無(wú)人機(jī)在自然資源管理中的應(yīng)用需求與現(xiàn)狀研究

趙官正

（安徽省地質(zhì)測(cè)繪技術(shù)院， 安徽合肥 230022）

0 引言

無(wú)人機(jī)作為先進(jìn)的科技產(chǎn)品代表，憑借獨(dú)特優(yōu)勢(shì)已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，并逐漸成為研究熱點(diǎn)。通過(guò)對(duì)中國(guó)知網(wǎng)相關(guān)數(shù)據(jù)分析，自2000年來(lái)，“無(wú)人機(jī)”關(guān)鍵詞的學(xué)術(shù)關(guān)注度與學(xué)術(shù)傳播度呈逐年增加趨勢(shì)，如表1所示。

無(wú)人機(jī)“天上看”應(yīng)用的開(kāi)展，配合地面數(shù)據(jù)采集核實(shí)，信息化手段互聯(lián)，建立“天上看、地上查、網(wǎng)上管”天地一體化的新型監(jiān)管模式，可為自然資源管理提供有效幫助。

自然資源是指天然存在的并有利用價(jià)值的自然物，如土地、礦藏、水利、生物、氣候、海洋等資源，是生產(chǎn)的原料來(lái)源和布局場(chǎng)所。2018年4月10日自然資源部掛牌成立，其融合了原國(guó)土資源部、國(guó)家林業(yè)局、國(guó)家海洋局、國(guó)家測(cè)繪地理信息局等部門，進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)自然資源的保護(hù)和合理開(kāi)發(fā)利用。新的職能范圍對(duì)自然資源的管理工作提出了更高要求：管理對(duì)象更全面，管理范圍更廣泛，管理方式更多樣，管理響應(yīng)更迅捷，管理手段更科學(xué)。本文旨在總結(jié)學(xué)者們利用無(wú)人機(jī)技術(shù)應(yīng)用于自然資源管理等方面的案例，探究其在自然資源管理上的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)及前景。

1 無(wú)人機(jī)組成及應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

表1 無(wú)人機(jī)研究CNKI指數(shù)Table 1.CNKI index of UAV research

1.1 無(wú)人機(jī)組成

無(wú)人機(jī)是一種具備動(dòng)力裝置和導(dǎo)航模塊，在一定范圍內(nèi)依靠無(wú)線電裝置或計(jì)算機(jī)預(yù)設(shè)飛控程序自主控制飛行的無(wú)人駕駛航空器[1]，其組成主要包含以下幾個(gè)部分：動(dòng)力裝置(燃油發(fā)動(dòng)機(jī)或電力發(fā)動(dòng)機(jī))、飛控系統(tǒng)(核心，其控制無(wú)人機(jī)的發(fā)射回收、航線控制、任務(wù)設(shè)備管理、信息收集傳輸?shù)裙δ?、電氣裝置、通信系統(tǒng)(控制站與飛機(jī)之間數(shù)據(jù)鏈路傳輸)、任務(wù)載荷(根據(jù)工作需求和研究目的不同進(jìn)行配置)、控制站(實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，通過(guò)通信鏈路控制飛機(jī)飛行)。

1.2 應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

較之衛(wèi)星遙感和傳統(tǒng)人工測(cè)量手段，無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)具有靈活、高效、快速、準(zhǔn)確、低成本的特點(diǎn)，其具有以下優(yōu)勢(shì)：

(1)安全風(fēng)險(xiǎn)低。無(wú)人機(jī)通過(guò)地面遙控便可以采集高危區(qū)域影像數(shù)據(jù)，可以到達(dá)人工無(wú)法到達(dá)的地方，降低安全風(fēng)險(xiǎn)。

(2)部署靈活機(jī)動(dòng)。無(wú)人機(jī)重量小，飛行方式多樣，對(duì)場(chǎng)地環(huán)境要求不高。

(3)效費(fèi)比高。利用無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量技術(shù)可有效減少人工野外測(cè)量工作量，節(jié)約人工費(fèi)用，且生產(chǎn)效率高。

(4)獲得高清影像。通過(guò)搭載不同傳感器，設(shè)置不同航高，可以獲得不同級(jí)別空間分辨率的影像數(shù)據(jù)，甚至可達(dá)厘米級(jí)。

(5)經(jīng)濟(jì)實(shí)用。使用成本低，操作簡(jiǎn)單，維護(hù)方便。

2 行業(yè)應(yīng)用需求

2.1 數(shù)據(jù)需求

自然資源的一體化管理和國(guó)土空間的統(tǒng)一管控成為當(dāng)前自然資源主管部門工作的重要組成部分，而構(gòu)建自然資源和規(guī)劃一體化數(shù)據(jù)體系也必然成為工作重點(diǎn)。2018年自然資源部提出相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)要由二維系統(tǒng)變成三維系統(tǒng)，解決自然資源調(diào)查、確權(quán)和國(guó)土空間用途管控等問(wèn)題，這對(duì)數(shù)據(jù)的精度表現(xiàn)形式、完整性提出了更高要求。無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)產(chǎn)品主要包括數(shù)字正射影像(DOM)、數(shù)字表面模型(DSM)、數(shù)字線劃圖(DLG)及實(shí)景三維產(chǎn)品，另外無(wú)人機(jī)還可以搭載多種傳感器，生成高分辨率、高光譜遙感數(shù)據(jù)及雷達(dá)遙感數(shù)據(jù)，豐富了數(shù)據(jù)產(chǎn)品，可極大滿足自然資源管理和日常生產(chǎn)中的數(shù)據(jù)需求。

2.2 業(yè)務(wù)需求

在礦山資源管理過(guò)程中，無(wú)人機(jī)三維實(shí)景建模，可以對(duì)礦山儲(chǔ)量、地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、有效的監(jiān)測(cè)；在地質(zhì)災(zāi)害日常管理中，無(wú)人機(jī)可深入徒步難以到達(dá)的地區(qū)開(kāi)展調(diào)查與監(jiān)測(cè)工作，險(xiǎn)情發(fā)生時(shí)，無(wú)人機(jī)一方面可將最新、最前沿的情況通過(guò)多媒體傳輸，便于應(yīng)急指揮，另一方面通過(guò)應(yīng)急測(cè)繪，將真實(shí)、客觀的數(shù)據(jù)及時(shí)傳輸，便于應(yīng)急決策。無(wú)人機(jī)靈活、機(jī)動(dòng)性特點(diǎn)可滿足多種自然資源管理業(yè)務(wù)的要求。

3 無(wú)人機(jī)技術(shù)典型應(yīng)用

3.1 作業(yè)流程

不同的研究方向和生產(chǎn)目的，對(duì)數(shù)據(jù)類型和格式的要求是不同的，利用無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)，通過(guò)外業(yè)數(shù)據(jù)的采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，最終生產(chǎn)出的數(shù)據(jù)產(chǎn)品主要有4D數(shù)據(jù)成果、實(shí)景三維模型以及各種影像數(shù)據(jù)。正是無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)獲取數(shù)據(jù)方便、高效、靈活等特點(diǎn)使其能夠快速高效地獲得豐富的數(shù)據(jù)成果。無(wú)人機(jī)測(cè)繪的作業(yè)一般流程如圖1所示：

圖1 無(wú)人機(jī)作業(yè)一般流程圖Figure 1.General flow chart of UAV operation

3.2 典型應(yīng)用案例

針對(duì)無(wú)人機(jī)在自然資源行業(yè)中的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)學(xué)者已做了許多研究和典型應(yīng)用。

土地資源應(yīng)用方面：張久龍等[2]經(jīng)過(guò)實(shí)地?cái)?shù)據(jù)的采集比對(duì)，驗(yàn)證了應(yīng)用無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)最終生產(chǎn)的DOM數(shù)據(jù)能夠達(dá)到1∶500的成圖精度。許輝熙等[3]利用無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)實(shí)現(xiàn)土地快速詳查。楊曉紅[4]以安徽省蕪湖縣為例，采用無(wú)人機(jī)測(cè)繪快速獲取影像數(shù)據(jù)，生成豐富多樣的成果數(shù)據(jù)。研究表明，應(yīng)用無(wú)人機(jī)航測(cè)遙感能快速準(zhǔn)確采集數(shù)據(jù)，通過(guò)后期融合及數(shù)據(jù)處理，為國(guó)土監(jiān)測(cè)執(zhí)法部門提供品種豐富的成果數(shù)據(jù)，在提高監(jiān)管效率、減少監(jiān)管成本方面展現(xiàn)出巨大的比較優(yōu)勢(shì)。

礦產(chǎn)資源應(yīng)用方面：王寧娜等[5]通過(guò)無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)建立具備真實(shí)紋理的礦山三維模型，客觀有效地反映礦山地質(zhì)環(huán)境治理情況及治理效果，為礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與恢復(fù)治理日常監(jiān)測(cè)提供技術(shù)支撐。楊青山等[6]應(yīng)用無(wú)人機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)露天開(kāi)采礦山儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確掌握礦山資源儲(chǔ)量變化情況及原因，為礦山開(kāi)采設(shè)計(jì)、采掘計(jì)劃的編制及生產(chǎn)管理提供必要的資料，促進(jìn)礦山資源儲(chǔ)量的有效保護(hù)和合理利用。

森林資源應(yīng)用方面：張園等[7]將無(wú)人機(jī)遙感測(cè)繪技術(shù)用于森林資源調(diào)查；韋雪花[8]利用無(wú)人機(jī)遙感影像數(shù)據(jù)對(duì)冠幅、樹(shù)高、林分密度等森林參數(shù)進(jìn)行了提取，都取得了較完美的效果。

草原資源應(yīng)用方面：張順等[9]利用低空無(wú)人機(jī)遙感影像，結(jié)合實(shí)地調(diào)查，開(kāi)展草原灌叢遙感辨識(shí)方法研究，實(shí)現(xiàn)了草原灌叢的準(zhǔn)確提?。豁n東等[10]結(jié)合無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)平臺(tái)和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，建立的平臺(tái)可應(yīng)用于各種類型生態(tài)系統(tǒng)植被類型劃分、監(jiān)測(cè)和評(píng)估。

濕地資源應(yīng)用方面：井然等[11]利用無(wú)人機(jī)SFM數(shù)據(jù)，通過(guò)構(gòu)建模型，成功預(yù)測(cè)了水植物生物量的精度。

水資源應(yīng)用方面：秦慧杰等[12]對(duì)無(wú)人機(jī)影像進(jìn)行多尺度分割，運(yùn)用波段融合技術(shù)、對(duì)水體進(jìn)行分類提取，反演水體變化特征，大大減少了水體監(jiān)測(cè)人員工作量，提高水體監(jiān)測(cè)效率；李鑫等[13]以無(wú)人機(jī)航拍獲取的可見(jiàn)光影像為數(shù)據(jù)源，成功應(yīng)用于小面積水域中藍(lán)藻的分類及提取，且數(shù)據(jù)質(zhì)量穩(wěn)定，精度較高。

海洋資源應(yīng)用方面：譚金石等[14]結(jié)合無(wú)人機(jī)技術(shù)，提出并證明了海島礁監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)獲取和處理的監(jiān)測(cè)技術(shù)的適用性，為全面海島礁監(jiān)測(cè)的實(shí)施提供了參考。

此外，無(wú)人機(jī)還被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)植保與監(jiān)測(cè)[15～16]、水利BIM[17]等領(lǐng)域中，取得了較為豐碩的成果。

3.3 實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證

筆者通過(guò)利用基于千尋位置服務(wù)的無(wú)人機(jī)完成對(duì)安徽省靈璧縣磬云山國(guó)家地質(zhì)公園的航測(cè)與建模處理(圖2)，并實(shí)測(cè)驗(yàn)證了成圖精度，成果滿足基礎(chǔ)信息成果1∶500、1∶1000、1∶2000（CHT 9008-2010）相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，證明了數(shù)據(jù)成果具有較高的可信度和應(yīng)用價(jià)值。

圖3 徽州區(qū)篁村地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)正射圖Figure 3.Orthophotograph of spots of geohazard risks in Huang Village，Huizhou District

圖4 肥西縣地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)應(yīng)急撤離路線圖Figure 4.Emergency evacuation route map of potential geological hazards in Feixi County

此外，筆者還多次利用無(wú)人機(jī)參與地質(zhì)災(zāi)害排查與應(yīng)急項(xiàng)目。圖3所示正射圖（DOM）較直接反映了地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)周圍環(huán)境，為專家評(píng)估地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)等級(jí)提供輔助資料；圖4較直觀顯示了逃跑撤離路線（紅色箭頭），可為應(yīng)急處置提供參考。

4 結(jié)論與展望

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，無(wú)論是從事自然資源的管理部門，或是生產(chǎn)部門，如何實(shí)現(xiàn)高效智能化管理，低成本運(yùn)作，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中一直有著迫切需求。隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)以及人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，利用無(wú)人機(jī)技術(shù)開(kāi)展自然資源管理，理論基礎(chǔ)扎實(shí)，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)成熟，數(shù)據(jù)成果豐富，比較優(yōu)勢(shì)突出，應(yīng)用前景將會(huì)更加廣泛。

圖2 磬云山國(guó)家地質(zhì)公園DOM與DSM預(yù)覽圖Figure 2.DOM and DSM preview of the Qingyunshan National Geopark