無人機(jī)航測(cè)在土地整治項(xiàng)目核查驗(yàn)收中的應(yīng)用

賴 云，祁 瓊

（1.湖北省土地規(guī)劃勘測(cè)院，湖北 武漢 430071）

無人機(jī)遙感技術(shù)為國家應(yīng)急救災(zāi)、國土資源監(jiān)察、數(shù)字城市建設(shè)提供了便捷高效的數(shù)據(jù)獲取手段。為進(jìn)一步探索無人機(jī)系統(tǒng)在國土資源管理工作中的應(yīng)用潛力和模式，本文以無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)在土地整治項(xiàng)目核查驗(yàn)收中的應(yīng)用為研究對(duì)象，探討在時(shí)間相對(duì)有限的核查與驗(yàn)收工作中，在保證一定精度的條件下高效率完成內(nèi)、外業(yè)檢查任務(wù)的可行性，為土地整治項(xiàng)目實(shí)施效果的科學(xué)判斷提供依據(jù)。

1 無人機(jī)航測(cè)技術(shù)特點(diǎn)與發(fā)展現(xiàn)狀

無人機(jī)航測(cè)遙感技術(shù)是繼衛(wèi)星遙感、大飛機(jī)遙感之后發(fā)展起來的一項(xiàng)新型航空遙感技術(shù)[1]，是大飛機(jī)航測(cè)的補(bǔ)充。具有機(jī)動(dòng)靈活、低成本、可實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)的特點(diǎn)，在越來越多的領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。相對(duì)于傳統(tǒng)的全野外數(shù)字化測(cè)圖，具有測(cè)圖效率高、外業(yè)成本低、作業(yè)人員少等優(yōu)勢(shì)，但也存在影像航向重疊度和旁向重疊度不規(guī)則、像幅小、影像數(shù)量多、影像有明顯畸變等問題[2]。這些都對(duì)現(xiàn)有航測(cè)技術(shù)提出了挑戰(zhàn)。

隨著土地整治工作在湖北省持久深入地開展，每年都有大量土地整治項(xiàng)目需要核查或驗(yàn)收。由于土地整治項(xiàng)目建設(shè)規(guī)模較大，大部分項(xiàng)目區(qū)面積在1萬畝以上，且部分項(xiàng)目片塊地處交通不便、農(nóng)村路網(wǎng)復(fù)雜的區(qū)域，為項(xiàng)目的核查與驗(yàn)收帶來不便。通過無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)，可以克服交通條件的限制，在較短時(shí)間內(nèi)對(duì)項(xiàng)目區(qū)進(jìn)行全部或局部航測(cè)，獲取直觀的影像圖片，掌握土地整治工作完成的情況。同時(shí)可較方便地對(duì)比疊加實(shí)施單位提供的竣工圖，判斷其圖件和數(shù)據(jù)的真實(shí)性。

2 TRIMBLE UX5 無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)的性能與特點(diǎn)

無人飛行器（unmanned air vehicle）是指利用無線電遙控設(shè)備和自備程序控制裝置的無人駕駛航空飛行器，包括無人固定翼飛機(jī)、無人旋翼飛機(jī)（即無人直升機(jī)）和無人駕駛氦氣艇等，以下簡(jiǎn)稱“無人機(jī)”[3]。無人機(jī)航攝系統(tǒng)包括飛行平臺(tái)、飛控系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)、任務(wù)設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、發(fā)射與回收系統(tǒng)、地面保障設(shè)備[4]。TRIMBLE UX5是目前較先進(jìn)的一款無人機(jī)航攝系統(tǒng)，已開始應(yīng)用于國土資源管理領(lǐng)域。

2.1 主要參數(shù)

TRIMBLE UX5無人機(jī)機(jī)身為聚丙烯泡沫塑料，翼展1 m，重量約2.5 kg，配備6 000 mA鋰電池一塊，安裝1 600萬像素、定制鏡頭的索尼微單相機(jī)一臺(tái)。本款無人機(jī)由彈射器發(fā)射起飛，起飛后自動(dòng)飛行，續(xù)航時(shí)間50 min，巡航速度80 km/h，著陸范圍50 m×30 m。

2.2 拍攝條件

和衛(wèi)星遙感比較，TRIMBLE UX5無人機(jī)航高較低，為75～750 m。航拍時(shí)可在云下飛行，一般可抗3～5級(jí)風(fēng)，甚至可以在小雨中作業(yè)，對(duì)天氣的要求相對(duì)較低。和普通有人機(jī)航拍相比，無人機(jī)航拍具有操作方便、易于轉(zhuǎn)場(chǎng)、起飛降落受場(chǎng)地限制較小等優(yōu)點(diǎn)。

2.3 拍攝精度

TRIMBLE UX5無人機(jī)航拍的精度較高，影像圖空間分辨率可達(dá)5～24 cm（取決于飛行高度及照相機(jī)像素），成圖比例尺一般在1∶1 000～1∶5 000之間，可以滿足地形測(cè)繪和區(qū)域土地規(guī)劃以及鐵路、公路等項(xiàng)目的勘測(cè)定界需要。同時(shí)，其航拍精度對(duì)于土地整治項(xiàng)目的核查與驗(yàn)收、各項(xiàng)工程施工進(jìn)展情況監(jiān)測(cè)，均能提供強(qiáng)有力的支撐和保障[5]。

2.4 拍攝能力

TRIMBLE UX5無人機(jī)配備鋰電池，續(xù)航時(shí)間有限，不適合大面積區(qū)域的遙感數(shù)據(jù)獲取。即使采用最新的大型長(zhǎng)航時(shí)無人機(jī)（續(xù)航能力可達(dá)10 h以上），配備大幅面相機(jī)，比起普通有人飛機(jī)航拍和衛(wèi)星遙感，在獲取數(shù)據(jù)能力方面仍存在明顯差距。

3 研究案例

3.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處十堰市某縣城東郊，漢水北岸、丹江庫區(qū)腹地，屬秦巴山脈交匯東延余脈，山地、丘陵、盆地交錯(cuò)，海拔在170 ～310 m。

研究區(qū)屬于低丘崗地項(xiàng)目的一部分，位于項(xiàng)目區(qū)南端，面積約3 km2。該區(qū)域包括已改造的梯田、開發(fā)的新增耕地、農(nóng)村道路與居民點(diǎn)、坑塘、林地等典型地類，具有一定的代表性。

3.2 外業(yè)作業(yè)情況

作業(yè)當(dāng)日天氣晴朗，能見度較高，風(fēng)力約3級(jí)，適宜航拍。利用無人機(jī)地面操控手簿將無人機(jī)航高設(shè)定為300 m，航向重疊度80%，旁向重疊度75%。完成系統(tǒng)設(shè)置及起飛準(zhǔn)備工作時(shí)間約需1 h。無人機(jī)起飛后按照既定的路線進(jìn)行航拍，歷時(shí)大約37 min，航攝約3 km2，總計(jì)拍攝510張照片。整個(gè)航拍過程自動(dòng)完成，無需地面人員干預(yù)。外業(yè)組在航飛區(qū)域內(nèi)借助項(xiàng)目區(qū)竣工圖抵達(dá)滿足像控點(diǎn)布設(shè)要求的地點(diǎn)，選取明顯地物點(diǎn)進(jìn)行測(cè)繪，并盡量使像控點(diǎn)均勻分布在航飛區(qū)域。6個(gè)像控點(diǎn)的野外實(shí)地選取與RTK測(cè)量，花費(fèi)時(shí)間約1.5 h。外業(yè)測(cè)量結(jié)束后，內(nèi)業(yè)將像控點(diǎn)和所拍照片導(dǎo)入TBC軟件，經(jīng)約5 h的影像自動(dòng)處理后，制作完成了該低丘崗地項(xiàng)目區(qū)3 km2區(qū)域的1∶2 000正射影像圖。內(nèi)業(yè)、外業(yè)整個(gè)過程僅需要2～3名專業(yè)工作人員。

3.3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)比較

利用本次低丘崗地改造項(xiàng)目區(qū)無人機(jī)正射影像圖，能較容易識(shí)別出不同的地類與線狀地物。經(jīng)與全野外數(shù)字測(cè)量的竣工圖、新增耕地圖套合疊加，掌握2者的吻合程度，分析差異原因。

從圖1可以清晰地看到，經(jīng)過土地整治，項(xiàng)目區(qū)面貌一新，耕種條件得到極大改善。影像上的田坎線(綠色為田坎線）、道路(紅色為生產(chǎn)道路線)、地類界與全野外數(shù)字測(cè)量竣工圖高度吻合，說明正射影像圖精度較高，滿足核查與驗(yàn)收對(duì)測(cè)繪精度的要求。

將比例尺1∶2 000的圖1局部放大至比例尺1∶500，可以清晰地看到各田塊耕種情況以及配套水池和路面行駛的拖土貨車，如圖2所示。

圖1 低丘崗地坡改梯影像圖與竣工圖疊加后的截取示意圖

圖2 低丘崗地坡改梯影像與竣工圖疊加后的截取放大示意圖

圖3 中新增耕地地塊020范圍線內(nèi)（山頂部分）存在不是耕地的情況，說明項(xiàng)目實(shí)施未完全到位，且新增生產(chǎn)路I-21、I-22、I-23未見實(shí)施，有臨時(shí)建筑物（藍(lán)色屋頂）占用了部分新增耕地。

通過以上圖片疊加對(duì)比，我們可以快速地找出問題所在，具體地塊的位置與范圍也一目了然。若經(jīng)過內(nèi)業(yè)進(jìn)一步處理，可得到相關(guān)面積、長(zhǎng)度等數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 語

4.1 優(yōu) 勢(shì)

1）無人機(jī)航測(cè)技術(shù)成果主要指標(biāo)能夠滿足土地整治核查與驗(yàn)收的需要。利用高像素?cái)?shù)碼相機(jī)以及GPSRTK技術(shù)測(cè)繪得到的像控點(diǎn)，結(jié)合功能強(qiáng)大的后期處理軟件，使得正射影像圖空間分辨率和平面位置中誤差能夠達(dá)到1∶2 000比例尺地形圖測(cè)繪精度的要求，滿足土地整治項(xiàng)目測(cè)繪的需要。若無人機(jī)降低拍攝高度，提高數(shù)碼相機(jī)像素，影像圖分辨率將還提高，從而進(jìn)一步提高航測(cè)精度。無人機(jī)航測(cè)成果可以與全野外數(shù)字化地形測(cè)繪成果進(jìn)行相互校核。

圖3 正射影像圖與低丘崗地項(xiàng)目區(qū)新增耕地圖疊加截取圖

2）能直觀反映土地整治項(xiàng)目的實(shí)施成果。在較高分辨率的正射影像圖中，平整工程、道路工程、水利工程等完成情況清晰可見，既可縮小影像圖了解項(xiàng)目全貌，也可放大影像圖著重檢查單體工程的具體情況。

3）為土地整治核查驗(yàn)收組高效工作提供了新的手段。由于是為項(xiàng)目核查與驗(yàn)收提供相關(guān)依據(jù)，航測(cè)后只需要制作正射影像圖，節(jié)省了制作數(shù)字線劃圖所需的大量時(shí)間，使得整個(gè)航測(cè)內(nèi)外業(yè)時(shí)間與通常所需時(shí)間基本相同，但通過影像圖不僅可以為核查驗(yàn)收組迅速確定實(shí)地抽查地塊提供參考，而且為內(nèi)業(yè)量取新增耕地面積、測(cè)算硬化道路和溝渠長(zhǎng)度、統(tǒng)計(jì)泵房和水池?cái)?shù)量等提供了可能，檢查驗(yàn)收工作質(zhì)量大幅提高。

4）能準(zhǔn)確判斷出新增耕地面積等關(guān)鍵數(shù)據(jù)是否真實(shí)。利用高分辨率正射影像中地類、地物界線與實(shí)施單位提供的竣工圖、新增耕地圖進(jìn)行疊加對(duì)比，可以較容易地判斷出新增耕地圖中新增耕地范圍線是否準(zhǔn)確，通過進(jìn)一步量算可以得出新增耕地的差值。

4.2 局限性

1）無人機(jī)對(duì)起降場(chǎng)地有一定要求。降落場(chǎng)地需50 m×30 m平整區(qū)域，且空域良好。如果受驗(yàn)項(xiàng)目區(qū)處于地形復(fù)雜的山區(qū)或樹木、建筑、電力線較多的區(qū)域，則選擇起降場(chǎng)地將增加一定難度。除采用彈射裝置起飛外，還可考慮降落傘回收無人機(jī)或直接使用旋翼無人機(jī)來降低對(duì)起降場(chǎng)地的要求。另外，能見度、風(fēng)力和空中管制等因素也對(duì)無人機(jī)航測(cè)帶來一定影響。

2）內(nèi)業(yè)處理需一定時(shí)間，對(duì)計(jì)算機(jī)硬件要求較高。本次航測(cè)飛行一個(gè)架次，飛行高度300 m，拍攝約3 km2共計(jì)510張照片，測(cè)繪像控點(diǎn)6個(gè)，導(dǎo)入計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理成正射影像圖約需5 h。若提升航拍高度將提高航拍效率，減少航拍單位土地面積的像片數(shù)量，減少內(nèi)業(yè)處理時(shí)間，但同時(shí)會(huì)損失航測(cè)精度。因此，內(nèi)業(yè)處理需要高速CPU、大內(nèi)存的高性能計(jì)算機(jī)來完成。

3）對(duì)土地整治項(xiàng)目的航測(cè)并不能完全替代傳統(tǒng)的實(shí)地勘察工作。如硬化工程的質(zhì)量細(xì)節(jié)、隱蔽工程與水下工程的實(shí)施情況，通過影像圖無法較好地識(shí)別，仍需派員實(shí)地勘察。

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