無人機技術在生態保護紅線勘界定標及監管中的應用研究

周智勇，高林營

(1.重慶市勘測院，重慶 401121； 2.自然資源部智能城市時空信息與裝備工程技術創新中心，重慶 401121)

1 引 言

生態保護紅線是指在生態空間范圍內具有特殊重要生態功能、必須強制性嚴格保護的區域，是保障和維護國家生態安全的底線和生命線。科學布局生產空間、生活空間、生態空間，是推進生態文明建設，實現高質量發展和高品質生活的重要保障。生態保護紅線勘界定標工作是進一步解決重疊設置、多頭管理、邊界不清、權責不明、保護和發展矛盾突出等問題，以精準落地、有序銜接、簡單易行為原則，在重要地段、重要拐點等關鍵控制點設立界樁，在醒目位置豎立統一規范的標識牌，科學勘定生態保護紅線界線，確保生態保護紅線邊界傾斜，確保生態紅線精準落地，為生態保護紅線長效管理奠定基礎[1～5]。

生態保護紅線一般位于山高林密、人跡罕至等區域，生態紅線邊界處地形地貌錯綜復雜，給勘界定標工作和紅線監管造成了一定的困擾，無人機具有操作簡單、反應速度快、飛行靈敏、成本低、攜帶方便等特點，已被廣泛應用于抗震救災、防汛、軍事偵察、海上勘測、交通監管等領域。本文將無人機全景技術、快速拼接技術、圖傳技術應用在勘界定標工作及紅線監控的工作中，實現了無人機技術全流程支撐紅線勘界定標及監管工作，有效地提升了勘界定標的工作效率和科學性，逐步建立“圖上管理”到“實地管理”再到“常態化監管”的工作體系。

2 總體技術路線

生態保護紅線勘界定標工作技術流程主要包括：工作準備、內業校核及標注、現場勘界、打樁立標、成果檢查與匯總入庫等。本文分別研究了無人機全景、快速拼接、圖傳等技術在點位預標注、紅線校核、紅線監管中的應用，其中在界樁、標識牌點位選取過程中，利用無人機全景技術，獲取界樁、標識牌點位處全方位影像數據，經數據處理，獲取界樁及標識牌點位附近的全景照片，輔助點位選取；在紅線邊界現場校核時，利用輕小型無人機搭載相機，獲取紅線邊界兩側影像，快速生成DOM與實景三維模型，輔助紅線校核；在紅線監管時，基于無人機圖傳技術，實現紅線常態化巡查及監控，支撐生態保護紅線的常態化管理。總體技術路線如圖1所示：

圖1 總體技術路線

3 無人機支撐生態保護紅線勘界定標關鍵技術研究

3.1 無人機全景技術

界樁、標識牌的選取工作是生態保護紅線勘界定標工作重要技術環節，生態保護紅線的界樁、標識牌一般選擇重要的拐點、重點地段及具有很好的宣傳警示意義的位置，點位的選取對后續外業現場埋設及監管工作具有重要影響，傳統界線測繪一般是通過圖解法來獲取界樁及標識牌點位，不能很好顧及點位周邊環境，導致工作人員到達現場出現無法埋設的情況，也不方便后續維護和監管。無人機全景技術是一種以無人機為載體進行圖像獲取，是基于圖像進行建模和渲染的虛擬現實技術，可增強場景渲染效果和用戶交互[6～8]。本文基于無人機全景技術輔助點位選取主要技術原理如下：

(1)內業預選點位。考慮生態保護紅線的邊界走向、邊界兩側地形貌特征，內業初步預選界樁、標識牌點位。

(2)采集全景圖像。針對內業預選點位，采集預選點位對應空中360°視野范圍的圖像，獲取該視點的360°全景影像。

(3)全景圖像數據處理(圖2～圖4)。加載不同方位的全景圖像，建立各相鄰圖像的同名像點，提出冗余圖像，優化鏡頭修正參數及圖像位移，創建全景圖像。

圖2 全景數據處理技術流程

圖3 全景影像匹配

圖4 建立同名像點

(4)全景可視化及預先點位評估。基于全景可視化平臺，評估內業預選點位是否科學合理、周邊環境是否具有埋設條件，為下步現場埋設界樁、標識牌奠定基礎。

3.2 無人機快速拼接技術

在生態保護紅線現場勘界時，紅線邊界附近交通較差，無法直接進行邊界校核時，本文采用一種無控制點的無人機影像DOM快速制作的方法，利用無人機快速獲取紅線邊界兩側影像數據，快速拼接生成紅線兩側DOM，進一步建立實景三維模型，疊加生態保護紅線，基于“二維+三維”模式核實邊界附近實際地物及矛盾沖突數據。

目前無人機影像快速拼接方法主要是以基于圖像特征的拼接方法為主，基于圖像特征拼接方法中，圖像配準與圖像融合是圖像拼接最重要的兩個關鍵技術，圖像配準是無人機影像拼接過程中的核心步驟，配準精度直接影響圖像拼接的質量，基于特征點拼接速度較慢[9～13]。本文為了提升效率，選擇了一種基于無人機POS系統的圖像拼接方法，根據每一幅影像的圖像坐標所對應的大地坐標的相對位置關系是唯一確定的，通過POS數據直接定位，將圖像坐標映射成大地坐標，實現一一對應關系，通過大地坐標間的位置關系，完成影像的快速拼接，主要原理如下：

(1)坐標轉換

(1)

式中，s為x軸、y軸每個像素的物理尺寸，u0為圖像像素高度的一半，v0為圖像像素寬度的一半，f為相機焦距。

(2)

(3)

式中，(X，Y，Z)表示地面點在像空間輔助坐標系中的位置，(x，y，-f)表示像點在像空間坐標系中的位置，無人機的姿態有三種情況，φ為繞X軸旋轉的姿態角(橫滾角)，ω為繞Y軸旋轉的姿態角(俯仰角)，κ為繞Z軸旋轉的姿態角(航偏角)。上述公式(1)-(3)中完成了像平面坐標系像空間輔助坐標系的轉換，再利用共線條件方程實現像空間輔助坐標系轉換到地面坐標系的轉換。

(4)

(5)

(6)

式中，設攝影中心S與地面點A在地面攝影測量坐標系D-XtpYtpZtp中分別為XS、YS、ZS和XA、YA、ZA，a1、a2、a3、b1、b2、b3、c1、c2、c3分別為矩陣R的逆矩陣對應的各個元素。

(2)影像定向

本文只有影像和POS數據，未測定地面控制點，利用Agisoft photosacn軟件根據多視圖三維重建技術，計算照片的多姿態參數，快速進行地理定位，從而提取帶有坐標信息的三維密集匹配點云。

(3)生成DOM和實景三維模型

根據帶有坐標信息的三維密集匹配點云快速重構多邊形網格模型，三維多邊形網格模型是表示多面體形狀的頂點與多邊形的集合，并選取高質量的影像賦予mesh精細的彩色紋理，進而生成數字正射影像DOM。

3.3 無人機圖傳技術

無人機圖像傳輸系統就是將空中處于飛行狀態的無人機拍攝的實時畫面，穩定地發射給地面的無線圖傳遙控接收設備。勘界定標工作完成后，為實現紅線的常態化管理，定期巡視界樁、標識牌，監控其附近環境變化，有無人為破壞活動，真正做到嚴守生態保護紅線。

目前，無人機常用的圖傳系統主要有模擬傳輸和數字傳輸兩種方式，模擬傳輸的功耗相對較高，解析度較低，不能識別界樁、標識牌所在位置，不適用在紅線監管，無線數字傳輸技術主要有Lightbridge與WiFi技術[14，15]。其中WiFi圖像傳輸技術遵循TCP/IP協議，圖像傳輸需要發送端與接收端首先建立通訊手機制，然后傳輸數據包，每個數據必須包含完整傳輸，否則需要重新傳輸，這種基于TCP/IP協議的雙向握手機制很容易導致WiFi圖傳無法實時傳輸航拍畫面。

Lightbridge天空端和地面端分別嵌入到無人機和遙控器中，支持 2.4 GHz和 5.8 GHz雙頻切換，采用的是時分復用機制，遙控信號和圖傳信號使用相同的頻段，時域上遙控信號和圖傳信號在不同時刻傳輸，Lightbridge最遠傳輸距離可達 7 km，Lightbridge與Wi-Fi技術相比，①Lightbridge采用單向傳輸機制，不會進行多次握手連接，不會因為一個字節的丟失而重新發送數據包，因此實時性遠超WiFi技術；②Lightbridge重連速度快，當到達極限距離時，遙控終端可以出現弱信號報告，用以懸停飛機，保證了安全性，若信號質量差，一般在10秒內可以快速重連；③Lightbridge不容易受到干擾。

4 案例分析

4.1 無人機全景技術輔助界樁、標識牌點位選取

以重慶巴南南泉市級森林公園為例，該紅線位于巴南區南泉街道，首先將紅線圖斑疊加衛星影像，初步選取界樁、標識牌點位，以圖5中①和②為例，外業獲取兩個點位全景影像數據，分析結果如下：

圖5 無人機全景技術輔助界樁、標識牌點位選取

根據上述內業預選點位預無人機全景數據對比，由①號點位可知，內業選取在交通便利，利于宣傳的主干道旁，圖5(b2)可知，全景影像可以觀察點位周邊環境，從全局角度評估點位選取是否科學合理，進一步鎖定精準點位。②號點位可知，內業初選在人為活動密集，紅線走向發生變化的拐點處，但實際從圖5(c2)全景來看，該點位不具備埋設條件，此標識牌預選點位應移位處理。

4.2 無人機快速拼接技術支撐紅線校核

以墊江縣桂溪街道范圍內的一段生態保護紅線為例，長度約 3.7 km，本文利用輕小型無人機快速獲取紅線兩側影像數據，利用高精度POS數據，快速生成兩側無人機影像數據，疊加農村宅基地數據、耕地、交通、水利等矛盾沖突數據，校核生態保護紅線，結果如下：

由圖6(b)可知，紅線邊界存在與實際地物偏差的現象，壓蓋宅基地圖斑，圖6(c)中紅線邊界與道路交通要素邊界吻合精度不高，上述圖6(b)、(c)兩種情況均需要對紅線邊界進行調整，并填寫相應的生態保護紅線核查記錄表。

圖6 無人機快速拼接技術支撐紅線校核

4.3 生態保護紅線常態化監管

以重慶兩江新區照母山生態保護紅線勘界定標成果為例，界樁、標示牌埋設完成后，為實現生態保護紅線的常態化管理，本文采用大疆精靈4無人機，基于Lightbrige技術，實時傳輸現場巡視畫面，核查生態保護紅線邊界及界樁、標示牌，監控紅線邊界附近環境及界樁、標示牌是否遭到破壞，如圖7所示。

圖7 無人機快速拼接技術支撐紅線校核

5 總 結

充分把握新時期測繪地理信息工作“兩支撐，一提升”的根本定位，本文實現了無人機技術在生態保護紅線勘界定標工作中的應用，利用無人機全景技術輔助界樁、標識牌點位選取，提升了點位的科學合理性、精準性；利用無人機快速拼接技術生成紅線邊界兩側的DOM，輔助紅線邊界校核，保證了生態保護紅線的精確性，有效提升勘界工作效率；基于無人機圖傳技術，本文實現紅線常態化管理，監控界樁、標識牌埋設后狀態，真正做到嚴守生態保護紅線。結合無人機技術在勘界定標工作中的應用案例，可為后續生態保護紅線勘界定標工作全面開展提供寶貴經驗和技術積累。