無人機測繪技術(shù)在城市綠地調(diào)查中的應(yīng)用

曹君

摘 要：針對傳統(tǒng)全野外人工綠地調(diào)查法費時、費力且成本高的問題，本研究提出了一種基于無人機測繪技術(shù)的城市綠地調(diào)查法。梳理總結(jié)了利用無人機測繪技術(shù)進行數(shù)據(jù)獲取、預(yù)處理和信息提取的關(guān)鍵流程，并以筆者所在的學(xué)校為試驗區(qū)，開展了試驗研究。最后，從作業(yè)效率和成果精度方面，將無人機測繪技術(shù)與傳統(tǒng)全野外測量法進行對比，結(jié)果表明：采用無人機測繪技術(shù)可在保證綠地提取精度的前提下，大幅節(jié)省人力物力、提高作業(yè)效率。

關(guān)鍵詞：無人機;測繪;綠地調(diào)查

中圖分類號：P231 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）5-0006-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.05.001

Application of UAV Surveying and Mapping Technology in Urban Green Space Investigation

CAO Jun

（Wuhan City Vocational College，Wuhan 430064，China）

Abstract： In order to avoid the time-consuming， laborious and costly problem of the traditional full-field manual survey method of urban green space， this paper proposed an urban green space investigation method based on UAV surveying and mapping technology. It summarized the key processes of data acquisition， preprocessing and information extraction using UAV surveying and mapping technology， and carried out experimental research with the author's school as the experimental area. Finally， in terms of operational efficiency and accuracy of results， the UAV mapping Technology is compared with the traditional full-field survey method. The results show that the use of UAV surveying and mapping method can greatly save labor and material costs，improve operational efficiency while ensuring the accuracy of green space extraction.

Keywords： UAV; surveying and mapping; green space investigation

0 引言

隨著全球經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，全球氣候變化、臭氧層破壞和損耗、生物多樣性減少等一系列環(huán)境問題也越來越顯現(xiàn)。城市綠地規(guī)劃與布局的合理與否，將直接關(guān)系到城市環(huán)境質(zhì)量和居民生活質(zhì)量改善的成敗，關(guān)系到生態(tài)宜居、可持續(xù)城市建設(shè)的成敗。隨著人們對自身居住環(huán)境質(zhì)量的關(guān)注度越來越高，城市綠地系統(tǒng)狀況已成為衡量城市文明和城市現(xiàn)代化的重要標(biāo)志[1]，越來越多的城市建設(shè)目標(biāo)也開始向追求高質(zhì)量生態(tài)環(huán)境轉(zhuǎn)變，積極進行綠地生態(tài)建設(shè)、擴大綠地面積、提高綠地覆蓋率、優(yōu)化綠化結(jié)構(gòu)，同時也越來越注重植被的科學(xué)建管[1]。

高效快速、精細(xì)準(zhǔn)確的調(diào)查方法是進行城市綠地科學(xué)建管的基礎(chǔ)。目前，城市綠地調(diào)查的方法主要有傳統(tǒng)全野外測量法、衛(wèi)星遙感測繪法等。其中，全野外測量法需要投入大量的人力、物力，存在作業(yè)周期長、成本高等缺點;衛(wèi)星遙感測繪法則能夠有效地減少野外作業(yè)的工作量，從而提高作業(yè)效率，但受衛(wèi)星高度、天氣條件等因素的影響，所獲取的衛(wèi)星影像往往存在分辨率不足、云層遮擋等問題[2]，直接導(dǎo)致在綠地調(diào)查過程中植被識別困難、統(tǒng)計精度有限。

無人機測繪技術(shù)作為傳統(tǒng)航空攝影測量手段的有力補充，能夠有效彌補全野外測量法和衛(wèi)星遙感測繪法的不足，具有機動靈活、高效快速、精細(xì)準(zhǔn)確、作業(yè)成本低、適用范圍廣、生產(chǎn)周期短等特點，在小區(qū)域和飛行困難地區(qū)能夠快速獲取高分辨率影像[3-4]，被廣泛應(yīng)用于國家重大工程建設(shè)、災(zāi)害應(yīng)急與處理、國土監(jiān)察、新農(nóng)村和小城鎮(zhèn)建設(shè)等方面，尤其是在基礎(chǔ)測繪、土地資源調(diào)查監(jiān)測、土地利用動態(tài)監(jiān)測、數(shù)字城市建設(shè)和應(yīng)急救災(zāi)測繪數(shù)據(jù)獲取等方面具有廣闊的應(yīng)用前景[5-6]。

基于上述前提，筆者以武漢城市職業(yè)學(xué)院校園為試驗區(qū)，利用無人機測繪技術(shù)開展綠地調(diào)查，對城市綠地調(diào)查中的數(shù)據(jù)采集、處理和分析中的關(guān)鍵技術(shù)進行研究，對基于無人機測繪進行城市綠地調(diào)查的技術(shù)路線進行探索，從而為綠化用地的科學(xué)建管提供技術(shù)支持，為建設(shè)生態(tài)型城市建設(shè)奠定基礎(chǔ)。

1 試驗區(qū)情況

為了便于開展無人機測繪技術(shù)研究，選取武漢城市職業(yè)學(xué)院為試驗區(qū)。試驗區(qū)位于武漢市洪山區(qū)南部，地處洪山區(qū)與江夏區(qū)交界處，總面積約為0.57 km2，整體呈狹長形分布，地勢平坦，位于亞熱帶季風(fēng)濕潤區(qū)，光照充足，雨量充沛，植被覆蓋率較高，適宜開展基于無人機測繪技術(shù)在綠地提取中的應(yīng)用研究。

2 數(shù)據(jù)獲取與處理

2.1 無人機數(shù)據(jù)獲取

2.1.1 無人機平臺。本研究以大疆生產(chǎn)的四旋翼航測無人機精靈 Phantom 4 RTK作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備，獲取試驗區(qū)航空影像與定位定姿系統(tǒng)（Position and Orientation System，POS）數(shù)據(jù)。該設(shè)備總重為1 391 g，搭載障礙物感知系統(tǒng)和2 000 萬像素的CMOS影像傳感器，定位精度±0.1 m（啟用實時動態(tài)載波相位差分技術(shù)，即RTK，且RTK正常工作時），具有定位精度高、成像性能佳、便攜易用的特點。

2.1.2 飛行任務(wù)設(shè)計。采用大疆公司專為自主航線規(guī)劃、飛行航拍、二維正射影像與三維模型重建而開發(fā)的大疆智圖軟件對作業(yè)區(qū)域及航線進行規(guī)劃，設(shè)置飛行參數(shù)，并自動生成試驗區(qū)航線。各參數(shù)設(shè)計如表1所示。

2.1.3 執(zhí)行飛行任務(wù)。在無人機飛行前，檢查飛行環(huán)境和設(shè)備狀態(tài)，包括天氣情況、風(fēng)力大小、磁場干擾、無人機螺旋槳是否安裝正確等，確認(rèn)無問題后，開始執(zhí)行飛行任務(wù)。最終獲取試驗區(qū)帶有POS信息的真彩色影像1 052張，覆蓋范圍為0.65 km2，影像拍攝時間為2021年3月3日13：00—14：00，天氣狀況為陰、微風(fēng)，能見度較高。

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

為了獲取試驗區(qū)內(nèi)的綠地位置分布、尺寸、面積等信息，首先以Pix4dmapper為數(shù)據(jù)處理平臺，對試驗區(qū)的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，生成試驗區(qū)數(shù)字正射影像圖（簡稱為DOM）。Pix4dmapper作為一款基于無人機影像數(shù)據(jù)處理的專業(yè)軟件，可以完全自動化處理數(shù)據(jù)，生成數(shù)字正射影像、數(shù)字地表模型、DTM及三維點云數(shù)據(jù)等成果，得到高精度的結(jié)果。同時它還有自動空三、計算原始影像外方位元素及自動校準(zhǔn)影像等功能。使用Pix4dmapper處理無人機影像數(shù)據(jù)的主要流程如圖1所示。

①新建項目：導(dǎo)入試驗區(qū)影像及其POS數(shù)據(jù)。

②參數(shù)設(shè)置：設(shè)置輸入輸出坐標(biāo)系、相機參數(shù)。

③添加控制點：導(dǎo)入野外實測控制點坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并在已導(dǎo)入的影像上標(biāo)記各控制點點位，以保證成圖精度。

④初步處理：進行影像自動匹配和空中三角測量。

⑤質(zhì)量檢查：依據(jù)初步處理過程中生成的質(zhì)量報告，對區(qū)域網(wǎng)空三誤差、自檢校相機誤差、控制點誤差進行檢查;若質(zhì)量不合格，則重復(fù)步驟②至⑤;若質(zhì)量合格，則生成數(shù)字表面模型（DSM）和正射影像圖（DOM）。

⑥成果輸出：通過“調(diào)整拼接線”—“投影切換”—“影像混合”等過程完成正射影像成果的編輯與輸出。

2.3 綠地信息提取

無人機影像數(shù)據(jù)記錄了地表各種地物的電磁波信息，不同類型的地物之間往往有一定的電磁波差異，因此表現(xiàn)出不同的顏色差異[7-8]。這些差異為基于影像的綠地信息提取提供了可能。由于試驗區(qū)范圍較小，為了提高綠地信息提取精度，本研究基于ArcMap平臺，采用目視解譯的方法對試驗區(qū)綠地信息進行提取，其基本流程如圖2所示。

按圖2流程，獲取試驗區(qū)綠地分布情況，如圖3所示。

對圖3中各地塊面積進行統(tǒng)計，獲得試驗區(qū)內(nèi)各綠地的面積信息。

3 對比分析

為客觀評估無人機測繪技術(shù)在綠地調(diào)查中的應(yīng)用效果，首先從作業(yè)效率方面，將上述結(jié)果與基于GPS-RTK技術(shù)的全野外測量+CASS成圖的方法進行對比，結(jié)果如表2所示。

此外，為了更客觀全面地評價無人機測繪技術(shù)在綠地調(diào)查方面的精度，對試驗區(qū)內(nèi)的主要綠地（面積大于500 m2）分別采用無人機測繪法與全野外測量法獲得各地塊面積，并進行詳細(xì)對比，結(jié)果如表3所示。

從表3結(jié)果來看，就單個地塊而言，無人機測繪法和全野外測量法所得綠地面積差值比均在±1%之間。就主要地塊的總面積而言，兩種方法獲得的試驗區(qū)主要綠地總面積分別為170 818.75 m2和170 538.4 m2，兩者相差280.35 m2，總差值比僅為0.16%。而從作業(yè)時長來看，無人機測繪法與全野外測量法所需作業(yè)工時分別為10人工時和54人工時，即與全野外測量法相比，采用無人機測繪法可縮短81.5%的作業(yè)時長。通過上述試驗說明：與傳統(tǒng)全野外測量法相比，采用無人機測繪法可在保證綠地面積統(tǒng)計精度的前提下，大幅節(jié)省人力物力、提高作業(yè)效率。

4 結(jié)語

高效快速、精細(xì)準(zhǔn)確的調(diào)查方法是進行城市綠地科學(xué)建管的基礎(chǔ)[9-10]。針對傳統(tǒng)全野外人工綠地調(diào)查法存在的難度大、周期長、成本高等問題，本研究開展了基于無人機測繪技術(shù)的城市綠地調(diào)查應(yīng)用研究，闡述了利用無人機測繪技術(shù)進行數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理和信息提取的主要流程，并以試驗區(qū)為例，進行了實證研究。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)全野外測量法相比，無人機測繪技術(shù)在城市綠地調(diào)查方面精度可靠，可大幅節(jié)省人力成本，提高作業(yè)效率，具有較強的優(yōu)越性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 孫雅榮.城市綠地信息提取及空間數(shù)據(jù)質(zhì)量評價分析[D].上海：上海師范大學(xué)，2007.

[2] 饒君，李云鵬，陳立濤.淺談無人機低空攝影技術(shù)在城市綠化遙感測定中的應(yīng)用[J].江西測繪，2012（2）：16-17，23.

[3] 周宏，閆志學(xué).OneButton軟件在無人機遙感影像處理中的應(yīng)用[J].測繪通報，2017（S1）：59-61，78.

[4] LIANG H L， LI W Z，ZHANG Q P，et al. Using unmanned aerial vehicle data to assess the three-dimension green quantity of urban green space： A case study in Shanghai， China[J]. Landscape and Urban Planning，2017（164）：81-90.

[5] 楊柳，陳延輝，岳德鵬，等.無人機遙感影像的城市綠地信息提取[J].測繪科學(xué)，2017（2）：59-64.

[6] 吳卓恒，徐霞，陶帥.基于無人機影像的城市綠地提取分析[J].四川林業(yè)科技，2019（6）：65-70.

[7] 王柯，付怡然，彭向陽，等.無人機低空遙感技術(shù)進展及典型行業(yè)應(yīng)用綜述[J].測繪通報，2017（S1）：79-83.

[8] 張敏霞，梅丹英，高偉俊，等.無人機遙感技術(shù)在城市綠地監(jiān)測中的應(yīng)用進展[J].中國城市林業(yè)，2019（5）：5-11.

[9] 周雯慧.基于無人機遙感技術(shù)的沈陽某高校三維綠量定量化研究[D].沈陽：沈陽航空航天大學(xué)，2018.

[10] 梁一，鄭淵茂，朱健.基于低空航拍的鼓浪嶼綠地調(diào)查統(tǒng)計與分析[J].地理空間信息，2018（2）：101-104，12.