減少了外業(yè)組的工作量。

4 土地利用信息提取

4.1 技術(shù)要求

采取實(shí)事求是的原則，使調(diào)查數(shù)據(jù)、圖件與實(shí)地保持一致。國土調(diào)查中嚴(yán)格執(zhí)行無人機(jī)遙感技術(shù)的相關(guān)規(guī)定，在以往土地調(diào)查成果的基礎(chǔ)上，運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)，最終完成底圖制作、實(shí)地調(diào)繪、信息數(shù)據(jù)匯總等，實(shí)現(xiàn)國土調(diào)查成果的準(zhǔn)確、規(guī)范性。

4.2 技術(shù)方法

嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，運(yùn)用已有資料、遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)等等，國土調(diào)查方法采用內(nèi)業(yè)解釋和外業(yè)調(diào)繪的實(shí)際情況相結(jié)合方式，形成數(shù)據(jù)處理與調(diào)查流程集于一體的技術(shù)流程，獲取并統(tǒng)計(jì)湖南省區(qū)域內(nèi)的土地利用現(xiàn)狀與權(quán)屬的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。在熟悉影像后，能夠?qū)琳{(diào)查區(qū)內(nèi)地物影像圖上與各類農(nóng)作物等相對應(yīng)的色彩、形狀和紋理等不同類型的特點(diǎn)，進(jìn)行正確識別并加以判讀，利用信息系統(tǒng)軟件開展信息處理。外業(yè)調(diào)查，主要是針對影像上識別土地類別不夠明確的，協(xié)同有關(guān)人員到現(xiàn)場實(shí)地考察，核實(shí)正確的土地信息。國土調(diào)查區(qū)內(nèi)重點(diǎn)水工建筑物的調(diào)查內(nèi)容包括建筑物的種類、具體位置以及數(shù)量等多方面的信息。對國土調(diào)查區(qū)內(nèi)的各級、各類面積統(tǒng)計(jì)前，事先進(jìn)行拓?fù)錂z查，確認(rèn)無誤后，再進(jìn)行圖斑面積計(jì)算和面積統(tǒng)計(jì)匯總。

5 結(jié)語

通過以湖南國土調(diào)查為例，將無人機(jī)遙感技術(shù)運(yùn)用到第三次國土調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，無人機(jī)遙感影像所獲資料數(shù)據(jù)完整、色彩清晰，便于后期工作人員進(jìn)行人工解譯和影像技術(shù)處理，能夠滿足未來國土調(diào)查需求。