無人機(jī)調(diào)查舉證在三調(diào)省級核查中的應(yīng)用

賴 云，孔 姍，鄧惠元，寧應(yīng)來，余 國

（1.湖北省國土資源研究院，湖北 武漢 430071；2.北京中天博地科技有限公司，北京 100101）

根據(jù)國發(fā)[2017]48號《國務(wù)院關(guān)于開展第三次全國土地調(diào)查的通知》的文件要求[1]，國務(wù)院決定自2017年10月啟動第三次全國土地調(diào)查，全面查清當(dāng)前全國土地利用狀況，掌握真實(shí)準(zhǔn)確的土地基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，健全土地調(diào)查、監(jiān)測和統(tǒng)計(jì)制度，強(qiáng)化土地資源信息社會化服務(wù)，以滿足經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和國土資源管理工作需要。

基于“互聯(lián)網(wǎng)+”手持設(shè)備舉證技術(shù)，本文首先利用無人機(jī)拍攝實(shí)地調(diào)查地類的舉證照片，并對舉證照片的內(nèi)容、拍攝坐標(biāo)、角度、時間、無人機(jī)姿態(tài)等信息進(jìn)行加密，進(jìn)而形成調(diào)查舉證成果；然后采用“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)將舉證成果提交至省級核查平臺或“國土調(diào)查云”平臺進(jìn)行成果審核與分析，以確保調(diào)查成果數(shù)據(jù)的真實(shí)、準(zhǔn)確[2]。

1 無人機(jī)調(diào)查舉證系統(tǒng)

湖北省無人機(jī)調(diào)查舉證系統(tǒng)，作為外業(yè)調(diào)查舉證App的有益補(bǔ)充，提高了外業(yè)調(diào)查、舉證的工作效率。系統(tǒng)由湖北省無人機(jī)調(diào)查舉證地面站、湖北省無人機(jī)調(diào)查舉證App和無人機(jī)平臺3個部分組成，為國土工作的調(diào)查、舉證、監(jiān)管等業(yè)務(wù)提供了調(diào)查舉證的解決方案。

1.1 無人機(jī)調(diào)查舉證地面站

無人機(jī)調(diào)查舉證地面站（圖1）以工程概念為基礎(chǔ)，以航線設(shè)計(jì)為核心，具有內(nèi)業(yè)航線設(shè)計(jì)、外業(yè)飛行成果處理等功能[3]。無人機(jī)調(diào)查舉證地面站是基于ArcGIS和Windows系統(tǒng)研發(fā)的桌面端軟件，是制作無人機(jī)外業(yè)調(diào)查舉證的飛行信息、回收無人機(jī)外業(yè)調(diào)查成果以及舉證成果分析與提交的主要工具軟件。其主要功能包括設(shè)置航點(diǎn)、拍照點(diǎn)信息，設(shè)置拍照點(diǎn)拍攝方向，設(shè)置圖斑與舉證照片關(guān)聯(lián)關(guān)系，回收舉證成果，生成舉證DB包等。

圖1 無人機(jī)調(diào)查舉證地面站界面

1.2 無人機(jī)調(diào)查舉證App

無人機(jī)調(diào)查舉證App（圖2）基于Android系統(tǒng)開發(fā)，負(fù)責(zé)圖斑調(diào)查舉證和在線視頻互聯(lián)工作，界面簡潔、傻瓜式操作，一鍵起飛、一鍵返航即可完成調(diào)查舉證工作。無人機(jī)調(diào)查舉證App設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了圖斑斷點(diǎn)續(xù)飛、飛行坐標(biāo)記錄、單個圖斑手動飛行模式等功能，提高了外業(yè)作業(yè)效率。

圖2 無人機(jī)調(diào)查舉證App界面

1.3 無人機(jī)平臺

消費(fèi)級小型無人機(jī)具有體積小、重量輕、操作簡單、靈活輕便等優(yōu)勢，已廣泛應(yīng)用于國土資源調(diào)查監(jiān)測與舉證等工作中。本文主要采用大疆精靈Phantom 4A、御Mavic2等無人機(jī)平臺進(jìn)行國土資源調(diào)查舉證研究，并將調(diào)查舉證成果應(yīng)用于省級核查中。無人機(jī)類型和主要參數(shù)如圖3、表1所示。

圖3 無人機(jī)類型

表1 無人機(jī)參數(shù)

2 省級核查平臺

湖北省縣級調(diào)查成果、市級匯總成果經(jīng)自檢合格后，由省國土調(diào)查主管部門負(fù)責(zé)組織作業(yè)單位進(jìn)行全面檢查[4]。

省級核查在成果完整性和規(guī)范性檢查的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)檢查成果的真實(shí)性和準(zhǔn)確性?；凇盎ヂ?lián)網(wǎng)+”舉證成果，采用計(jì)算機(jī)自動比對和人機(jī)交互檢查的方式對縣市報(bào)送的成果進(jìn)行逐圖斑內(nèi)業(yè)比對，重點(diǎn)檢查不一致圖斑調(diào)查地類與影像以及地方舉證照片的一致性；然后對內(nèi)業(yè)檢查結(jié)果的部分疑問圖斑開展省級外業(yè)實(shí)地核查，對外業(yè)圖斑進(jìn)行認(rèn)定，并利用移動外業(yè)設(shè)備或無人機(jī)調(diào)查設(shè)備拍攝圖斑實(shí)地照片[5]。

湖北省研發(fā)的省級內(nèi)外業(yè)核查平臺，利用遙感影像、“互聯(lián)網(wǎng)+”實(shí)地舉證照片、項(xiàng)目備案信息等相關(guān)資料，對第三次全國土地調(diào)查數(shù)據(jù)庫中圖斑的地類、邊界、范圍等信息進(jìn)行機(jī)器自動檢查和人機(jī)交互對比檢查，以確保第三次全國土地調(diào)查成果真實(shí)、準(zhǔn)確。外業(yè)核查軟件采用“互聯(lián)網(wǎng)+”云計(jì)算、衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)，通過外業(yè)核查人員現(xiàn)場定位，數(shù)據(jù)、照片（視頻）實(shí)時傳輸和動態(tài)調(diào)度，開展在線舉證和外業(yè)實(shí)地核查工作。為解決交通不便、人為管制等受限區(qū)域的圖斑舉證實(shí)際困難，提高外業(yè)工作效率，本文研發(fā)了湖北省無人機(jī)調(diào)查舉證系統(tǒng)，能輔助人工PDA舉證系統(tǒng)完成全省外業(yè)核查舉證工作。

3 無人機(jī)調(diào)查舉證在省級核查中的應(yīng)用

國土資源調(diào)查舉證工作時間緊、任務(wù)重，利用手機(jī)或平板等外業(yè)核查舉證方法在舉證過程中存在一定弊端，如交通不便、植被茂盛無法通過、場地管制不許通行、視野狹窄等；而利用小型無人機(jī)開展外業(yè)核查舉證工作可大大節(jié)省人力物力，且對于地形復(fù)雜、圖斑面積大、人力無法到達(dá)的區(qū)域，具有較大的優(yōu)勢。利用無人機(jī)進(jìn)行外業(yè)調(diào)查舉證，能快速、全方位地拍攝圖斑的實(shí)地照片，完成調(diào)查圖斑舉證工作，且調(diào)查成果能通過縣級提交，實(shí)現(xiàn)調(diào)查舉證成果在省級核查中的應(yīng)用。

3.1 無人機(jī)調(diào)查舉證技術(shù)路線

無人機(jī)調(diào)查舉證采用消費(fèi)級小型無人機(jī)，利用無人機(jī)調(diào)查舉證軟件拍攝舉證照片，通過Web平臺或上傳工具將成果傳送至省級核查平臺。相關(guān)調(diào)查成果符合省級核查要求，還增加了無人機(jī)調(diào)查舉證特定的參數(shù)信息，如無人機(jī)起飛點(diǎn)經(jīng)緯度、拍照點(diǎn)經(jīng)緯度、拍攝方向、拍攝高度和俯仰角等，為無人機(jī)調(diào)查舉證照片展示提供了相關(guān)參數(shù)[6]。

為了保證舉證成果可還原、可驗(yàn)證、不可被人為替換，在無人機(jī)監(jiān)測結(jié)果外業(yè)核實(shí)工作中需考慮不同的數(shù)據(jù)加密和舉證成果驗(yàn)證技術(shù)。

無人機(jī)調(diào)查舉證成果采用MD5算法[7]與RSA非對稱加密算法[8]進(jìn)行加密。MD5算法加密是不可逆的，從而保證信息不被修改和替換；RSA非對稱加密算法可提供對加密內(nèi)容的隱藏和驗(yàn)證功能。無人機(jī)調(diào)查舉證過程中，首先提取原始照片內(nèi)容的MD5，再組合人員、時間、地點(diǎn)、方向、高度、俯仰角和設(shè)備等拍照七要素，然后利用RSA非對稱加密算法生成一個驗(yàn)證信息，用以保證舉證成果的真實(shí)有效，不被替換。外業(yè)采用RSA公鑰對信息進(jìn)行加密，數(shù)據(jù)回收后再通過RSA私鑰對信息進(jìn)行解密，并驗(yàn)證解密信息與接收到數(shù)據(jù)的一致性。

3.2 無人機(jī)調(diào)查舉證成果與省級核查平臺對接

湖北省第三次全國土地調(diào)查“互聯(lián)網(wǎng)+”舉證與在線核查平臺采用自建省級云平臺，縣級調(diào)查成果通過外業(yè)調(diào)查設(shè)備調(diào)查后提交至省級平臺進(jìn)行調(diào)查舉證成果審核。無人機(jī)調(diào)查舉證省級核查技術(shù)流程為內(nèi)業(yè)航線設(shè)計(jì)、外業(yè)實(shí)地調(diào)查、外業(yè)調(diào)查成果回收處理、生成標(biāo)準(zhǔn)調(diào)查成果包、通過省級平臺上傳工具將調(diào)查成果包上傳至省級調(diào)查核查平臺，如圖4所示。

圖4 無人機(jī)調(diào)查舉證省級核查技術(shù)流程圖

3.3 無人機(jī)調(diào)查舉證系統(tǒng)在省級核查中應(yīng)用

湖北省處于我國地勢第二級階梯向第三級階梯過渡地帶，地勢呈三面高專起、中間低屬平、向南敞開、北有缺口的不完整盆地；地貌類型多樣，山地、丘陵、崗地和平原兼?zhèn)?。山地、丘陵、崗地和平原各占全省總面積的44.38%、22.59%、13.16%和19.87%。全省主要以山地和丘陵為主，地形復(fù)雜，個別地區(qū)人力不便到達(dá)，利用無人機(jī)調(diào)查舉證軟件對山區(qū)和丘陵地區(qū)圖斑進(jìn)行舉證，能提高調(diào)查舉證的工作效率。利用無人機(jī)軟件調(diào)查舉證時，需提前了解舉證區(qū)域的地形地貌和植被特征，選擇合適的航高，尤其是在恩施、十堰等山區(qū)設(shè)置航高時，應(yīng)充分考慮地形的起伏變化，避免航高設(shè)置過低造成撞機(jī)事件；而在荊州、武漢等平原地區(qū)舉證時，設(shè)置航高需避開信號塔、高壓線等高干擾信號源。無人機(jī)調(diào)查舉證時，正拍照片的拍攝角度在-85°～-90°范圍內(nèi)，斜拍照片的拍攝角度在-30°～-85°范圍內(nèi)[9]。

1）山區(qū)、丘陵地區(qū)無人機(jī)調(diào)查舉證。山區(qū)、丘陵地區(qū)因地形地貌復(fù)雜、地形高差較大，在航線設(shè)計(jì)時需參考DEM數(shù)據(jù)獲取圖斑之間的高程差，整個航線圖斑之間的高程不宜相差超過100 m，高差較大的圖斑需在不同的航線中舉證。根據(jù)地區(qū)情況，山區(qū)圖斑舉證以林地和園地為主，零星耕地調(diào)查，舉證航高建議設(shè)置大于圖斑之間的高程差，以保證無人機(jī)安全飛行。山區(qū)舉證圖斑利用DEM數(shù)據(jù)解算無人機(jī)起飛點(diǎn)與舉證圖斑之間的高程差，以修正圖斑實(shí)際航高；并利用無人機(jī)參數(shù)獲取照片范圍，可將照片以正拍照片的方式疊加到矢量數(shù)據(jù)上，為核查人員快速審核提供方便（圖5）。

圖5 無人機(jī)成果展示-山區(qū)

2）平原地區(qū)無人機(jī)調(diào)查舉證。平原地區(qū)地勢平坦，利用無人機(jī)調(diào)查舉證時只需避開信號塔、高壓線和較高建筑物即可。平原地區(qū)舉證圖斑以耕地為主，需區(qū)分耕地中園林地和部分建筑物，建議航高適當(dāng)降低設(shè)置，以保證照片更精細(xì)，便于地貌特征識別（圖6）。

圖6 無人機(jī)成果展示-平原

3）無人機(jī)調(diào)查舉證在省級核查中的實(shí)例。本文在黃岡市紅安縣永佳河鎮(zhèn)選擇了54個實(shí)地圖斑對湖北省無人機(jī)調(diào)查舉證系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)地驗(yàn)證與應(yīng)用，圖斑涉及山區(qū)與平原地區(qū)。通過實(shí)地驗(yàn)證可知，無人機(jī)調(diào)查舉證系統(tǒng)能高效完成圖斑調(diào)查與舉證工作，技術(shù)可行。圖斑分布在半徑為2 km的范圍內(nèi)，周圍通視效果良好，圖斑密度適當(dāng)（10～30個圖斑），可設(shè)計(jì)在一條航線內(nèi)（圖7）。照片覆蓋多個圖斑的，可設(shè)置同一個拍攝點(diǎn)完成，單個架次可在20 min內(nèi)完成調(diào)查舉證。驗(yàn)證采用人工手機(jī)實(shí)地舉證與無人機(jī)實(shí)地舉證對比測試的方式，以完成全部圖斑舉證時間為對比指標(biāo)。結(jié)果表明，無人機(jī)組在平原地區(qū)和山區(qū)的作業(yè)效率以及舉證照片的拍攝效果均明顯高于人工組。在交通不便利以及山區(qū)人力不便到達(dá)區(qū)域采用無人機(jī)舉證，工作效率的提高更加明顯（表2）。

圖7 測試區(qū)域圖斑分布與位置影像圖

在實(shí)地驗(yàn)證與應(yīng)用中，無人機(jī)調(diào)查舉證采用離線調(diào)查的方式，由內(nèi)業(yè)組提供外業(yè)調(diào)查矢量數(shù)據(jù)，通過內(nèi)業(yè)分析，在無人機(jī)調(diào)查舉證地面站軟件中進(jìn)行航線設(shè)計(jì)：平原地區(qū)圖斑35個，分布在5個行政村，圖斑跨度較大，內(nèi)業(yè)航線設(shè)計(jì)時考慮無人機(jī)安全飛行，設(shè)計(jì)4條航線，航高為100 m，航線長度為4～7 km；山區(qū)圖斑19個，分布在山頂、半山腰、水庫中央、高速路兩旁、丘陵緩坡兩邊等復(fù)雜地形區(qū)域，設(shè)計(jì)4條航線，航高設(shè)計(jì)為150～200 m，其中水庫中央1個獨(dú)立圖斑單獨(dú)設(shè)計(jì)航線。在航線范圍中心處選擇無人機(jī)起飛點(diǎn)進(jìn)行實(shí)地外業(yè)調(diào)查舉證工作，完成后回收調(diào)查成果數(shù)據(jù)，并生成符合省級平臺標(biāo)準(zhǔn)的DB包文件，再通過省級平臺上傳工具上傳至省級核查平臺，完成無人機(jī)外業(yè)核查工作。衛(wèi)星影像、人工舉證照片、無人機(jī)舉證照片三者的效果對比如圖8所示。

表2 無人機(jī)與人工作業(yè)效率和效果對比

圖8 3種方式的調(diào)查舉證效果對比

4 結(jié) 語

無人機(jī)調(diào)查可同時采用傾斜視角和垂直視角，彌補(bǔ)了人工舉證照片視角不佳、拍攝不全的缺點(diǎn)，拍攝的照片能反映圖斑整體的土地利用狀況，便于內(nèi)業(yè)人員判定圖斑的地類和邊界。調(diào)查舉證過程中，無人機(jī)具有流程清晰、操作簡單、速度快等特點(diǎn)，為自然資源調(diào)查舉證提供了技術(shù)保障。無人機(jī)調(diào)查舉證技術(shù)在湖北省第三次全國土地調(diào)查核查中進(jìn)行了初步應(yīng)用，后續(xù)將在湖北省第三次全國土地調(diào)查專項(xiàng)調(diào)查、草原資源調(diào)查、國土監(jiān)測以及地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中開展更廣泛的應(yīng)用。然而，信號干擾（通信塔、磁場）、遙控距離限制、電池續(xù)航、氣候（風(fēng)力、雨天等）等因素均會制約無人機(jī)的工作效率，因此如何克服消費(fèi)級無人機(jī)在調(diào)查舉證中的不利因素，是需要進(jìn)一步研究并攻克的技術(shù)難關(guān)。