無人機航測在土地復(fù)墾調(diào)查中的應(yīng)用研究

唐如楓

（上海市自然資源確權(quán)登記事務(wù)中心，上海200003）

上海作為國際性的特大型城市，面臨人口、土地、環(huán)境、安全等多重壓力，人地矛盾突出。為推進城市綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展，2014 年上海市政府明確建設(shè)用地終極規(guī)模要在規(guī)劃上予以鎖定。應(yīng)對此趨勢，上海低效建設(shè)用地減量化應(yīng)運而生，并建立了新增用地“以減定增”機制，即將城市建設(shè)的新增用地指標(biāo)與“減量化”掛鉤，要求經(jīng)營性和一般工業(yè)項目的新增用地指標(biāo)，必須通過實施等量的低效建設(shè)用地減量化獲得[1]。由于“以減定增”的政策導(dǎo)向，低效建設(shè)用地減量化立項數(shù)量激增，驗收調(diào)查工作量成倍增長。為提質(zhì)增效，開展無人機航測技術(shù)在土地復(fù)墾驗收調(diào)查中的應(yīng)用研究，以發(fā)揮其快速高效、質(zhì)輕靈活、操作簡便等優(yōu)勢，解決復(fù)墾驗收工作量大、時間緊張等問題。

1土地復(fù)墾驗收調(diào)查工作概況

土地復(fù)墾驗收調(diào)查是對申請土地復(fù)墾驗收的地塊進行實地勘測調(diào)查，查驗復(fù)墾后的土地是否符合土地復(fù)墾標(biāo)準(zhǔn)以及土地復(fù)墾方案的要求，核實復(fù)墾后的土地類型、面積和質(zhì)量等情況，并出具土地復(fù)墾驗收調(diào)查報告，給定新增耕地面積和建設(shè)用地減量面積數(shù)量。

隨著近年建設(shè)用地“減量化”工作在上海市自然資源管理中有力推進，“以減定增”的機制決定了新增用地指標(biāo)的主要來源為低效建設(shè)用地復(fù)墾，使得土地復(fù)墾驗收調(diào)查項目數(shù)量與日俱增。隨著建設(shè)用地減量化工作在全市全面開展，土地復(fù)墾驗收調(diào)查項目數(shù)量成倍增長，從原來的“300+”直接躍升到“1500+”。

從單個項目面積看，2015-2019 年度土地復(fù)墾項目單個的體量都比較小，立項面積小于1 公頃的占比超過60%，1-5公頃占30%，大于5 公頃約占10% 。

從項目分布情況看，以2017、2018年度為例，項目的集聚性較小。同時項目的申報時間是隨機的，更大的增加是項目分布的離散性，見圖2。因此，目前土地復(fù)墾驗收調(diào)查工作具有數(shù)量較多、單個項目面積小和項目分布離散性大等特點。

圖1上海土地復(fù)墾驗收調(diào)查項目分布Fig.1 Distribution of land reclamation acceptance survey projectsin Shanghai

2傳統(tǒng)作業(yè)模式

土地復(fù)墾驗收調(diào)查傳統(tǒng)工作模式是通過實地測量和拍照取證的方式，完成地類界線測繪和取證照片的采集，并通過內(nèi)業(yè)處理形成調(diào)查成果。其中，地類界線測繪主要采用RTK 測量的方式，對于衛(wèi)星星號欠佳的區(qū)域采用全站儀測量，輔助完成測繪成果[2]；拍照取證主要采用數(shù)碼相機采集的方式，對地塊四至、地類分界以及待驗收地塊土地復(fù)墾的總體情況拍照記錄，作為調(diào)查證據(jù)和作業(yè)依據(jù)；內(nèi)業(yè)處理主要包括地類界線數(shù)據(jù)和取證照片編輯，依據(jù)外業(yè)調(diào)查手簿和取證照片，完成地類判讀和注記，并形成調(diào)查成果。具體作業(yè)流程如圖2所示。

圖2傳統(tǒng)作業(yè)模式作業(yè)流程圖Fig.2 Operation flow chart of traditional RTK mode

作業(yè)過程通過逐點測量、逐地類拍照取證，實地采集項目范圍內(nèi)所有不同地類間的地類界線、重要地物點、界址點等，作業(yè)過程需保證項目范圍內(nèi)地類界線測量全覆蓋、取證全覆蓋、無地類遺漏以及每一項地類調(diào)查成果都有證明依據(jù)。任何一項遺漏和缺失，必須補測或重測，并補充取證照片。傳統(tǒng)作業(yè)模式投入的人員較多，效率相對較低，為提高工作效率，開展無人機航測技術(shù)在土地復(fù)墾驗收調(diào)查中的應(yīng)用研究。

3無人機航測技術(shù)

3.1工作原理

無人機航測模式是通過無人機航測的方式完成外業(yè)測量工作，利用航片成果作為地類判讀依據(jù)，完成地類判讀和注記，從而形成調(diào)查成果。

無人機航測是以攝影測量為基礎(chǔ)，利用無人機作為空中平臺搭載機載遙感設(shè)備獲取地面信息，通過計算機處理得到所需影像的低空數(shù)字航攝技術(shù)，可應(yīng)用于生產(chǎn)數(shù)字線化圖（DLG）、數(shù)字高程模型（DEM）和數(shù)字正射影像（DOM）等成果。它主要由飛行器、飛行控制系統(tǒng)、傳感器和地面保障系統(tǒng)組成，是無人機飛行技術(shù)、通信技術(shù)以及GNSS定位技術(shù)的有機融合體。隨著無人機飛行器平臺的不斷發(fā)展，無人機的小型化和經(jīng)濟性，大大擴展了其適用場景，并得到了市場青睞。主要具有以下幾個特點：第一，飛行限制少。無人機航測通常為低空飛行，空域申請便利，受氣候條件影響小，受起降場地影響小。第二，時效性和經(jīng)濟性強。無人機航測作業(yè)準(zhǔn)備時間短、操作簡單、運輸便利，作業(yè)人員數(shù)量和技術(shù)門檻要求較低，日均作業(yè)范圍可以達到數(shù)十平方公里，相較人工測繪在小范圍作業(yè)中具備極強的效率優(yōu)勢和經(jīng)濟優(yōu)勢。第三，續(xù)航能力強。隨著無人機機型的不斷小型化以及能量轉(zhuǎn)換技術(shù)的不斷發(fā)展，小型無人機單次飛行時間可以持續(xù)1小時以上，并可以通過更換電池的方法持續(xù)續(xù)航。無人機以其簡便、高效的特點，在測繪、遙感領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[3-4]，在土地復(fù)墾測量領(lǐng)域也有應(yīng)用的案例，如礦區(qū)土地復(fù)墾測量等[5]。

無人機航測的基礎(chǔ)是共線方程，也是攝影測量中最基本、最重要的關(guān)系式，即攝影中心S（XS,YS,Zs)、像點a(x,y)及對應(yīng)的地面點A（X,Y,Z）三點位于一條直線上,公式為：

利用光束法區(qū)域網(wǎng)平差原理，通過各個光線束在空間的旋轉(zhuǎn)和平移，使模型之間的公共點的光線實現(xiàn)最佳的交會，并使整個區(qū)域最佳地納入到已知的控制點坐標(biāo)系中，公式為：

式中：i 為點的序號，j為相片序號。

在土地復(fù)墾驗收調(diào)查工作中，無人機航測模式的主要工作流程如圖3所示。

圖3無人機航測模式流程圖Fig.3 Operation flow chart of UAV aerial survey mode

其中，外業(yè)準(zhǔn)備和外業(yè)作業(yè)的時間受作業(yè)范圍大小的影響較小、受地理環(huán)境的復(fù)雜程度影響較小，且影像數(shù)據(jù)后處理的自動化程度高，對人工需求少。

3.2 應(yīng)用研究

本研究以松江區(qū)佘山鎮(zhèn)某處土地復(fù)墾驗收項目為例，采用無人機航測的作業(yè)方法，在時效性、經(jīng)濟性、精確性和可靠性等方面，做分析評價。

3.2.1區(qū)域概況

本項目為松江區(qū)佘山鎮(zhèn)某處土地復(fù)墾調(diào)查項目，位于天馬山附近，土地復(fù)墾立項數(shù)為2個，涉及25個地塊，總面積約15.9 公頃（圖4）。其中，項目1 為西部作業(yè)區(qū)，立項面積67255.39m2；項目2為東部作業(yè)區(qū)，立項面積89300.89m2，現(xiàn)場均已完成復(fù)墾施工。該項目已于2019 年12月初，通過傳統(tǒng)作業(yè)模式完成土地復(fù)墾驗收調(diào)查，作業(yè)成果符合規(guī)范要求。本次研究，將把傳統(tǒng)作業(yè)模式調(diào)查成果作為比對標(biāo)準(zhǔn)，對無人機航測作業(yè)成果作出客觀評價。其中，傳統(tǒng)作業(yè)模式由3組作業(yè)隊伍，每組2 人，耗時4天完成外業(yè)調(diào)查工作，由2 人耗時3 天完成內(nèi)業(yè)處理工作，共計30 人工。

圖4項目范圍示意圖Fig.4 Schematic diagram of project scope

3.2.2 無人機的選擇

無人駕駛飛機簡稱“無人機”，是利用無線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛行器。從技術(shù)角度定義可以分為：固定翼無人機、垂直起降無人機、無人飛艇、無人直升機、多旋翼無人機等。在無人機航測領(lǐng)域，固定翼無人機和多旋翼無人機使用最為廣泛。固定翼無人機與民用航空飛機外形類似，需要借助跑道起飛和降落；多旋翼無人機主要有四軸、六軸和八軸旋翼無人機，體積較小，結(jié)構(gòu)簡單，飛行速度快。對三款較典型的機型參數(shù)進行比較，包括天巡MF2500固定翼無人機、致睿智控ZR-M66 六旋翼無人機和大疆精靈4RTK 四旋翼無人機（圖5），以選擇最適用的無人機進行本次無人機航測作業(yè)。

從作業(yè)能力方面看，多旋翼無人機續(xù)航能力和承載能力較差，適用于小面積的航測作業(yè)；固定翼無人機續(xù)航能力較強，且承載性能強，可以搭載不同傳感器應(yīng)對豐富的和較大范圍的作業(yè)要求。

圖5天巡MF2500（左）致睿智控ZR-M66（中）大疆精靈4RTK（右）Fig.5 MF2500(L),ZR-M66(M)and PHANTOM 4RTK(R)

從勤務(wù)性方面看，多旋翼無人機體型小、零件少、組裝簡便，相比固定翼無人機在運輸、組裝和使用方面更便捷。

從操控性方面看，多旋翼無人機操控簡單，均可垂直起降，起飛后可在空中懸停，對場地要求小。而固定翼無人機除采用與天巡MF2500 多旋翼相結(jié)合的混合結(jié)構(gòu)機型外，一般機型起飛方式為手拋、彈射和跑道滑行起飛等，場地要求開闊。

從可靠性方面看，多旋翼無人機沒有活動部件，可靠性較高。而固定翼無人機有活動的機械連接部件，飛行過程中會產(chǎn)生磨損，導(dǎo)致可靠性下降。而且多旋翼能夠懸停，飛行范圍受控，相對固定翼更安全。

考慮到本次航測區(qū)域立項總面積僅為16公頃，從無人機的作業(yè)能力來看，屬于小面積作業(yè)，并考慮便捷、經(jīng)濟和實用性，本次作業(yè)使用大疆精靈4RTK 四旋翼無人機。

3.2.3 無人機航測作業(yè)

無人機航測作業(yè)流程主要由像控點布設(shè)、影像數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù)處理組成。

（1）像控點布設(shè)

像控點布設(shè)是空中三角測量的基礎(chǔ)，其測量精度、布設(shè)密度和分布情況直接影響成果精度。布設(shè)像控點前需要做充分的準(zhǔn)備工作，如查看航測區(qū)域的地質(zhì)地貌條件，準(zhǔn)備油性噴漆、標(biāo)靶板等標(biāo)記物等。本次測區(qū)主要以水泥地面和鄉(xiāng)村小道居多，布控作業(yè)選用油性噴漆。利用油性噴漆劃“L”字型標(biāo)記，保證標(biāo)記足夠?qū)挾龋ㄒ话悴恍∮?cm寬度），便于內(nèi)業(yè)在相片上精確刺點，并拍照記錄像控點位置，一般需拍攝2-4 張不同角度的照片，以有參照物為宜，輔助內(nèi)業(yè)工作時能快速定位。

本次航拍在兩個作業(yè)區(qū)分別均勻布設(shè)6個像控點，其中，西部作業(yè)區(qū)像控點RTK 實測平面中誤差2.07cm，東部作業(yè)區(qū)像控點RTK 實測平面中誤差2.04cm（圖6）。

圖6像控點布設(shè)成果Fig.6 Layout of image control points

（2）影像數(shù)據(jù)獲取

本次航拍飛行器使用大疆精靈4RTK 四旋翼無人機，是一款面向低空攝影測量應(yīng)用，具備厘米級導(dǎo)航定位系統(tǒng)和高性能成像系統(tǒng)的小型無人機。大疆精靈4RTK 無人機可支持實時差分定位（RTK）和后差分處理(PPK)，其中，RTK 標(biāo)稱精度為水平1cm±1ppm，垂直1.5 cm±1ppm。RTK 服務(wù)類型有3種，分別為專配的D-RTK2移動站、千尋網(wǎng)絡(luò)RTK 服務(wù)和自定義網(wǎng)絡(luò)RTK（即省市級或自建CORS站）。在移動網(wǎng)絡(luò)信號不佳的情況下，可關(guān)閉RTK模式，航攝時在已知點上架設(shè)GPS 靜態(tài)基站，航攝完成后進行后差分處理即可得到高精度的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)。精靈4RTK 的理論續(xù)航時間為30 min，實際作業(yè)中為保證安全降落，無風(fēng)狀態(tài)下的飛行時間一般控制在20 min 以內(nèi)。另外，精靈4RTK 可提供遠達7 km 的高清圖傳，做到隨拍隨看。精靈4RTK 搭載的像機的具體參數(shù)：像幅大小/像素5472×3648，像元0.0024 mm，焦距8.8 mm。精靈4RTK的遙控器上安裝有GSRTK 軟件，可完成航線規(guī)劃和無人機控制飛行，支持導(dǎo)入航攝區(qū)域范圍。

航高公式：

式中：h 為飛行航高，GSD為地面采樣間隔，f 為鏡頭焦距，a 為像元尺寸。

根據(jù)航高公式及精靈4RTK 搭載像機的具體參數(shù)，可以計算得到為滿足GSD小于5cm,即成圖比例尺大于1:500[6]，航高不得高于183 m。

本次無人機航拍作業(yè)分為東西部兩個作業(yè)區(qū)，為比較航拍精度對土地復(fù)墾驗收調(diào)查中地類面積解算的影響，對兩個作業(yè)區(qū)分別設(shè)定了航高150 m 和250 m,即成圖比例尺滿足1:500和1:1000的精度要求（圖7）。其中，西部作業(yè)區(qū)設(shè)定航高150 m，拍攝范圍約2.20 km2，航向重疊度85%，旁向重疊度80%，共采集相片913張，用時約60分鐘；東部作業(yè)區(qū)設(shè)定航高250 m，拍攝范圍約3.00 km2，航向重疊度80%，旁向重疊度75%，共采集相片538張，用時約40 分鐘。

圖7航片成果Fig.7 Aerial photo achievements

（3）數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用武漢點云科技自主研發(fā)的Skyphoto航測軟件系統(tǒng)完成空中三角測量和地類界線矢量數(shù)據(jù)采集。其中，空中三角測量采用Skyphoto-Super 航測軟件作業(yè)，一鍵式操作，在生產(chǎn)DOM 的同時輸出高精度DSM 成果；矢量數(shù)據(jù)采集采用SKYPHOTO-MAP3D點云立體矢量數(shù)字采集系統(tǒng)完成，直接采用DOM 和DSM 疊加生成的假三維模型，進行裸眼3D矢量化，可有效提高投影差、影像遮蔽區(qū)域地類界線采集的精確程度。

本次航測區(qū)域內(nèi)，土地復(fù)墾情況較好，主要形態(tài)為耕地、菜地和林地（苗木）等，存在投影差和影像遮蔽區(qū)域少，故本次調(diào)查未增加外業(yè)調(diào)繪，全部通過內(nèi)業(yè)采集完成地類界線編輯和內(nèi)業(yè)判讀完成地類注記。其中，西部作業(yè)區(qū)立項面積67255.39 m2，解算得到新增農(nóng)用地56948.34 m2（耕地50757.91 m2）和減量建設(shè)用地57065.12 m2。土地分類明細有：灌溉水田（111）50088.22 m2菜地（115）669.69 m2林地（136）2115.6 m2農(nóng)村道路（153）4074.83 m2和河流水面（321）116.78 m2。東部作業(yè)區(qū)立項面積89300.89 m2，解算得到新增農(nóng)用地80628.88 m2（耕地72486.03 m2）和減量建設(shè)用地80855.53 m2。土地分類明細有：灌溉水田（111）62714.68 m2、菜地（115）9771.35 m2林地（136）1875.49 m2農(nóng)村道路（153）5295.35 m2坑塘水面（154）132.34 m2農(nóng)田水利（156）839.67 m2和河流水面（321）226.65 m2。

4對比分析

4.1精度分析

本次研究使用了兩種不同的作業(yè)模式，分別是傳統(tǒng)作業(yè)模式和無人機航測模式，對同一區(qū)域進行土地復(fù)墾驗收調(diào)查，形成了兩套調(diào)查成果（表1）。從調(diào)查成果可以得到，東、西部作業(yè)區(qū)耕地面積差異率分別為0.08%和-0.04%、農(nóng)用地面積差異率分別為0.64%和-0.34%和建設(shè)用地減量面積差異率為0.55%和-0.28%，各項差異率絕對值不大，最大值為0.64%，最小值僅為0.04%，其中差異率=面積差/立項面積。從差異率的比對結(jié)果可以說明，無人機航測法的應(yīng)用結(jié)果，在土地分類面積解算精度方面與傳統(tǒng)作業(yè)模式差異不大。

本次航拍作業(yè)對東、西部作業(yè)區(qū)分別設(shè)定航高250 m和150 m，對像控點圖上采集坐標(biāo)和RTK 實測坐標(biāo)進行比對得到，東、西部作業(yè)區(qū)像控點平面點位相對中誤差分別為7.04 cm 和2.74 cm,說明航高對成圖精度影響顯著，航高越低精度越高。從東部作業(yè)區(qū)各項差異率均大于西部作業(yè)區(qū)可以說明，航拍精度對面積解算精度有影響。

對土地分類面積解算結(jié)果進行比對得到，林地（136）和農(nóng)村道路（153）面積差的絕對值較大，在作業(yè)過程中發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象主要與影像判讀影響有關(guān)。其中，林地（136）因樹木樹冠的影像遮蔽現(xiàn)象，對地類界線產(chǎn)生遮擋，影響地類界線判讀；農(nóng)村道路（153）因其為細長線性地物，存在判讀誤差累積現(xiàn)象。

表1不同作業(yè)方式的土地面積測量結(jié)果對比Table 1 Comparison of land area measurement results of different operation modes

（2）效率分析

本次研究傳統(tǒng)作業(yè)模式中，外業(yè)工作由3組（6人）用時4 天完成，內(nèi)業(yè)工作由2 人用時3 天完成，共30 人工；無人機航測模式中，外業(yè)工作由1 組（2 人）用時1 天完成，內(nèi)業(yè)工作由1 人用時2 天完成，共4 人工。

從人工消耗看，無人機模式遠低于傳統(tǒng)作業(yè)模式；從無人機航測作業(yè)能力看，立項面積大小對人員需求和作業(yè)時長影響較小，一般效率為1組（2人）1天；從2015-2019 年土地復(fù)墾驗收調(diào)查傳統(tǒng)作業(yè)模式工作情況看，每組作業(yè)隊伍外業(yè)工作的日工作效率約為5公頃，對于5公頃以上的土地復(fù)墾驗收調(diào)查項目，采用無人機航測的方法可以有效提高作業(yè)效率，項目規(guī)模越大，效率提高越多。

4結(jié)論及展望

本文通過無人機航測在土地復(fù)墾驗收調(diào)查項目中的應(yīng)用實踐，結(jié)合兩種不同作業(yè)模式下調(diào)查成果的精度分析和調(diào)查工作的效率分析，得出如下結(jié)論：

（1）無人機航測模式成圖精度受航高影響顯著，在GSD 滿足1:500 比例尺要求的情況下，土地分類面積解算精度與傳統(tǒng)作業(yè)模式差異不大。

（2）無人機航測模式在應(yīng)對大面積調(diào)查項目時效率優(yōu)勢顯著，從研究結(jié)果看，在5公頃以上的土地復(fù)墾驗收調(diào)查項目中，無人機航測的應(yīng)用相對于傳統(tǒng)作業(yè)模式效率更高。

（3）無人機航測模式存在投影差、影像遮蔽等現(xiàn)象，對地類界線采集和地類判讀有影響。

本文僅研究了無人機航測技術(shù)在土地復(fù)墾驗收調(diào)查項目中的應(yīng)用，土地復(fù)墾驗收調(diào)查項目總體規(guī)模偏小的情況影響了無人機航測的應(yīng)用范圍，對其在大規(guī)模的調(diào)查項目如市級土地整治和自然資源調(diào)查中的應(yīng)用可以進一步探索和研究。

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