多旋翼無人機(jī)在自然資源監(jiān)測監(jiān)管中的應(yīng)用研究

錢育君，束 平，胡 偉

(常州市自然資源和規(guī)劃服務(wù)中心，江蘇 常州 213000)

0 引言

隨著自然資源信息化技術(shù)的迅速發(fā)展，航空攝影技術(shù)在地籍測量、土地利用變更調(diào)查監(jiān)測、土地利用批后監(jiān)管、土地執(zhí)法監(jiān)察等方面的應(yīng)用不斷深化，自然資源管理對信息數(shù)據(jù)采集獲取、更新方式提出了更高的技術(shù)要求。

目前，土地違法用地、執(zhí)法監(jiān)察、耕地保護(hù)、礦產(chǎn)資源保護(hù)等自然資源監(jiān)測監(jiān)管問題日益突出，自然資源監(jiān)測監(jiān)管工作具有任務(wù)重、問題多、壓力大的特點(diǎn)。為加強(qiáng)自然資源“全鏈條”監(jiān)管，共同遏制自然資源違法行為，迫切需要運(yùn)用新技術(shù)來創(chuàng)新監(jiān)測監(jiān)管工作。利用衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行自然資源監(jiān)測監(jiān)管，而衛(wèi)片成果存在更新周期較長、受云霧影響較大等缺陷[1]。多旋翼無人機(jī)機(jī)身小巧，靈活性強(qiáng)，攜帶方便，配備專業(yè)的攝影攝像設(shè)備，通過專用遙控器進(jìn)行操作控制，預(yù)計(jì)操控距離200 m左右，能穩(wěn)定懸停，適合外業(yè)巡查人員使用[2]。多旋翼無人機(jī)航攝系統(tǒng)能夠快速獲取小范圍、零星區(qū)域的高分辨率影像數(shù)據(jù)，是一種新型的區(qū)域土地監(jiān)測監(jiān)察技術(shù)手段。

1 多種巡查模式對比分析

自然資源綜合巡查有著多樣化的市、縣(區(qū))、國土所三級互聯(lián)的巡查模式。隨著科技的不斷進(jìn)步，新的產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，特別是新型硬件設(shè)備不斷出現(xiàn)給自然資源巡查提供了很好的技術(shù)裝備基礎(chǔ)[3]。而傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集獲取方式，比如小型旋翼機(jī)、固定翼無人機(jī)、手持測量型PDA、視頻監(jiān)控等，各自均存在著明顯的優(yōu)劣勢，如表1所示。

表1 多種巡查模式優(yōu)劣勢的對比分析

通過對比分析明確了多種巡查模式的技術(shù)優(yōu)勢和劣勢，其中，固定翼無人機(jī)穩(wěn)定性較差，起飛降落很難操控。與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集以及更新獲取方式相比，基于多旋翼無人機(jī)平臺的監(jiān)測手段具有實(shí)時(shí)對地觀測能力、高危地區(qū)探測、成本低、高分辨率、機(jī)動靈活、受場地影像小的優(yōu)勢，可作為測量型PDA設(shè)備、固定翼無人機(jī)、移動視頻監(jiān)控設(shè)備等傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集以及更新方式的有效補(bǔ)充，以滿足信息化技術(shù)的發(fā)展需求。因此，本文選擇多旋翼無人機(jī)作為自然資源監(jiān)測的手段，可快速有效掌握區(qū)域自然資源動態(tài)變化情況，使自然資源監(jiān)察工作由被動變?yōu)橹鲃印?/p>

2 基于多旋翼無人機(jī)的自然資源監(jiān)察技術(shù)流程

多旋翼無人飛行器巡查首先需要確定巡查路線，通過回傳系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取巡查區(qū)域的視頻信息，對于重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行圖像取證、疑似違法區(qū)域進(jìn)行懸停多角度巡查，最后填寫巡查記錄，將成果導(dǎo)入自然資源綜合監(jiān)管平臺“一張圖”數(shù)據(jù)中心中[3]。具體流程如圖1所示。

圖1 多旋翼無人機(jī)的自然資源監(jiān)察技術(shù)流程

(1)設(shè)定飛行路線完成信息采集：確定飛行路線，手動遙控?zé)o人飛行器，通過4G網(wǎng)絡(luò)在線或離線存儲視頻采集信息，視頻信息存儲在設(shè)定外網(wǎng)服務(wù)器中或離線導(dǎo)入。

(2)制作生成DOM正射影像：通過移動手持設(shè)備或PC端在線方式瀏覽采集信息，采集信息包括飛行坐標(biāo)和相關(guān)視頻信息，對重要區(qū)域或者疑似違法地塊進(jìn)行截圖，作為巡查的主要成果進(jìn)行保存。對遙感影像進(jìn)行幾何校正、圖像拼接和影像配準(zhǔn)等數(shù)據(jù)預(yù)處理，制作DOM區(qū)域正射影像。

(3)成果數(shù)據(jù)入庫：對于地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)、封閉區(qū)域、行人無法到達(dá)區(qū)域利用小型的無人飛行器采集實(shí)時(shí)視頻畫面，采集成果通過圖傳系統(tǒng)在線實(shí)時(shí)展示；同時(shí)，視頻采集成果也可以通過離線方式導(dǎo)入數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中。

(4)平臺成果展示與影像對比分析：采集數(shù)據(jù)上傳后，可以瀏覽到飛行路線和視頻。數(shù)據(jù)入庫后，將不同時(shí)期影像數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)對比，將變化圖斑進(jìn)行展現(xiàn)，可以作為專題數(shù)據(jù)在自然資源“一張圖”中進(jìn)行瀏覽和對比分析。結(jié)合自然資源“一張圖”數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、國土調(diào)查數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)等，對變化圖斑合法性進(jìn)行判定，對疑似違法圖斑進(jìn)行重點(diǎn)展示，巡查成果作為例行巡查的重要來源，成果可反映在自然資源綜合監(jiān)管平臺中。

3 航射區(qū)域概況

實(shí)驗(yàn)區(qū)位于常州市新北區(qū)孟河鎮(zhèn)(31°53′～32°01′N，119°50′～120°01′E)，地處寧鎮(zhèn)山脈末梢、長江之畔，西北與丹陽市接壤，總面積88.26 km2，西環(huán)線與北環(huán)線交匯處，238和338省道穿境而過，東枕長江，南臨京滬鐵路、滬寧高速公路和312國道。

本文搜集了孟河鎮(zhèn)相關(guān)地理空間數(shù)據(jù)，包括2019—2020年度孟河鎮(zhèn)衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)、地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)數(shù)據(jù)、第三次國土調(diào)查數(shù)據(jù)庫。

4 多旋翼無人機(jī)在自然資源監(jiān)測監(jiān)管中的應(yīng)用成果

4.1 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)巡查

對具體的地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)和地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)的綜合巡查，由操作人員操控小型旋翼機(jī)抵近地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)，近距離懸停、多角度拍攝，快速獲取地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)視頻、圖像等現(xiàn)場信息[4-5]，并將采集到的航空攝影測量相片制作成特定區(qū)域的三維影像。

選擇巡查和監(jiān)測的孟河鎮(zhèn)小黃山、棲鳳山，兩地都是山區(qū)，地形復(fù)雜，且均為地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)和地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)，較易發(fā)生崩塌滑坡，巡查人員近距離接近容易發(fā)生危險(xiǎn)，人工巡查困難。采用的飛行器為大疆Phantom 3 Professional，整個(gè)飛行時(shí)間約13 min，覆蓋將近0.3 km2的巡查范圍，形成小黃山和棲鳳山崩塌滑坡區(qū)照片信息、三維影像成果，直觀真實(shí)地展示了地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)情況。拍攝成果對比如圖2和圖3所示(箭頭所指為地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)位置)。

圖2 小黃山多旋翼無人機(jī)拍攝影像

4.2 土地執(zhí)法動態(tài)監(jiān)察

基層土地執(zhí)法部門在日常巡查過程中，存在發(fā)現(xiàn)難、周期長、受天氣因素限制等缺點(diǎn)。借助多旋翼無人機(jī)進(jìn)行土地執(zhí)法動態(tài)巡查，可高效全面地了解確定時(shí)間段內(nèi)違法用地、違法建筑的發(fā)生情況[6]。

通過對指定區(qū)域指定時(shí)間開展無人機(jī)航攝工作，對比前后時(shí)相高分辨率影像，利用計(jì)算機(jī)自動解譯與人工解譯相結(jié)合的方法獲取變化區(qū)域，為土地執(zhí)法提供可靠的數(shù)據(jù)來源。由于動態(tài)巡查的周期約為一個(gè)季度，甚至為一個(gè)月，使得對影像獲取、影像解譯的實(shí)效性要求較高，對無人機(jī)飛行平臺的穩(wěn)定性提出了更高的要求。對一定區(qū)域采集制作航空攝影測量影像，通過小型旋翼機(jī)連續(xù)拍攝照片，根據(jù)旋翼機(jī)飛行航向重疊區(qū)和旁向重疊區(qū)，將多幅單張照片拼接成一幅完整的航空攝影測量影像，實(shí)現(xiàn)對一定區(qū)域的動態(tài)監(jiān)測。

圖4為在孟河林場實(shí)驗(yàn)區(qū)獲取的周邊地塊局部正射影像和歷年衛(wèi)片的對比。從圖4中可以看出，2019年和2020年的衛(wèi)星遙感影像分辨率較低，對自然資源執(zhí)法會造成較大的困難。2021年旋翼機(jī)航拍的影像分辨率高，影像質(zhì)量清晰，能很好地完成自然資源執(zhí)法的調(diào)查取證工作。

圖4 孟河林場及周邊地塊(局部)影像對比

4.3 疑似違法用地調(diào)查取證

多年來從部、省、市各級衛(wèi)片執(zhí)法工作數(shù)據(jù)來看，土地違法占用更加頻繁，耕地保護(hù)任務(wù)加重?；鶎油恋貓?zhí)法部門對已發(fā)現(xiàn)的疑似違法用地案件進(jìn)行調(diào)查取證時(shí)，有圍墻阻攔情況時(shí)有發(fā)生，導(dǎo)致無法進(jìn)入封閉區(qū)域，執(zhí)法人員無法取得案件現(xiàn)場資料，給土地執(zhí)法帶來了極大的不便。對于有圍墻阻攔等無法進(jìn)行內(nèi)部巡查的區(qū)域，常規(guī)的巡查手段無法實(shí)施，采用小型旋翼機(jī)進(jìn)行空中航攝，針對重點(diǎn)區(qū)域多視角抓取證據(jù)，實(shí)時(shí)記錄疑似違法案件現(xiàn)場情況。

圖5為新北區(qū)孟河鎮(zhèn)某廠房無人機(jī)正攝影像。從圖5可以看出，廠房內(nèi)部被圍墻攔住，執(zhí)法工作人員無法進(jìn)入。本文利用旋翼機(jī)可以快速獲取現(xiàn)場影像，此次飛行共獲取102張圖像，通過幾何校正、影像配準(zhǔn)與拼接，制作DOM正攝影像，同時(shí)錄取現(xiàn)場飛行視頻，由業(yè)務(wù)人員人工判讀分析，發(fā)現(xiàn)該地沒有存在違法亂用土地現(xiàn)象。因此，將無人飛行器應(yīng)用到自然資源綜合巡查中，對及時(shí)發(fā)現(xiàn)、及時(shí)查處工作提供了可靠的技術(shù)保障，將有效實(shí)現(xiàn)土地違法行為的早預(yù)防、早發(fā)現(xiàn)、早查處。

圖5 新北區(qū)孟河鎮(zhèn)某廠房無人機(jī)正攝影像

5 結(jié)論與展望

與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)獲取手段相比，小型旋翼機(jī)航攝技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)、土地執(zhí)法監(jiān)察、疑似違法用地案件調(diào)查取證等方面具有明顯優(yōu)勢。本文應(yīng)用小型旋翼機(jī)進(jìn)行巡查和監(jiān)測工作取得了一定成果，在不同時(shí)間段對特定區(qū)域進(jìn)行多次航拍，生成特定區(qū)域的相隔一定時(shí)間跨度的多次航片，通過遙感影像解譯以及人工核查提取出變化圖斑，將圖斑和自然資源“一張圖”中的土地利用現(xiàn)狀、規(guī)劃數(shù)據(jù)、征地和供地?cái)?shù)據(jù)比對分析，及時(shí)監(jiān)測和發(fā)現(xiàn)疑似違法用地。將小型旋翼機(jī)巡查有機(jī)融合在自然資源動態(tài)監(jiān)測綜合監(jiān)管平臺下，與手持測量型PDA、無人機(jī)和“國土衛(wèi)士”視頻攝像頭等多種巡查和監(jiān)測手段相結(jié)合，構(gòu)建起“天上看、視頻探、地上查、網(wǎng)上管”的空地一體化監(jiān)測體系[7-8]，可加快自然資源信息化建設(shè)步伐，進(jìn)一步提高土地資源管理水平和工作效率，創(chuàng)新自然資源管理監(jiān)管與服務(wù)方式。