無人機(jī)航空攝影測量在土地整治項目中的應(yīng)用
——以唐山市豐潤區(qū)劉家營鄉(xiāng)土地整治項目為例

于立民

（河北省地礦局第二地質(zhì)大隊，河北 唐山 063000）

無人機(jī)航空攝影測量在土地整治項目中的應(yīng)用
——以唐山市豐潤區(qū)劉家營鄉(xiāng)土地整治項目為例

于立民

（河北省地礦局第二地質(zhì)大隊，河北 唐山 063000）

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，土地供需矛盾日益激化，土地整治項目作為補(bǔ)充耕地的重要手段，對緩解人地矛盾，實(shí)現(xiàn)耕地占補(bǔ)平衡發(fā)揮著重要作用。野外數(shù)據(jù)采集作為土地整治項目的基礎(chǔ)，測量數(shù)據(jù)的精度和采集速度等都不同程度的影響項目規(guī)劃設(shè)計的質(zhì)量，無人機(jī)航空攝影測量作為一種新的測量手段，具有傳統(tǒng)測量所不具備的很多優(yōu)勢，本文通過實(shí)證研究，具體闡述無人機(jī)航空攝影測量在土地整治項目工作當(dāng)中的諸多優(yōu)點(diǎn)，以后其他類似項目的開展具有一定的借鑒意義。

無人機(jī)；航空攝影；TRIMBLE UAS；土地整治

1、引言

近年來，隨著社會人口的不斷增加和經(jīng)濟(jì)發(fā)展步伐的不斷加快，人地矛盾日益尖銳。土地整治項目已成為協(xié)調(diào)人地關(guān)系、實(shí)現(xiàn)耕地保護(hù)、促進(jìn)土地合理利用,同時改善農(nóng)村生產(chǎn)條件、加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境建設(shè)和促進(jìn)農(nóng)業(yè)、農(nóng)民增收的重要措施[1]。本文以唐山市豐潤區(qū)劉家營鄉(xiāng)鐵城坎村、小營村土地整治項目為例，通過利用TRIMBLE UAS系統(tǒng)對項目區(qū)野外地形數(shù)據(jù)進(jìn)行測繪，并用采集的野外數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，對無人機(jī)航空測量在土地整治項目應(yīng)用進(jìn)行探索。

2、國內(nèi)外研究進(jìn)展

目前，國內(nèi)已經(jīng)有多家研究機(jī)構(gòu)從事基于無人機(jī)平臺的民用遙感技術(shù)研究，并有部分實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。國內(nèi)無人機(jī)航空攝影測量正處于高速發(fā)展時期，國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的諸多方面如新農(nóng)村建設(shè)規(guī)劃、城鎮(zhèn)信息化、城鄉(xiāng)土地利用動態(tài)監(jiān)管、大比例尺地形圖修測、工程場地評價、電力交通選線、森林動態(tài)監(jiān)測、水利工程前期規(guī)劃設(shè)計、地質(zhì)礦產(chǎn)勘測定位、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、文物保護(hù)、旅游風(fēng)景區(qū)建設(shè)管理、突發(fā)性災(zāi)害應(yīng)急等都有著巨大的應(yīng)用需求。而相關(guān)軟件的開發(fā)顯然還落后于無人機(jī)硬件系統(tǒng)和行業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中仍存在著的大量手工作業(yè)，在很大程度上限制了無人機(jī)遙感應(yīng)用的開展。

最近小型無人機(jī)也是國內(nèi)的一個研究熱點(diǎn)，到目前為止，我國已公開亮相的小型無人機(jī)就有十多種，如在“2011北京國際指揮調(diào)度暨軍民結(jié)合技術(shù)裝備展覽會”上亮相的“瞭望者”小型無人機(jī)，該機(jī)以燃燒乙醇為動力，活動半徑30公里，航程150公里，升限3.5公里，可搭載攝像機(jī)、熱像儀、航拍相機(jī)、通訊中繼機(jī)等設(shè)備，可執(zhí)行遙感測繪、區(qū)域監(jiān)控、搶險救災(zāi)、航拍等任務(wù)；“蜂王-8”小型無人機(jī)是國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制的蜂王無人機(jī)系列之一，該機(jī)全長2m，翼展2.7m，重量僅6kg，可通過母機(jī)投放飛行，飛行升限3000m，飛行速度40km/ h～79km/h，超過60min的巡航時間，在軍事偵查方面具有廣泛的應(yīng)用前景。但是，國內(nèi)小型無人機(jī)的研究發(fā)展同發(fā)達(dá)國家相比仍有較大差距，在無人機(jī)總體設(shè)計、飛行控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信鏈路、傳感器技術(shù)等諸多領(lǐng)域還需要技術(shù)上的突破。[1]

無人機(jī)低空遙感技術(shù)作為航空遙感中的一支新生力量，剛剛從軍用領(lǐng)域擴(kuò)展到民用產(chǎn)業(yè)，是一種新型的低空高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)快速獲取系統(tǒng)，具有高機(jī)動性、低成本、小型化、專用化、快速、實(shí)時對地觀測眾多的優(yōu)點(diǎn)，可彌補(bǔ)衛(wèi)星遙感受氣候條件影響大、影像獲取周期長、影像分辨率不夠等弊端，有望進(jìn)一步拓展應(yīng)用到土地綜合整治項目的各個環(huán)節(jié)[2,3,4]。

國外方面，由無人機(jī)低空遙感平臺獲取的高分辨率影像被用于黃石國家公園溫泉區(qū)域的成圖；迷你型的無人機(jī)平臺攝影測量系統(tǒng)被用于獲取秘魯alpa地區(qū)附近的航空遙感影像，該工程的實(shí)施表明無人機(jī)低空遙感在文化遺產(chǎn)調(diào)查和保護(hù)方面與傳統(tǒng)方法相比具有明顯優(yōu)勢；Szendro的消防部門利用無人機(jī)火災(zāi)檢測系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)次火災(zāi)檢測，在無人機(jī)遙感技術(shù)的協(xié)助下，大大降低了風(fēng)險和提高了消防安全；也有文獻(xiàn)報道了無人機(jī)遙感技術(shù)應(yīng)用于植被檢測、農(nóng)牧場管理等方面的研究；最近美軍利用無人機(jī)對日本受地震重創(chuàng)的福島第一核電站的基礎(chǔ)設(shè)施和核泄漏情況進(jìn)行了監(jiān)測。

3、無人機(jī)航測的特點(diǎn)

無人機(jī)是一種以無線電遙控或由自身程序控制為主的不載人飛機(jī)，無人機(jī)航空攝影與傳統(tǒng)航空攝影手段相比，最大的特點(diǎn)是飛得低"飛得慢"精度高靈活方便，如無人機(jī)在距離地面200m的高空以每小時20km的速度飛行，拍攝的影像可以將地震災(zāi)區(qū)房屋倒塌損毀情況，甚至墻面細(xì)小的裂縫都能看得非常清楚！而衛(wèi)星遙感和常規(guī)航攝技術(shù)由于周期長“費(fèi)用高，無法及時有效地滿足應(yīng)急測繪”小面積高分辨率地理信息數(shù)據(jù)的需求。無人機(jī)航攝技術(shù)的發(fā)展彌補(bǔ)了傳統(tǒng)航攝技術(shù)的不足，成為傳統(tǒng)航空攝影測量手段的有力補(bǔ)充，在小區(qū)域和飛行困難地區(qū)的高分辨率影像快速獲取方面具有明顯優(yōu)勢，特別是在小范圍"道路阻斷"能見度差的情況下，無人機(jī)能充分發(fā)揮全自動無人飛行"低空作業(yè)的高技術(shù)優(yōu)勢。[5]

無人機(jī)航空攝影測量規(guī)劃與導(dǎo)航系統(tǒng)是一個基于GPS和GIS的無人機(jī)航測遙感作業(yè)軟件。主要完成航帶規(guī)劃設(shè)計、導(dǎo)航、軌跡回放、漏拍區(qū)分析等功能。系統(tǒng)設(shè)計功能包括：在執(zhí)行航拍任務(wù)之前，按照作業(yè)需求自動完成飛行計劃的制作；在飛行過程中，實(shí)現(xiàn)拍攝作業(yè)的實(shí)時可視化操作；在飛行作業(yè)完成之后，可以在電子地圖上重現(xiàn)飛行過程、分析漏拍等。該系統(tǒng)具有高度自動化、高效率、高精度和低成本的特點(diǎn)，在應(yīng)用上具有廣闊的市場優(yōu)越性。

低空無人機(jī)航空攝影測量是繼衛(wèi)星遙感、大飛機(jī)遙感之后發(fā)展起來的一項新型航空遙感技術(shù)"它的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在如下幾個方面：無人機(jī)起降方便；效率高；無人機(jī)運(yùn)輸方便；成本低；內(nèi)業(yè)成圖快速[6]。

4、實(shí)證研究

4.1 項目概況

唐山市豐潤區(qū)劉家營鄉(xiāng)鐵城坎村、小營村土地整治項目為區(qū)占補(bǔ)平衡項目，該項目涉及劉家營鄉(xiāng)鐵城坎村、小營村集體土地2個行政村的集體土地。項目區(qū)四至：東至鐵城坎村地，西至小營村地，南至鐵城坎村地，北至鐵城坎村地。項目建設(shè)總規(guī)模13.6539hm2，新增耕地13.0338hm2，新增耕地率為95.46%。項目總投資155.7283萬元，全部為區(qū)級耕地開墾費(fèi)資金。

4.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

項目區(qū)為丘陵半山區(qū)盆地地貌，地面高程為46～87m左右，平均坡度為9.32°左右。相對于山區(qū)來說地形坡度較為平緩，但由于自然和人為因素，局部地區(qū)存在微地貌。下面分別從傳統(tǒng)外業(yè)測量和航測兩個方法介紹采集數(shù)據(jù)。根據(jù)技術(shù)規(guī)程要求，土地整治項目的勘測定界比例尺不得小于1∶10000，最好在1∶5000以內(nèi)，為了更好的滿足規(guī)劃設(shè)計要求，本項目測量數(shù)據(jù)比例尺定為1∶1000。

4.2.1 傳統(tǒng)野外數(shù)據(jù)采集

本項目采用GPS接收機(jī)進(jìn)行野外采集，坐標(biāo)系統(tǒng)采用1980西安坐標(biāo)系，3度帶，中央子午線117度00分。控制網(wǎng)布設(shè)采用唐山城市GPS控制，首級控制為唐山市國土資源局提供的C級GPS控制網(wǎng)成果LA46、LA47點(diǎn)(秘密)，加密控制為E級。

4.2.2 無人機(jī)野外數(shù)據(jù)采集

本項目根據(jù)測區(qū)范圍（DWG文件），3度分帶，中央經(jīng)線117度。依據(jù)《無人機(jī)航攝安全作業(yè)基本要求》(CH/Z 3001-2010)、《無人機(jī)航攝系統(tǒng)技術(shù)要求》(CH/Z 3002-2010)等行業(yè)規(guī)范的要求，本次航攝技術(shù)路線如下：

a）航空攝影：本次航攝資料利用無人機(jī)搭載高分辨率數(shù)碼相機(jī)拍攝。b）空中三角測量：量測、計算采用全數(shù)字?jǐn)z影測量工作站進(jìn)行匹配、量測，用光束法平差軟件進(jìn)行空三計算。c）正射影像圖（D0M）利用專業(yè)軟件進(jìn)行微分糾正，勻光、鑲嵌生成圖幅D0M。

4.3 數(shù)據(jù)對比分析

根據(jù)兩種不同方法采集的野外數(shù)據(jù)，由于工作技術(shù)路線不同，采用的技術(shù)手段存在較大差異，對比分析結(jié)果如下：

a、工作效率對比

通過上表數(shù)據(jù)顯示：本項目傳統(tǒng)野外測量需要12天的時間，而采用無人機(jī)低空航攝技術(shù)則只需要大概6天的時間，工作量大大減少，從利益最大化的角度出發(fā)，采用無人機(jī)低空航攝技術(shù)更符合市場規(guī)律。

b、數(shù)據(jù)質(zhì)量對比

根據(jù)航攝技術(shù)路線要求，最終形成成果規(guī)格為：正射影像圖地面分辨率為1∶500比例尺，成圖航片地面平均分辨率為0.05m；采用相機(jī)焦距：0.035mm，像素大小：4.88um；和傳統(tǒng)外業(yè)采集數(shù)據(jù)相比，同樣能夠達(dá)到土地整治項目的設(shè)計要求。

4.4 在整治項目竣工驗收和動態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用

作為現(xiàn)代化的測繪手段，和傳統(tǒng)的測繪手段相比，具有“三高一低”（高機(jī)動性、高分辨率、高度集成、低成本）的特點(diǎn)， 為以后土地整治項目竣工驗收和動態(tài)監(jiān)測提供了強(qiáng)有力地技術(shù)手段。

通過無人機(jī)航測可以在較短的時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對項目區(qū)竣工情況的數(shù)據(jù)收集，能為整治項目前后提供對比分析，更加直觀的反應(yīng)工程的施工情況，為國土部門驗收提供了更為全面的數(shù)據(jù)支撐。

無人機(jī)航空遙感在區(qū)域土地利用動態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用是一個全新的領(lǐng)域，它完全突破了以往傳統(tǒng)方式的束縛，具有很多優(yōu)勢，為各地區(qū)土地整治項目以及國土執(zhí)法監(jiān)察等領(lǐng)域提供了更好的技術(shù)手段，為今后的土地整治項目后期管護(hù)、監(jiān)測提供了較大便利。

5、小結(jié)

本文通過查閱資料法和對比分析法等方法，并結(jié)合具體項目實(shí)例，具體闡述無人機(jī)航空攝影測量在土地整治項目工作當(dāng)中的諸多優(yōu)點(diǎn)，在土地整治項目實(shí)施的各個階段，無人機(jī)航空攝影測量都能發(fā)揮較大的優(yōu)勢，為今后土地整治項目工作具有很好的借鑒作用。

[1]Bill Vaglienti,Ross Hoag,Tyler Miller. Piccolo Aircraft Intergration Guidelines [EB/0L]. www.uavautopilots.com.REV1.1 Update February 2004.

[2]孟憲素,李少帥.遙感技術(shù)在土地綜合整治復(fù)墾開發(fā)項目監(jiān)管工作中的應(yīng)用實(shí)踐[J].資源與產(chǎn)業(yè)，2009.4,11（2）:66-70.

[3]高世昌,王長江.中國土地開發(fā)整理監(jiān)管工作回顧與展望[J].資源與產(chǎn)業(yè), 2009.8,11(4):51-54.

[4]劉曉麗,王丹.3S 技術(shù)在土地開發(fā)整理項目監(jiān)管中的應(yīng)用[J]. 吉林農(nóng)業(yè),2010,(11):147-148.

[5]任向紅,《微型無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)在寧夏土地整治中的應(yīng)用》[J]測繪與空間地理信息. 2013.36(9):168-169.

[6]邵金強(qiáng),羅斐,張磊.無人機(jī)航測技術(shù)及其在土地整治項目中的應(yīng)用探討[J].科技視界,2010:405.