林垚君,馬燦達(dá),蘇秋群
(廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)科技信息研究所,廣西 南寧 530007)
為了全面提升土地資源利用效率,釋放土地經(jīng)營潛力,推進(jìn)農(nóng)村土地確權(quán)工作刻不容緩。原始的土地權(quán)屬調(diào)查方法主要是野外實(shí)地測量,不僅工作量大、時間周期長、資金投入大,而且對人身安全也會產(chǎn)生一定的影響;利用衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行土地權(quán)屬調(diào)查雖然安全,但是分辨率往往達(dá)不到作業(yè)要求。
隨著測繪新技術(shù)、新方法、新工藝的發(fā)展,無人機(jī)航測技術(shù)是當(dāng)前測圖生產(chǎn)的最主要方法。無人機(jī)航測技術(shù)是通過無人機(jī)搭載多種遙感設(shè)備,如高分辨CCD數(shù)碼相機(jī)、激光掃描儀、輕型光學(xué)相機(jī)等獲取信息,并通過相應(yīng)的軟件對所獲取的圖像信息進(jìn)行處理,按照一定精度要求制作成圖像的一種技術(shù)手段[1]。2008年開始,國家陸續(xù)制定出臺了數(shù)字航空攝影測量相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,基于無人機(jī)航測的數(shù)字測量方法被廣泛應(yīng)用于測繪和調(diào)查工作,如在國家基本比例尺地圖測繪、農(nóng)村土地承包經(jīng)營權(quán)調(diào)查、農(nóng)村不動產(chǎn)權(quán)登記、自然資源統(tǒng)一確權(quán)登記、自然災(zāi)害評估、城市規(guī)劃、農(nóng)作物生產(chǎn)監(jiān)測等各方面都有著廣泛的應(yīng)用。
第一臺無人機(jī)誕生于1917 年,此后幾十年里主要應(yīng)用于軍事作戰(zhàn)[2],直到20 世紀(jì)80 年代民用無人機(jī)才剛剛面世。民用無人機(jī)的產(chǎn)生,在不同領(lǐng)域都呈現(xiàn)爆發(fā)式的趨勢。“十二五”規(guī)劃中指出要加強(qiáng)航天運(yùn)輸系統(tǒng)、應(yīng)用衛(wèi)星系統(tǒng)、地面與應(yīng)用天地一體化系統(tǒng)建設(shè);“十三五”規(guī)劃提出要推進(jìn)民用飛機(jī)產(chǎn)業(yè)化;《全國基礎(chǔ)測繪中長期規(guī)劃綱要(2015—2030 年)》指出要加快推進(jìn)新型基礎(chǔ)測繪體系建設(shè),不斷提升基礎(chǔ)測繪保障服務(wù)能力和水平;2016 年,國家發(fā)展改革委、國家測繪地信局印發(fā)的《測繪地理信息事業(yè)“十三五”規(guī)劃》中明確要“構(gòu)建新型基礎(chǔ)測繪、地理國情監(jiān)測、應(yīng)急測繪、航空航天遙感測繪、全球地理信息資源開發(fā)等協(xié)同發(fā)展的公益性保障服務(wù)體系”;2019 年印發(fā)的《自然資源部信息化建設(shè)總體方案》提出要“推進(jìn)三維實(shí)景數(shù)據(jù)庫建設(shè)”。2020 年全國國土測繪工作會議中提出新時期測繪工作“兩服務(wù)、兩支撐”的根本定位,明確要求大力推動新型基礎(chǔ)測繪體系建設(shè),構(gòu)建實(shí)景三維中國。2021 年全國自然資源工作電視電話會議要求“加快建設(shè)實(shí)景三維中國、自然資源一張底圖”。近年來,科技強(qiáng)國、鄉(xiāng)村振興、“五位一體”總體布局以及“碳達(dá)峰”“碳中和”戰(zhàn)略的實(shí)施更是讓民用無人機(jī)發(fā)展實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍,而無人機(jī)在測繪方面的發(fā)展也取得了巨大的成就。
胡立等[3]利用無人機(jī)航測技術(shù)進(jìn)行丹江口庫區(qū)地形測量,不僅算出丹江口水庫的真實(shí)庫容,還大大提高了工作效率。廣州市第三次全國國土調(diào)查通過最新的無人機(jī)正射影像與不同年份的衛(wèi)星影像作對比[4],自動提取變化的圖斑,并結(jié)合外業(yè)舉證分析,得出了土地利用現(xiàn)狀,為國土規(guī)劃的編制提供了精準(zhǔn)的基礎(chǔ)底圖數(shù)據(jù)。李萌等[5]以陜西3 個試點(diǎn)區(qū)域土地確權(quán)為例,將數(shù)字正射影像進(jìn)行空三加密限制誤差的分析,將結(jié)果與傳統(tǒng)的土地確權(quán)精度相比較,得出無人機(jī)在土地確權(quán)方面具有較大的可行性和實(shí)用性。
本文以無人機(jī)航測技術(shù)應(yīng)用于廣西某農(nóng)場土地確權(quán)的項(xiàng)目為例,對從無人機(jī)數(shù)據(jù)采集、高分辨率影像底圖生產(chǎn)到如何進(jìn)行確權(quán)的整個過程進(jìn)行較為詳細(xì)的闡述,并隨機(jī)抽取一部分成果與實(shí)地調(diào)查進(jìn)行驗(yàn)證分析,結(jié)果表明,無人機(jī)航測技術(shù)可以用于大比例尺的測繪成圖,能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。但其中存在的不足也同樣不容忽視,了解無人機(jī)航測技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn),是推動其實(shí)現(xiàn)長足發(fā)展的根本前提。
該農(nóng)場位于廣西壯族自治區(qū)中部,地形平坦,氣候適宜,雨量充沛,屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),以甘蔗種植為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè),發(fā)展小規(guī)模的柑橘、水稻種植。由于歷史原因,企業(yè)體制機(jī)制和運(yùn)營管理不嚴(yán)格、不規(guī)范,一直以粗放的方式進(jìn)行土地經(jīng)營管理,存在經(jīng)營范圍邊界不清、領(lǐng)導(dǎo)職工私墾亂占、擅自流轉(zhuǎn)土地以及被鄰村村民侵占土地等情況。這些問題的存在,既浪費(fèi)了土地資源,又增加了企業(yè)運(yùn)營成本。當(dāng)前,全面開展資源資產(chǎn)清查,摸清土地資源使用狀況,對促進(jìn)資源整合、優(yōu)化資源配置和處理、持續(xù)深入推進(jìn)企業(yè)改革發(fā)展具有重要意義。
本項(xiàng)目采用0.1 m 空間分辨率的航空正射影像為底圖;影像成果平面坐標(biāo)采用2000 國家大地坐標(biāo)系(CGCS2000);高程基準(zhǔn)采用1985 國家高程基準(zhǔn),正常高系統(tǒng);投影方式采用高斯-克呂格投影,1.5°分帶,確有必要時可按3°分帶。經(jīng)過內(nèi)業(yè)遙感影像解譯、外業(yè)指界調(diào)查,理清土地權(quán)屬關(guān)系,查清土地利用現(xiàn)狀,核清辦公住宅用地、職工承包經(jīng)營土地等10 大類土地經(jīng)營管理現(xiàn)狀。土地確權(quán)工作流程如圖1所示。

圖1 土地確權(quán)工作流程
無人機(jī)航測技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中主要包含航飛準(zhǔn)備階段、航飛作業(yè)階段、影像數(shù)據(jù)處理和精度分析三個主要過程。
2.2.1 航飛準(zhǔn)備階段
采用無人機(jī)航測首先要根據(jù)農(nóng)場位置、地形和地貌等情況,收集測區(qū)內(nèi)的衛(wèi)星影像、地形圖等基礎(chǔ)資料,以便快速了解測區(qū)范圍,確定測區(qū)內(nèi)是否存在部隊(duì)營區(qū)、機(jī)場等需要申請和報(bào)備的情況;其次對航測作業(yè)進(jìn)行合理規(guī)劃設(shè)計(jì),明確本次航測的主要任務(wù)和內(nèi)容,精確計(jì)算測區(qū)內(nèi)的曝光點(diǎn)坐標(biāo)、航攝高度和像控點(diǎn)數(shù)量,估算像控布設(shè)、影像處理所需的工期和人員、設(shè)備等的投入。無人機(jī)起飛前,要對航攝儀器做基本檢查,提前對無人機(jī)電池、電腦、GPS 等設(shè)備進(jìn)行充電,檢查各種設(shè)備配件是否佩戴齊全。
在航攝設(shè)計(jì)時,要對整個測區(qū)進(jìn)行區(qū)域劃分,保證各個測區(qū)之間無縫銜接,避免出現(xiàn)漏飛的情況。航向重疊度一般設(shè)定為70%~80%,保證測區(qū)地面最高點(diǎn)的航向重疊度不小于60%;旁向重疊度一般設(shè)定為45%~50%,保證測區(qū)地面最高點(diǎn)的旁向地面重疊度不小于30%。影像分辨率滿足1∶500、1∶1 000、1∶2 000 比例尺,地面最低點(diǎn)的分辨率不小于0.05 m、0.1 m、0.2 m。
2.2.2 航飛作業(yè)階段
在進(jìn)行無人機(jī)航測的過程中,應(yīng)選擇光照強(qiáng)度較好的晴朗天氣中10 點(diǎn)至16 點(diǎn)這個時間段進(jìn)行作業(yè),航飛過程需要時刻關(guān)注無人機(jī)的飛行狀態(tài),拍攝得到的像片控制點(diǎn)的目標(biāo)影像要清晰,防止出現(xiàn)衛(wèi)星信號失聯(lián)現(xiàn)象。飛行時應(yīng)選擇遠(yuǎn)離高層建筑、電線桿以及水域等區(qū)域?yàn)槠鸾迭c(diǎn),降落可選擇直線或盤旋降落方式,在降落停穩(wěn)后靜止5 min~10 min,以保證數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性。
2.2.3 影像數(shù)據(jù)處理和精度分析
將無人機(jī)航測數(shù)據(jù)進(jìn)行下載和質(zhì)量檢查,確保各項(xiàng)數(shù)據(jù)正常、準(zhǔn)確后才能使用該數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的檢查工作主要包含了數(shù)據(jù)質(zhì)量的檢查,即檢查數(shù)據(jù)是否覆蓋整個測區(qū)、相片質(zhì)量是否符合要求等。
將滿足要求的航測數(shù)據(jù)進(jìn)行空三加密和數(shù)字正射影像制作,生產(chǎn)正射影像工作底圖時,人機(jī)搭載的數(shù)碼相機(jī)必須經(jīng)過幾何校驗(yàn),校驗(yàn)精度應(yīng)滿足主點(diǎn)坐標(biāo)中誤差不大于10 μm,主距中誤差不大于5 μm,經(jīng)過畸變差方程式及測定的系數(shù)值擬合后,殘余畸變差應(yīng)小于0.3個像素,以此完成測區(qū)應(yīng)用的地圖設(shè)計(jì)[6]。
本次作業(yè)準(zhǔn)備的硬件設(shè)備主要包括:無人機(jī)、GPS、全站儀、外業(yè)調(diào)查PAD、高性能計(jì)算機(jī)等外業(yè)工作設(shè)備。軟件設(shè)備包括:ArcGIS、AutoCAD、Photoshop、CC(Context Capture)、Map Matrix、inpho等常用軟件。具體航攝作業(yè)流程如圖2所示。

圖2 航攝作業(yè)流程
2.3.1 土地權(quán)屬
在我國,所有權(quán)和使用權(quán)是土地權(quán)屬的兩種方式,土地權(quán)屬調(diào)查主要是對某塊土地的權(quán)利人、面積、界址、四至、坐落、界線等相關(guān)信息,進(jìn)行所有權(quán)、使用權(quán)或經(jīng)營權(quán)狀況調(diào)查[7]。本項(xiàng)目土地權(quán)屬范圍確定主要是依據(jù)現(xiàn)有的土地權(quán)屬成果或權(quán)屬證明材料繪制權(quán)屬界線。已發(fā)證的直接根據(jù)發(fā)證界址點(diǎn)繪制發(fā)證邊界,并錄入權(quán)屬證號、坐落、面積等信息。未發(fā)證的根據(jù)歷史權(quán)屬來源證明材料的坐標(biāo)信息繪制邊界,并錄入相關(guān)信息。
2.3.2 土地經(jīng)營管理
本項(xiàng)目中的土地經(jīng)營管理主要是公民對農(nóng)場土地的承包經(jīng)營,其權(quán)利內(nèi)容由合同約定。包括辦公住宅用地、職工承包經(jīng)營土地、對外租賃土地、自主農(nóng)業(yè)開發(fā)用地、自主二三產(chǎn)業(yè)開發(fā)用地、對外合作項(xiàng)目用地、閑置建設(shè)用地、被侵占土地、被回收土地、其他土地共10種類型。
土地經(jīng)營管理范圍的確定是以現(xiàn)有的土地經(jīng)營合同、承包及租賃費(fèi)用收繳財(cái)務(wù)報(bào)表,以土地流轉(zhuǎn)等管理臺賬等為基礎(chǔ),以高精度的遙感影像為底圖,土地使用人或委托指界人依次在高精度底圖上指認(rèn)地塊四至范圍,在現(xiàn)場進(jìn)行土地經(jīng)營范圍的繪制,并結(jié)合外業(yè)指界分類核查經(jīng)營管理登記信息和經(jīng)營管理現(xiàn)狀。對于有邊界爭議的承包地塊,應(yīng)解決爭議后再進(jìn)行調(diào)查,當(dāng)調(diào)查現(xiàn)場不能處理時,應(yīng)記錄爭議情況,對無法調(diào)查的區(qū)域,標(biāo)注“爭議區(qū)域”。
2.3.3 土地利用現(xiàn)狀
土地利用是指在權(quán)屬界線內(nèi)的各類用地面積、分布和利用狀況。查清并掌握土地資源現(xiàn)狀和變化[8],對緩解土地資源緊張,科學(xué)合理使用土地資源,促進(jìn)農(nóng)場經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義和現(xiàn)實(shí)價值。本項(xiàng)目基于正射影像底圖,依據(jù)三調(diào)的土地利用分類標(biāo)準(zhǔn)如耕地、林地、園地、草地、商服用地等進(jìn)行細(xì)化,再逐地塊進(jìn)行邊界判讀,并錄入地類代碼、地類名稱、種植作物類型等相關(guān)信息,如無法判讀的地塊要進(jìn)行外業(yè)舉證調(diào)查。
普通的遙感影像從衛(wèi)星拍攝到成果交付使用往往需要幾個月甚至一年的時間,這就導(dǎo)致了時效性達(dá)不到作業(yè)要求,而無人機(jī)可以在某一天的某個時段進(jìn)行作業(yè),尤其在小范圍測區(qū)優(yōu)勢更明顯[9]。無人機(jī)航空攝影受地理環(huán)境和氣候因素影響較小,一天可以飛行多次,有效的拍攝時間較長,工作效率高。并且在進(jìn)行土地確權(quán)工作時能夠?qū)y繪工作中發(fā)現(xiàn)的問題及時反饋給相關(guān)工作人員,以便能夠進(jìn)行快速更改,生成被檢區(qū)域清晰、詳細(xì)的影像資料和各種基礎(chǔ)數(shù)據(jù),大大提高了項(xiàng)目總體效率[10]。
無人機(jī)起飛條件簡單,對起飛場地沒有太大的要求,在空地、草地等多種地理環(huán)境中均能實(shí)現(xiàn)快速起飛,可進(jìn)行彈射起飛,通過降落傘及滑行方式落回指定地面,實(shí)時獲取準(zhǔn)確的遙感影像資料,制作的調(diào)查底圖數(shù)據(jù)時效性強(qiáng)、準(zhǔn)確度高。同時,無人機(jī)可以拆卸裝箱,攜帶比較方便,可迅速到達(dá)測區(qū)[7]。而采用傳統(tǒng)方法在地形復(fù)雜的區(qū)域進(jìn)行土地確權(quán)工作,往往需要消耗更多的財(cái)力、物力,并且某些區(qū)域人工難以到達(dá)測量。
傳統(tǒng)的衛(wèi)星影像如哨兵、Landsat、WorldView、高分系列等等,雖然光譜分辨率高,衛(wèi)片上地物及植被色彩豐富,但是空間分辨率低,不論是計(jì)算機(jī)自動分類、人工解譯還是現(xiàn)地對照勾繪都易造成地類分類上的錯誤[11]。而且極易受云、雨、雪、沙塵、霧霾的干擾,在天氣惡劣的情況下衛(wèi)星影像質(zhì)量會受到負(fù)面影響。
而無人機(jī)可以進(jìn)行超低空飛行,飛行高度可小于100 m,且攜帶的數(shù)碼設(shè)備覆蓋范圍廣,可搭載普通相機(jī)實(shí)現(xiàn)垂直成像,搭載兩鏡頭或五鏡頭傾斜相機(jī)實(shí)現(xiàn)傾斜成像,獲得的影像分辨率可達(dá)亞米級的精度,可制作高分辨率數(shù)字正射影像(DOM)[7],能清晰有效識別道路、溝渠、田埂等地物以準(zhǔn)確判讀地塊邊界。
本項(xiàng)目在抽樣質(zhì)檢中,按土地權(quán)屬30%、土地經(jīng)營管理20%和土地利用20%的比例,隨機(jī)抽查了10 403個地塊圖斑進(jìn)行實(shí)地核查,其中錯誤地塊圖斑140個,正確率達(dá)98.65%,完全符合作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
與傳統(tǒng)的測繪技術(shù)相比,無人機(jī)航測的應(yīng)用具有相對較低的投入成本和較高的安全系數(shù)。無人機(jī)體型較小、結(jié)構(gòu)簡單,可靈活拆裝,攜帶方便,一定程度上降低了運(yùn)輸成本,其操作簡單、靈活性強(qiáng)的特點(diǎn),可以減少作業(yè)人員,縮短作業(yè)周期,較大程度上降低了實(shí)施成本。
同時,在控制飛行的基礎(chǔ)上,操作人員可以提前設(shè)計(jì)飛行路線,避免飛行過程中發(fā)生意外。飛行過程中,還可以很好地進(jìn)行故障處理和診斷,顯示故障,并在發(fā)生故障時自動返航,確保其運(yùn)行安全。在某些對人的生命安全有危害的環(huán)境下(如森林火災(zāi)、火山噴發(fā)、有毒氣體、地震等)能夠直接獲取影像,即便設(shè)備出現(xiàn)故障,發(fā)生墜機(jī)等情況也不會造成人身傷害。有效避免了人員傷亡的危險(xiǎn),具有較強(qiáng)的安全性和廣闊的適用范圍。
目前一般低空無人機(jī)續(xù)航時間只有短短的幾十分鐘,這其實(shí)是一個綜合考慮了續(xù)航、成本、便攜性、實(shí)用性、穩(wěn)定性的結(jié)果。一方面,電池容量、電壓、放電電流大小是影響無人機(jī)續(xù)航時間長短的主要因素。受到鋰電池原材料性能和電池技術(shù)的限制,如果因?yàn)榧夹g(shù)升級成本較高,可實(shí)現(xiàn)性較難,而增加無人機(jī)的電池?cái)?shù)量或重量,這會導(dǎo)致機(jī)身重量增加,同時無人機(jī)的功耗也隨之增加。另一方面,現(xiàn)在的無人機(jī)普遍采用的是四軸旋翼的設(shè)計(jì),在向前飛行時是依靠尾部兩個旋翼提高轉(zhuǎn)速增大升力使無人機(jī)能向前運(yùn)動,當(dāng)無人機(jī)整體向前傾時,增大了空氣阻力從而導(dǎo)致消耗更多的電能。除了自身因素以外,外部環(huán)境因素和一些可變因素也會影響無人機(jī)的續(xù)航能力,比如飛行速度和高度、大氣溫度和濕度、飛行中機(jī)動動作以及風(fēng)力環(huán)境等等。對于大面積的測區(qū),只能進(jìn)行多次更換電池反復(fù)作業(yè),這無疑增加了工作時間,降低了工作效率。
像控點(diǎn)是攝影測量控制加密和測圖的基礎(chǔ),像控點(diǎn)目標(biāo)選擇的好壞和知識點(diǎn)位的準(zhǔn)確度,直接影響測量結(jié)果的精度[12]。雖然無人機(jī)可以靈活拍攝,但是野外像控點(diǎn)的布設(shè)仍然是個難題。
常規(guī)的要求是平面點(diǎn)位應(yīng)在影像清晰的面點(diǎn)位選取。高程點(diǎn)位的選取應(yīng)在局部高程變化小且點(diǎn)位周圍相對平坦的地區(qū)進(jìn)行[13]。平高控制點(diǎn)的點(diǎn)位目標(biāo)應(yīng)同時滿足平面和高程控制點(diǎn)對點(diǎn)位目標(biāo)的要求。像控點(diǎn)在相鄰像片上均清晰可見,并選擇最清晰的一張作為主刺片。但在實(shí)際測量工作中,由于一些測量人員的業(yè)務(wù)知識不扎實(shí),在進(jìn)行野外對測區(qū)像控刺點(diǎn)的測量時,沒有注意到平面點(diǎn)位、高程點(diǎn)位、平高控制點(diǎn)位的選取應(yīng)滿足哪些要求,導(dǎo)致測量出來的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確,無法滿足工作要求。
此外,野外作業(yè)地區(qū)一般地形比較復(fù)雜,工作時還可能要穿越河流、山谷、沼澤地等等,且有時準(zhǔn)備工作不充分,如設(shè)備電量不足、物資不足等,都會給野外測量工作者帶來極大的安全隱患。
除了保證像控點(diǎn)布設(shè)合理外,還要通過GPS 進(jìn)行定位[9]。但是在實(shí)際應(yīng)用的時候,GPS 信號容易受到環(huán)境的干擾,如飛行器上方有遮擋,或飛行器周圍環(huán)境有強(qiáng)磁場或金屬物體、高壓電塔等,會造成GPS信號弱或信號丟失,從而給野外測區(qū)像控刺點(diǎn)布設(shè)工作帶來了困難。
植被覆蓋程度和植物生長過程往往影響地塊邊界的判讀,在作業(yè)中,由于該農(nóng)場主要是種植甘蔗、柑橘等經(jīng)濟(jì)作物,此類植物的枝葉較大,茂密的枝葉會完全覆蓋地塊的邊界,導(dǎo)致地塊邊界的判讀不夠準(zhǔn)確,造成一定的模糊和糾紛,只能跟農(nóng)戶面對面溝通交流,反復(fù)修改,甚至要多次到實(shí)地進(jìn)行查看才能得出結(jié)果。
土地確權(quán)是一項(xiàng)繁瑣和復(fù)雜的工作,涉及多方利益,在考慮不充分的情況下容易引發(fā)糾紛,產(chǎn)生不良后果,因此需要多方協(xié)調(diào)、仔細(xì)溝通、及時修改才能得出最終的結(jié)果。但由于青壯年的外出,村里只剩下老人和小孩,對于無人機(jī)航測技術(shù)較為陌生,他們認(rèn)為基礎(chǔ)的皮尺丈量、手持GPS 測量更準(zhǔn)確,這給土地確權(quán)工作帶來了不小的壓力,同時也說明無人機(jī)航測技術(shù)的普及工作任重而道遠(yuǎn)。
綜上所述,無人機(jī)航測技術(shù)在小測區(qū)范圍內(nèi)能夠精準(zhǔn)調(diào)查土地資源承包不清、空間位置不清、面積不準(zhǔn)、四至不明等問題,大大縮短項(xiàng)目周期并減少資源消耗,但還存在很多不可抗力的因素制約著無人機(jī)航測技術(shù)的發(fā)展,科技人員應(yīng)該加大對該項(xiàng)技術(shù)的研究力度,以便更好地推進(jìn)無人機(jī)航測技術(shù)在我國測繪行業(yè)中的廣泛應(yīng)用。