無人機自然資源巡查一體化設備研究與應用

周長江,王中元,葛偉偉,李永生

(1.韶關市國土資源技術中心，廣東 韶關 512026;2.中國礦業大學環境與測繪學院，江蘇 徐州 221000)

0 引 言

我國幅員遼闊，人口眾多，非法侵占基本農田和開采礦產資源情況時有發生。對于一些特殊場合，如尋常區域難以到達(如山區、高山區、沒有路地方)、被巡查對象較隱蔽靠人工無法全面巡查時，基層自然資源執法取證往往存在困難。近年來，無人機遙感發展迅速廣泛應用于各行各業[1-3]，通過無人機開展自然資源外業巡查，可以進行拍照取證，也可以后處理生成影像與衛星影像疊加對比，提取違法信息，是一種很好輔助手段。然而，在實際工作中，無人機、巡查系統往往是兩個獨立系統，難以實現對接，這在一定程度上也影響無人機在自然資源巡查使用效率，本文通過實際生產實踐，搭建一整套軟硬件設備實現無人機與基層國土所巡查系統無縫對接。

1 系統組成模塊

整個系統由無人機、飛控系統、數據處理黑匣子、黑匣子供電模塊(車載逆變器)、數據處理、分析App等模塊構成，系統組成如圖1所示。

圖1 系統模塊構成圖

1.1 無人機模塊

主要用于在野外現場采集巡查區域原始照片和POS，實現“非接觸式”巡查，提高外業巡查效率。無人機操控應該傻瓜化，方便基層國土所人員使用，本文系統搭配時選擇使用DJI PHANTOM 4 RTK 四旋翼無人機(圖2)。

圖2 無人機模塊

該型無人機配有差分GPS模塊，在具有4G信號區域，可以基于千尋位置服務獲取到高精度CGCS 2000 坐標系或是WGS 84 坐標系下厘米級精度POS，使得最終拼接影像在不依賴地面控制點情況下能夠達到較高平面位置精度，配備有智能電池，能夠自動計算返航位置，配置有避障功能，能夠自動規避航線上障礙物，安全性高。飛控(圖3)采用自身攜帶飛控軟件，只需要設置航線相對高度、航向重疊度、旁向重疊度即可完成，操作簡單、傻瓜化。

圖3 航線規劃

1.2 數據處理黑匣子

數據處理黑匣子由硬件和軟件兩個部分構成，硬件方面應從經濟、便攜性、性能方面選購合適主機并安裝ubuntu 16.04操作系統，軟件是在硬件基礎上基于C++、python語言以及特征點提取匹配、無約束平常、點云融合等影像拼接算法[4-7]實現無人機采集多幅序列照片拼成全幅影像(圖4)，要求影像拼接精度能夠滿足日常巡查工作要求，拼接時間不宜過長，且拼接后影像格式為tif，拼接完成后對影像切片處理，采用一定瓦片地圖切片算法將tif數據進行切片處理產生tpk格式切片數據包。

圖4 影像拼接生成正射影像

1.3 數據傳輸模塊

數據傳輸Drone Map是安裝在手機端，采用java語言編程實現，主要實現與黑匣子通信，控制黑匣子內置影像處理程序運行對無人機航拍影像進行拼接，主要按鍵如表1所示。

表1 Drone Map 軟件按鈕

系統運行流程如下：首先是連接主機(黑匣子)，建立手機與黑匣子通信，然后點擊執行程序調用黑匣子影像拼接程序，在完成影像拼接后，對拼接影像進行切片并上傳到國土所用外業巡查系統中，系統這個運行流程如圖5所示。

圖5 DroneMap App工作界面和流程

1.4 車載逆變器

車載逆變器(圖6)相當于一個外接電源，主要用于給數據處理黑匣子進行供電。

圖6 車載逆變器

2 系統使用流程

(1)建立各類非法開采影像解譯標志

根據每類非法開采所呈現不同紋理特性，建立各類礦產資源非法開采影像解譯標志，例如稀土非法開采在影像上表現特征為有各類沉淀池、注液池等設施，較大型稀土開采點沉淀池往往在同一地點呈格網狀，周圍密布輸反應試劑的管道。

(2)無人機外業巡查

采用本系統型號無人機對計劃巡查區域進行航線規劃，獲取巡查區域航拍照片。

(3)影像拼接

調用Drone Map APP程序運行數據處理黑匣子中影像拼接算法對無人機采集照片進行拼接和切片處理，生成高分辨率正射影像。

(4)數據比對分析

調用Drone Map將切片后影像上傳到基層國土所外業巡查系統，通過與前時相年度衛片、無人機影像疊加分析，采用人工目視解譯方法比對[8-11]發現非法開采圖斑，通過在不同時期對同一個區域連續用無人機跟蹤拍攝提取變化區域，然后基于無人機影像上呈現出來紋理特征，例如是否存在稀土開采反應池、輸送反應試劑的注液池等判定巡查區域是否存在稀土非法開采。如圖7所示，左右2張圖片分別是2016年6月20日、2016年7月21日韶關某區域航拍影像圖，在短短一個月時間內，可以發現同一個地方有明顯的變化，稀土非法開采沉淀池已經初步形成規模。

圖7 不同時間無人機影像對比發現稀土非法開采

3 應用案例

為驗證該系統實際可行性，可操作性，選擇韶關市新豐縣沙田國土所作為試點在山區開展自然資源監測實驗，某次野外無人機巡查情況如下：外業無人機設置航高350 m，航向重疊度80%，旁向70%，采集數據飛行含起飛降落共花費約15 min，共采集95張照片，監測面積約0.4 km2。采用數據處理黑匣子進行影像拼接共花費約10 min，并通過在手機上調用Drone Map將切片后影像成功上傳到外業巡查系統中，如圖8所示，在巡查系統中實現將剛獲取無人機影像與原有歷史影像分屏對比瀏覽。

圖8 接無人機影像銜接到外業巡查系統

在新獲取無人機影像上能夠清晰看出存在與稀土影像解譯標志類似開采沉淀池，輸送反應試劑的管子等設施(圖9)，初步判定是稀土非法開采點，通過國土所巡查人員抵近巡查發現此處確實是稀土非法開采點(圖10)。

圖9 無人機影像拍攝到稀土開采點局部放大圖

圖10 現場巡查照片

4 結 語

從當前在試點國土所使用情況來看，這套系統能夠滿足基層國土所尤其是地形復雜區域自然資源巡查需要，存在不足之處有以下2個方面：① 目前小型無人機電池續航能力普遍較低，在一定程度上會影響巡查效率；② 目前非法開采、違法用地圖斑提取主要還是靠人工目視解譯，如果下一步能實現無人機拍攝影像與巡查系統中衛片自動識別變化圖斑，無人機與巡查系統無縫銜接則更為完善，在自然資源巡查中應用也將更加深入高效。