無人機(jī)航測技術(shù)在國土資源管理中的應(yīng)用

曹 琴

（天水三和數(shù)碼測繪院有限公司，甘肅 天水 741000）

我國國土資源豐富，但是國土資源管理技術(shù)比較落后，效率低。在第二次全國土地調(diào)查時，使用的遙感影像分辨率偏低，因此對國土資源調(diào)查并不充分，然后每年都需要進(jìn)行年度變更調(diào)查，對土地使用性質(zhì)發(fā)生變化的地塊，重新進(jìn)行屬性的賦值。在這過程中，可以發(fā)現(xiàn)部分違建建筑物，但是周期較長，執(zhí)法難度較大，損失較嚴(yán)重。在全國農(nóng)村土地承包經(jīng)營權(quán)項目中，全國絕大多數(shù)企業(yè)將無人機(jī)攝影測量技術(shù)用于該項目中，獲取了我國農(nóng)村地區(qū)高精度、高分辨率的正射影像成果，成為了重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。在第三次全國國土調(diào)查的時候，對于疑似圖斑外業(yè)舉證，也采用了無人機(jī)攝影技術(shù)，利用無人機(jī)獲取疑似圖斑的實地照片，通過在線傳輸?shù)絻?nèi)業(yè)，內(nèi)業(yè)圖斑核查人員對實地照片進(jìn)行分析，對疑似圖斑進(jìn)行定性。在“智慧城市”“數(shù)字城市”“實景三維中國建設(shè)”“美麗鄉(xiāng)村建設(shè)”等國家大型測繪項目中，都利用了無人機(jī)攝影測量技術(shù)。本研究主要對無人機(jī)攝影測量技術(shù)進(jìn)行簡單介紹，結(jié)合實際項目，對無人機(jī)攝影技術(shù)在國土資源管理中的應(yīng)用進(jìn)行分析，有助于提升國土資源管理水平。

1 無人機(jī)航攝技術(shù)介紹

1.1 無人機(jī)系統(tǒng)組成

無人機(jī)系統(tǒng)組成大致可分為5個部分，分別是動力系統(tǒng)、地面站系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)、任務(wù)載荷系統(tǒng)、通信導(dǎo)航系統(tǒng)。動力系統(tǒng)主要是為無人機(jī)提供能量，用來完成無人機(jī)的航飛任務(wù)；地面站系統(tǒng)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集前的航線規(guī)劃、任務(wù)提交，用于在航飛過程中無人機(jī)飛行狀態(tài)的監(jiān)測和航飛成果質(zhì)量的檢查；飛控系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)無人機(jī)按照提交的任務(wù)進(jìn)行有續(xù)飛行；任務(wù)載荷系統(tǒng)主要是根據(jù)不同需求搭載不同的數(shù)據(jù)采集設(shè)備；通信導(dǎo)航系統(tǒng)負(fù)責(zé)飛機(jī)在飛行過程中的定位，負(fù)責(zé)GPS信號等的發(fā)送與接收[1-3]。目前，主流的無人機(jī)都搭載高精度的定位系統(tǒng)，可以達(dá)到米級的精度，對于裝載了后差分或?qū)崟r差分設(shè)備的無人機(jī)來說，定位可以達(dá)到厘米級，完全可以滿足絕大多數(shù)項目的需求。

1.2 無人機(jī)垂直攝影

垂直攝影是指飛行平臺搭載垂直向下的相機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，這種作業(yè)方式效率高、精度可滿足部分項目需求。主要依據(jù)共線方程對數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，涉及到的主要環(huán)節(jié)有影像金字塔創(chuàng)建、特征點檢測與提取、特征點匹配與平差、像控點轉(zhuǎn)刺與平差、數(shù)字表面模型匹配與編輯、單張影像糾正、影像鑲嵌與輸出。

1.3 無人機(jī)傾斜攝影

傾斜攝影是相對垂直攝影來說的，是指在飛行平臺上搭載多臺影像傳感器，完成對地物多角度全方位的數(shù)據(jù)采集，生成測繪產(chǎn)品。常見的搭載的有大勢智慧的搖擺2鏡頭，飛盟的掃擺9鏡頭和主流的5鏡頭。其中5鏡頭常見的是由1個垂直鏡頭和前、后、左、右4個側(cè)視鏡頭組成，垂直鏡頭主要從頂部進(jìn)行采集，側(cè)視鏡頭主要采集建筑物側(cè)面影像信息。基于傾斜攝影技術(shù)生產(chǎn)的成果主要為實景三維模型，傳統(tǒng)的4D產(chǎn)品可基于實景三維模型進(jìn)行生產(chǎn)。實景三維模型生產(chǎn)主要的環(huán)節(jié)有多視影像聯(lián)合平差、多視影像密集匹配、密集點云生成、不規(guī)則三角網(wǎng)構(gòu)建、立體白膜生產(chǎn)和紋理映射貼圖輸出，該技術(shù)較垂直攝影測量，生產(chǎn)的產(chǎn)品包含的信息更加豐富，精度更高，更能滿足人們對測繪產(chǎn)品的需求。

1.4 無人機(jī)生產(chǎn)4D產(chǎn)品流程

無人機(jī)生產(chǎn)4D產(chǎn)品的流程主要包括航飛之前的測區(qū)勘察、空域申請、航線規(guī)劃、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、空中三角測量、4D產(chǎn)品、實景三維模型產(chǎn)品生產(chǎn)和成果分析應(yīng)用，具體如圖1所示。

圖1 無人機(jī)生產(chǎn)4D產(chǎn)品流程

2 無人機(jī)在國土資源管理中的應(yīng)用

本研究以天水三和數(shù)碼測繪院有限公司承接的一些國家、省市大型項目為例，對無人機(jī)技術(shù)在土地確權(quán)登記、房地一體確權(quán)登記、土地開發(fā)整治、土地利用動態(tài)監(jiān)測、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測、美麗鄉(xiāng)村建設(shè)和罌粟種植巡查中的應(yīng)用進(jìn)行分析。

2.1 土地確權(quán)登記

土地確權(quán)登記是指對土地的所有權(quán)、使用權(quán)和其他權(quán)利進(jìn)行確認(rèn)和確定，并登記在冊。在我國農(nóng)村，土地是以承包的形式劃分給農(nóng)民的，農(nóng)民在不改變土地性質(zhì)的前提下，可以對土地根據(jù)自身需求進(jìn)行使用。在第三輪土地確權(quán)登記的過程中，天水三和數(shù)碼測繪院有限公司使用了無人機(jī)攝影測量技術(shù)，對大面積的土地進(jìn)行整體航拍，然后采集像控點，利用影像數(shù)據(jù)處理軟件，生成滿足精度需求的正射影像圖，然后結(jié)合ArcGIS軟件，按照坎子、道路等對地塊進(jìn)行矢量化，將矢量化成果套合在影像圖上輸出，然后按照圖紙進(jìn)行入戶確權(quán)登記。相比傳統(tǒng)的利用RTK進(jìn)行地塊采集，效率大幅度提升，節(jié)約了大量的人力、物力和財力。對于國土資源管理來說，所有數(shù)據(jù)都有紙質(zhì)版和電子版，留下了簽字的憑證，也便于對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢與遍歷，提高了數(shù)據(jù)管理水平和服務(wù)質(zhì)量。

2.2 房地一體確權(quán)登記

房地一體確權(quán)登記，傳統(tǒng)的作業(yè)方式是使用全站儀、RTK和卷尺，對房角點坐標(biāo)進(jìn)行采集，對房屋邊長進(jìn)行拉距離，對于隱蔽點，利用周邊點位坐標(biāo)進(jìn)行交會解算，這種作業(yè)方式效率低、成本高、風(fēng)險高，大量的外業(yè)工作，費時費力。隨著無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的出現(xiàn)與迅速發(fā)展，傾斜攝影測量已經(jīng)被成功地應(yīng)用于房地一體確權(quán)登記項目中。通過對任務(wù)區(qū)進(jìn)行航拍，采集像控點用于控制精度，利用建模軟件自動化建模，利用三維裸眼采集軟件對模型進(jìn)行采集，得到房屋矢量數(shù)據(jù)。這種作業(yè)方式將外業(yè)工作轉(zhuǎn)為內(nèi)業(yè)，降低了工作的風(fēng)險性，且和傳統(tǒng)作業(yè)方式對比，在精度滿足規(guī)范要求的前提下，效率也大幅度提升。河南省在頒發(fā)農(nóng)村房地一體不動產(chǎn)證書的時候，率先將實景三維模型打印于證書上，更具有真實性。對于國土資源管理人員來說，擁有實景三維模型數(shù)據(jù)，可以更好地了解土地的使用情況，對于后期違建、礦建、改變土地使用性質(zhì)的行為，可以更容易發(fā)現(xiàn)，更利于執(zhí)法。

結(jié)合天水三和數(shù)碼測繪院有限公司承接的多個房屋拆遷項目，都是在拆遷前對拆遷區(qū)域進(jìn)行傾斜攝影建模，獲得拆遷前的一手資料，有助于入戶調(diào)查，拆遷費用評估以及后續(xù)搶建情況說明，也有助于城市規(guī)劃部門更好地規(guī)劃土地資源。

2.3 土地開發(fā)整治

為了提升土地的質(zhì)量，我國每年都在對大面積的土地進(jìn)行開發(fā)與整治。無人機(jī)航測技術(shù)主要負(fù)責(zé)完成影像數(shù)據(jù)的航拍，然后利用航拍成果進(jìn)行正射影像圖和數(shù)字線劃圖的生產(chǎn)。正射影像圖可以用來規(guī)劃線路，便于在開發(fā)整治的過程中少走彎路；數(shù)字線劃圖主要提供等高線和高程點，便于在整治前，對土方量、坡度等進(jìn)行計算，然后估算成本費用以及工期，根據(jù)計算數(shù)據(jù)給出最優(yōu)的實施方案，有助于提高工作效率，節(jié)約開支。整治完成后，基于數(shù)字化成果，有助于后期對土地進(jìn)行動態(tài)管理[4]。

2.4 土地利用動態(tài)監(jiān)測

國家每年都會對土地的性質(zhì)進(jìn)行核查，通過對2個時間節(jié)點的影像對比分析，找出土地使用性質(zhì)可能發(fā)生變化的部分，被確定為疑似圖斑，下發(fā)到每個地方，然后通過實地舉證進(jìn)行說明。在全國影像獲取方面，主要依靠高分辨率的遙感影像，在舉證的時候，可采用無人機(jī)從遠(yuǎn)景、近景進(jìn)行航攝，獲取土地真實使用性質(zhì)的舉證圖片，用來對圖斑的用途進(jìn)行說明。在國土三調(diào)外業(yè)舉證期間，對于部分困難地區(qū)，就采用了無人機(jī)舉證，有效的提升了外業(yè)效率，且減小了外業(yè)風(fēng)險，提升了數(shù)據(jù)獲取的質(zhì)量。對于國家部門核查圖斑人員來說圖斑證據(jù)更有利于對圖斑的使用性質(zhì)進(jìn)行定性[5]。

2.5 地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測

地質(zhì)災(zāi)害每年頻發(fā)，嚴(yán)重影響著人們的財產(chǎn)和生命。地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生具有隨機(jī)性、不定時性，采用傳統(tǒng)的人工核查，可能會對核查人員帶來安全隱患，尋求一種安全高效的核查方式迫在眉睫。利用無人機(jī)搭載垂直鏡頭可以獲取地質(zhì)災(zāi)害裂縫，但是不具有三維場景，不利于分析。近年來興起來的傾斜攝影技術(shù)和貼近攝影測量技術(shù)采集影像數(shù)據(jù)，利用三維建模軟件獲得實景三維模型，將模型導(dǎo)入第三方平臺，利用平臺中地質(zhì)災(zāi)害模擬的功能，對災(zāi)害發(fā)生的誘因進(jìn)行分析，從而對發(fā)生災(zāi)害后帶來的損失進(jìn)行評估。結(jié)合多期數(shù)據(jù)，監(jiān)測裂縫裂開速度，監(jiān)測災(zāi)害點水平和垂直位移，盡早預(yù)測災(zāi)害，撤離群眾，減少損失。專業(yè)人員對各種數(shù)據(jù)的深入分析，可以提高預(yù)測災(zāi)害的成功率，將可能發(fā)生災(zāi)害帶來的損失降到最低。

2.6 美麗鄉(xiāng)村建設(shè)

美麗鄉(xiāng)村建設(shè)作為國家一個大型項目，具有全國性的特點。每個地方對美麗鄉(xiāng)村建設(shè)需要做的任務(wù)并不統(tǒng)一，結(jié)合國家政策，可將無人機(jī)攝影測量技術(shù)用于美麗鄉(xiāng)村建設(shè)。無人機(jī)搭載攝影儀，可對鄉(xiāng)村風(fēng)貌進(jìn)行多角度攝影，將攝影成果制作為宣傳片，利用目前主流的媒體進(jìn)行播映，可以對鄉(xiāng)村進(jìn)行宣傳。無人機(jī)搭載非量測數(shù)碼相機(jī)，可對鄉(xiāng)村整體進(jìn)行影像采集，對個別風(fēng)景區(qū)、古建筑等具有代表性的建構(gòu)筑物進(jìn)行貼近攝影測量，然后多源數(shù)據(jù)進(jìn)行融合建模，將建模成果對外展示，增加人們對鄉(xiāng)村的認(rèn)識，提升鄉(xiāng)村的知名度。每年對鄉(xiāng)村進(jìn)行建模，將建模成果保存下來，通過多年的數(shù)據(jù)，可以見證鄉(xiāng)村發(fā)展的腳步，有助于提升鄉(xiāng)村的厚重感。對于國土管理來說，基于實景三維模型，可以更好地對村莊進(jìn)行規(guī)劃，提升整體規(guī)劃水平，促進(jìn)農(nóng)村建設(shè)的快速發(fā)展。

2.7 罌粟種植巡查

罌粟作為一種違禁品，是不允許種植的，但是為了金錢利益，種植罌粟的情況屢禁不止。我國國土資源豐富，管理本來就很困難，加上不法分子近年來，都在偏僻的地方進(jìn)行種植，給執(zhí)法又帶來一定困難。利用無人機(jī)攝影技術(shù)，通過從空中對地面進(jìn)行低空攝影，執(zhí)法人員可以通過視頻發(fā)現(xiàn)違禁品，并對此進(jìn)行打擊；也可采用多光譜相機(jī)對地面進(jìn)行拍攝，利用專業(yè)軟件對影像進(jìn)行處理，分析各波段的差異來發(fā)現(xiàn)罌粟的種植，有助于執(zhí)法人員精準(zhǔn)執(zhí)法；也可用于日常巡查，及早發(fā)現(xiàn)問題，將問題解決在萌芽之中。對于國土資源管理人員來說，可以更好地了解土地的使用性質(zhì)，提升對土地資源的管理水平。

3 結(jié)束語

本研究對無人機(jī)系統(tǒng)的組成和攝影測量生產(chǎn)4D產(chǎn)品的流程進(jìn)行了介紹，結(jié)合項目生產(chǎn)實例，對無人機(jī)航測技術(shù)在國土資源中的應(yīng)用進(jìn)行了深入分析，有助于提升國土資源的管理水平，具有一定的實用性。