高原山區(qū)國土調(diào)查無人機(jī)舉證技術(shù)的研究*

朱浩東，陳沖林，羅建洪，曹紹武，代龍昌

(1.永善金沙礦業(yè)有限責(zé)任公司，云南 昭通 657309；2.云南省地礦測(cè)繪院有限公司，云南 昆明 650218；3.云南省測(cè)繪地理信息科技發(fā)展有限公司，云南 昆明 650106)

0 引言

云南屬于典型的山地高原地形，山地、高山地所占比例較大，相對(duì)平緩的山區(qū)只占總面積約10%，大面積土地高低參差、縱橫起伏、水系復(fù)雜、山路險(xiǎn)峻、植被類型豐富、植被交錯(cuò)復(fù)雜、形狀零碎不規(guī)則，自然環(huán)境因素?zé)o形中增加了自然監(jiān)測(cè)外業(yè)工作的難度。同時(shí)，自然監(jiān)測(cè)的圖斑還具有范圍廣、面積小的特點(diǎn)，采用人工舉證方式需要調(diào)查人員逐圖斑進(jìn)行實(shí)地拍照，但由于山區(qū)交通不便利，有的區(qū)域調(diào)查人員難以到達(dá)；在抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后，可能遇到疫情封鎖、養(yǎng)殖場(chǎng)禁入、圍墻阻擋、人為遮擋等困難，涉及到違法搭建大棚、私建農(nóng)家樂等違法行為，甚至還存在人身安全威脅。

基于上述分析，本文結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)規(guī)范要求，引入無人機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套符合成果要求的無人機(jī)舉證軟件，利用該軟件可先在平板中導(dǎo)入圖斑、規(guī)劃航線、一鍵飛行，即可完成舉證拍攝工作，經(jīng)后期內(nèi)業(yè)處理，生成滿足規(guī)范要求的舉證包成果。此方法可以有效提高外業(yè)工作效率、創(chuàng)新工作方式、確保成果工期和質(zhì)量。

1 舉證軟件總體設(shè)計(jì)

分析研究國家與地方相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求[1-2]，總結(jié)可自動(dòng)化的作業(yè)流程，設(shè)計(jì)了外業(yè)航飛和內(nèi)業(yè)處理兩個(gè)模塊：

1)外業(yè)航飛模塊基于DJI Android Mobile SDK和Mapbox Maps SDK for Android開發(fā)接口，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了智能飛行的功能模塊，如航線新建、航線保存、航線刪除、航線反向、連接無人機(jī)、一鍵飛行、實(shí)時(shí)圖傳、生成檢驗(yàn)碼等功能。

2)內(nèi)業(yè)處理模塊基于ArcGIS桌面平臺(tái)GIS功能及開發(fā)接口，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)處理的功能模塊，如制作底圖數(shù)據(jù)、生成坐標(biāo)信息文件、校正無人機(jī)照片、利用照片標(biāo)注圖斑邊界、生成DB文件等功能。

1.1 作業(yè)流程設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)外業(yè)航飛在Android平板上進(jìn)行操作，而內(nèi)業(yè)處理在ArcGIS桌面平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外業(yè)的無縫結(jié)合。作業(yè)流程如圖1所示。

圖1 舉證軟件的作業(yè)流程

將數(shù)字正射影像、舉證圖斑矢量及反映地表高低起伏的等高線數(shù)據(jù)，加載至ArcGIS桌面平臺(tái)，制作切片底圖。其中，圖斑可按地類編碼分類設(shè)置顯示顏色，并標(biāo)注編碼和圖斑預(yù)編號(hào)；等高線可指引航飛時(shí)的飛行高度，其等高距為20 m，可按標(biāo)示高程進(jìn)行渲染，并每隔5條等高線進(jìn)行加粗處理，以方便外業(yè)平板上使用。

在外業(yè)航飛時(shí)，通過工程管理的方式加載底圖數(shù)據(jù)，連接無人機(jī)后，選擇合適的起飛點(diǎn)，綜合分析電池電量、舉證圖斑分布及等高線數(shù)據(jù)，在合理設(shè)計(jì)出航飛路線和飛行高度后，利用一鍵起飛功能即可進(jìn)行全自動(dòng)化作業(yè)，并可實(shí)時(shí)查看無人機(jī)的飛行狀態(tài)和實(shí)時(shí)回傳數(shù)據(jù)。

在內(nèi)業(yè)處理時(shí)，先初始自動(dòng)生成坐標(biāo)信息文件，便可與正射影像、矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，對(duì)疊加效果不理想的圖片，再通過人工交互式進(jìn)行少量干預(yù)。完成校正之后，可用矢量圖斑邊界標(biāo)注至航飛照片上，再生成照片檢驗(yàn)碼，最后打包生成舉證圖斑數(shù)據(jù)庫成果。

1.2 外業(yè)航飛功能設(shè)計(jì)

根據(jù)國土調(diào)查中外業(yè)舉證的相應(yīng)規(guī)范[3-4]，外業(yè)舉證時(shí)，為實(shí)現(xiàn)對(duì)舉證圖斑的一鍵起飛、降落、返航及自動(dòng)航線，主要設(shè)計(jì)了以下功能：

1)工程管理：包括新建工程和打開工程，以工程的方式管理底圖數(shù)據(jù)、航線航點(diǎn)數(shù)據(jù)、飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)等。

2)航線管理：包括航線交互式新建、保存、刪除、反向等操作，顯示航線長度、飛行所需時(shí)間等信息，以友好、簡潔的界面設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜條件下的航線設(shè)計(jì)工作。

3)連接無人機(jī)：通過遙控器和USB連接線，與無人機(jī)建立通信連接，實(shí)時(shí)顯示電池電量、航飛高度、飛行速度、距起飛點(diǎn)距離、存儲(chǔ)卡容量。

4)一鍵起飛：選擇規(guī)劃好的航線，在連接無人機(jī)之后，點(diǎn)擊開始飛行。自動(dòng)到每一個(gè)航線點(diǎn)進(jìn)行拍攝，并記錄飛行姿態(tài)、拍攝時(shí)間等信息。

5)即時(shí)圖傳：在航飛過程中，通過高清攝像頭進(jìn)行航拍，并及時(shí)傳回，以便進(jìn)行觀察和決定飛行計(jì)劃。

6)生成檢驗(yàn)碼：根據(jù)規(guī)范要求，需向相關(guān)主管部門申請(qǐng)無人機(jī)舉證SDK，對(duì)包含7要素(人員、時(shí)間、地點(diǎn)、方向、高度、俯仰角、設(shè)備)的照片生成檢驗(yàn)碼信息。

1.3 內(nèi)業(yè)處理功能設(shè)計(jì)

為高效地生成舉證包成果，軟件中還開發(fā)了如下內(nèi)業(yè)處理的功能模塊：

1)底圖數(shù)據(jù)制作：將已有基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，經(jīng)過預(yù)處理，轉(zhuǎn)換成緊湊型存儲(chǔ)切片格式，它具有渲染速度快、調(diào)用效率高的特點(diǎn)，支持任意大數(shù)據(jù)量加載和顯示，是移動(dòng)端較為理想的數(shù)據(jù)格式。

2)生成坐標(biāo)信息文件：由航點(diǎn)航線中的外方位元素，通過計(jì)算像素和地理坐標(biāo)之間的仿射變換關(guān)系，生成坐標(biāo)信息文件，照片便具有了地理坐標(biāo)信息，可與正射影像和矢量圖斑疊加顯示。

3)校正無人機(jī)照片：對(duì)初始校正的照片與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)疊加顯示時(shí)，若存在偏移或旋轉(zhuǎn)得不理想的情況，可交互式調(diào)整照片位置和旋轉(zhuǎn)角度，使得疊加效果一致，確定更加精確的仿射變換參數(shù)。

4)照片標(biāo)注圖斑邊界：由已確定的仿射變換關(guān)系，將舉證圖斑的矢量地理坐標(biāo)，反算至像素坐標(biāo)，并用紅色邊線在照片中刻畫出來，使得舉證目標(biāo)主體更加明確。

5)生成DB文件：將照片文件和航點(diǎn)航線信息，在平板端生成包含7要素的加密檢驗(yàn)碼信息后，再由照片信息和舉證圖斑信息，打包生成SQLite格式的DB舉證包成果。

2 舉證軟件實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用

2.1 外業(yè)航飛功能實(shí)現(xiàn)

由前面設(shè)計(jì)的功能需求項(xiàng)，在平板端采用Java編程語言，基于無人機(jī)和地圖開發(fā)庫，開發(fā)完成外業(yè)航飛功能模塊。軟件運(yùn)行界面如圖2所示。

圖2 航飛軟件主界面

該軟件將無人機(jī)飛行控制技術(shù)和國土調(diào)查舉證工作相結(jié)合，輕松導(dǎo)入地理信息數(shù)據(jù)，快捷地進(jìn)行航線規(guī)劃，并具有一鍵起飛、GPS位置顯示、飛行軌跡跟蹤、飛行狀態(tài)監(jiān)控、飛行數(shù)據(jù)記錄、即時(shí)圖傳、一鍵返航等功能，滿足外業(yè)工作需求。

2.2 內(nèi)業(yè)處理功能實(shí)現(xiàn)

為更方便地處理數(shù)據(jù)，本文采用C#開發(fā)語言，結(jié)合Add-in開發(fā)技術(shù)，對(duì)ArcGIS桌面系統(tǒng)進(jìn)行定制與擴(kuò)展，研發(fā)了內(nèi)業(yè)處理模塊。運(yùn)行界面如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)處理主界面

首先通過自動(dòng)和交互式校正圖片的功能，實(shí)現(xiàn)航飛照片和正射影像、舉證圖斑的疊加顯示，便于內(nèi)業(yè)參照拍攝信息對(duì)圖斑進(jìn)行編輯、檢查、核查等處理，并將修改后的舉證圖斑邊界，標(biāo)注至航飛照片上。然后將帶有標(biāo)注的航飛照片、地類圖斑信息，如起飛點(diǎn)經(jīng)緯度、航飛高度、拍攝點(diǎn)坐標(biāo)、方位角及俯仰角、地類編碼、權(quán)屬及座落、舉證說明等，打包生成至舉證成果包中。

2.3 舉證軟件的應(yīng)用情況

在第三次國土調(diào)查及統(tǒng)一時(shí)點(diǎn)變更中，該舉證軟件已在昭通市、曲靖市、紅河州等多個(gè)縣中進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，成果數(shù)據(jù)在省級(jí)和國家級(jí)核查中均是一次性通過，說明該軟件對(duì)成果工期和質(zhì)量控制起到了重要的作用。

此外，該軟件還被應(yīng)用在其他調(diào)查與監(jiān)測(cè)、國土督察執(zhí)法工作中，如在大棚房及違建別墅清查整治等督促執(zhí)法工作、基本農(nóng)田保護(hù)及監(jiān)管、增減掛鉤和建設(shè)用地批后兼管等方面。

3 結(jié)束語

無人機(jī)調(diào)查舉證一體化解決方案，是應(yīng)用測(cè)繪新技術(shù)新方法為政府部門提供地理信息服務(wù)的新模式，它改變了傳統(tǒng)方法低效、繁重的外業(yè)工作，節(jié)省了勞動(dòng)成本，提高了工作效率，有效保障圖斑舉證的真實(shí)性與可靠性，能為國土調(diào)查任務(wù)保駕護(hù)航。