無人機測繪技術在城市綠地調查中的應用

曹君

摘 要：針對傳統全野外人工綠地調查法費時、費力且成本高的問題，本研究提出了一種基于無人機測繪技術的城市綠地調查法。梳理總結了利用無人機測繪技術進行數據獲取、預處理和信息提取的關鍵流程，并以筆者所在的學校為試驗區，開展了試驗研究。最后，從作業效率和成果精度方面，將無人機測繪技術與傳統全野外測量法進行對比，結果表明：采用無人機測繪技術可在保證綠地提取精度的前提下，大幅節省人力物力、提高作業效率。

關鍵詞：無人機;測繪;綠地調查

中圖分類號：P231 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）5-0006-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.05.001

Application of UAV Surveying and Mapping Technology in Urban Green Space Investigation

CAO Jun

（Wuhan City Vocational College，Wuhan 430064，China）

Abstract： In order to avoid the time-consuming， laborious and costly problem of the traditional full-field manual survey method of urban green space， this paper proposed an urban green space investigation method based on UAV surveying and mapping technology. It summarized the key processes of data acquisition， preprocessing and information extraction using UAV surveying and mapping technology， and carried out experimental research with the author's school as the experimental area. Finally， in terms of operational efficiency and accuracy of results， the UAV mapping Technology is compared with the traditional full-field survey method. The results show that the use of UAV surveying and mapping method can greatly save labor and material costs，improve operational efficiency while ensuring the accuracy of green space extraction.

Keywords： UAV; surveying and mapping; green space investigation

0 引言

隨著全球經濟和科學技術的快速發展，全球氣候變化、臭氧層破壞和損耗、生物多樣性減少等一系列環境問題也越來越顯現。城市綠地規劃與布局的合理與否，將直接關系到城市環境質量和居民生活質量改善的成敗，關系到生態宜居、可持續城市建設的成敗。隨著人們對自身居住環境質量的關注度越來越高，城市綠地系統狀況已成為衡量城市文明和城市現代化的重要標志[1]，越來越多的城市建設目標也開始向追求高質量生態環境轉變，積極進行綠地生態建設、擴大綠地面積、提高綠地覆蓋率、優化綠化結構，同時也越來越注重植被的科學建管[1]。

高效快速、精細準確的調查方法是進行城市綠地科學建管的基礎。目前，城市綠地調查的方法主要有傳統全野外測量法、衛星遙感測繪法等。其中，全野外測量法需要投入大量的人力、物力，存在作業周期長、成本高等缺點;衛星遙感測繪法則能夠有效地減少野外作業的工作量，從而提高作業效率，但受衛星高度、天氣條件等因素的影響，所獲取的衛星影像往往存在分辨率不足、云層遮擋等問題[2]，直接導致在綠地調查過程中植被識別困難、統計精度有限。

無人機測繪技術作為傳統航空攝影測量手段的有力補充，能夠有效彌補全野外測量法和衛星遙感測繪法的不足，具有機動靈活、高效快速、精細準確、作業成本低、適用范圍廣、生產周期短等特點，在小區域和飛行困難地區能夠快速獲取高分辨率影像[3-4]，被廣泛應用于國家重大工程建設、災害應急與處理、國土監察、新農村和小城鎮建設等方面，尤其是在基礎測繪、土地資源調查監測、土地利用動態監測、數字城市建設和應急救災測繪數據獲取等方面具有廣闊的應用前景[5-6]。

基于上述前提，筆者以武漢城市職業學院校園為試驗區，利用無人機測繪技術開展綠地調查，對城市綠地調查中的數據采集、處理和分析中的關鍵技術進行研究，對基于無人機測繪進行城市綠地調查的技術路線進行探索，從而為綠化用地的科學建管提供技術支持，為建設生態型城市建設奠定基礎。

1 試驗區情況

為了便于開展無人機測繪技術研究，選取武漢城市職業學院為試驗區。試驗區位于武漢市洪山區南部，地處洪山區與江夏區交界處，總面積約為0.57 km2，整體呈狹長形分布，地勢平坦，位于亞熱帶季風濕潤區，光照充足，雨量充沛，植被覆蓋率較高，適宜開展基于無人機測繪技術在綠地提取中的應用研究。

2 數據獲取與處理

2.1 無人機數據獲取

2.1.1 無人機平臺。本研究以大疆生產的四旋翼航測無人機精靈 Phantom 4 RTK作為數據采集設備，獲取試驗區航空影像與定位定姿系統（Position and Orientation System，POS）數據。該設備總重為1 391 g，搭載障礙物感知系統和2 000 萬像素的CMOS影像傳感器，定位精度±0.1 m（啟用實時動態載波相位差分技術，即RTK，且RTK正常工作時），具有定位精度高、成像性能佳、便攜易用的特點。

2.1.2 飛行任務設計。采用大疆公司專為自主航線規劃、飛行航拍、二維正射影像與三維模型重建而開發的大疆智圖軟件對作業區域及航線進行規劃，設置飛行參數，并自動生成試驗區航線。各參數設計如表1所示。

2.1.3 執行飛行任務。在無人機飛行前，檢查飛行環境和設備狀態，包括天氣情況、風力大小、磁場干擾、無人機螺旋槳是否安裝正確等，確認無問題后，開始執行飛行任務。最終獲取試驗區帶有POS信息的真彩色影像1 052張，覆蓋范圍為0.65 km2，影像拍攝時間為2021年3月3日13：00—14：00，天氣狀況為陰、微風，能見度較高。

2.2 數據預處理

為了獲取試驗區內的綠地位置分布、尺寸、面積等信息，首先以Pix4dmapper為數據處理平臺，對試驗區的數據進行預處理，生成試驗區數字正射影像圖（簡稱為DOM）。Pix4dmapper作為一款基于無人機影像數據處理的專業軟件，可以完全自動化處理數據，生成數字正射影像、數字地表模型、DTM及三維點云數據等成果，得到高精度的結果。同時它還有自動空三、計算原始影像外方位元素及自動校準影像等功能。使用Pix4dmapper處理無人機影像數據的主要流程如圖1所示。

①新建項目：導入試驗區影像及其POS數據。

②參數設置：設置輸入輸出坐標系、相機參數。

③添加控制點：導入野外實測控制點坐標數據，并在已導入的影像上標記各控制點點位，以保證成圖精度。

④初步處理：進行影像自動匹配和空中三角測量。

⑤質量檢查：依據初步處理過程中生成的質量報告，對區域網空三誤差、自檢校相機誤差、控制點誤差進行檢查;若質量不合格，則重復步驟②至⑤;若質量合格，則生成數字表面模型（DSM）和正射影像圖（DOM）。

⑥成果輸出：通過“調整拼接線”—“投影切換”—“影像混合”等過程完成正射影像成果的編輯與輸出。

2.3 綠地信息提取

無人機影像數據記錄了地表各種地物的電磁波信息，不同類型的地物之間往往有一定的電磁波差異，因此表現出不同的顏色差異[7-8]。這些差異為基于影像的綠地信息提取提供了可能。由于試驗區范圍較小，為了提高綠地信息提取精度，本研究基于ArcMap平臺，采用目視解譯的方法對試驗區綠地信息進行提取，其基本流程如圖2所示。

按圖2流程，獲取試驗區綠地分布情況，如圖3所示。

對圖3中各地塊面積進行統計，獲得試驗區內各綠地的面積信息。

3 對比分析

為客觀評估無人機測繪技術在綠地調查中的應用效果，首先從作業效率方面，將上述結果與基于GPS-RTK技術的全野外測量+CASS成圖的方法進行對比，結果如表2所示。

此外，為了更客觀全面地評價無人機測繪技術在綠地調查方面的精度，對試驗區內的主要綠地（面積大于500 m2）分別采用無人機測繪法與全野外測量法獲得各地塊面積，并進行詳細對比，結果如表3所示。

從表3結果來看，就單個地塊而言，無人機測繪法和全野外測量法所得綠地面積差值比均在±1%之間。就主要地塊的總面積而言，兩種方法獲得的試驗區主要綠地總面積分別為170 818.75 m2和170 538.4 m2，兩者相差280.35 m2，總差值比僅為0.16%。而從作業時長來看，無人機測繪法與全野外測量法所需作業工時分別為10人工時和54人工時，即與全野外測量法相比，采用無人機測繪法可縮短81.5%的作業時長。通過上述試驗說明：與傳統全野外測量法相比，采用無人機測繪法可在保證綠地面積統計精度的前提下，大幅節省人力物力、提高作業效率。

4 結語

高效快速、精細準確的調查方法是進行城市綠地科學建管的基礎[9-10]。針對傳統全野外人工綠地調查法存在的難度大、周期長、成本高等問題，本研究開展了基于無人機測繪技術的城市綠地調查應用研究，闡述了利用無人機測繪技術進行數據采集、預處理和信息提取的主要流程，并以試驗區為例，進行了實證研究。結果表明，與傳統全野外測量法相比，無人機測繪技術在城市綠地調查方面精度可靠，可大幅節省人力成本，提高作業效率，具有較強的優越性。

參考文獻：

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