無人機(jī)技術(shù)在生態(tài)保護(hù)紅線勘界定標(biāo)及監(jiān)管中的應(yīng)用研究

周智勇，高林營

(1.重慶市勘測院，重慶 401121； 2.自然資源部智能城市時(shí)空信息與裝備工程技術(shù)創(chuàng)新中心，重慶 401121)

1 引 言

生態(tài)保護(hù)紅線是指在生態(tài)空間范圍內(nèi)具有特殊重要生態(tài)功能、必須強(qiáng)制性嚴(yán)格保護(hù)的區(qū)域，是保障和維護(hù)國家生態(tài)安全的底線和生命線?？茖W(xué)布局生產(chǎn)空間、生活空間、生態(tài)空間，是推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展和高品質(zhì)生活的重要保障。生態(tài)保護(hù)紅線勘界定標(biāo)工作是進(jìn)一步解決重疊設(shè)置、多頭管理、邊界不清、權(quán)責(zé)不明、保護(hù)和發(fā)展矛盾突出等問題，以精準(zhǔn)落地、有序銜接、簡單易行為原則，在重要地段、重要拐點(diǎn)等關(guān)鍵控制點(diǎn)設(shè)立界樁，在醒目位置豎立統(tǒng)一規(guī)范的標(biāo)識(shí)牌，科學(xué)勘定生態(tài)保護(hù)紅線界線，確保生態(tài)保護(hù)紅線邊界傾斜，確保生態(tài)紅線精準(zhǔn)落地，為生態(tài)保護(hù)紅線長效管理奠定基礎(chǔ)[1～5]。

生態(tài)保護(hù)紅線一般位于山高林密、人跡罕至等區(qū)域，生態(tài)紅線邊界處地形地貌錯(cuò)綜復(fù)雜，給勘界定標(biāo)工作和紅線監(jiān)管造成了一定的困擾，無人機(jī)具有操作簡單、反應(yīng)速度快、飛行靈敏、成本低、攜帶方便等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于抗震救災(zāi)、防汛、軍事偵察、海上勘測、交通監(jiān)管等領(lǐng)域。本文將無人機(jī)全景技術(shù)、快速拼接技術(shù)、圖傳技術(shù)應(yīng)用在勘界定標(biāo)工作及紅線監(jiān)控的工作中，實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)技術(shù)全流程支撐紅線勘界定標(biāo)及監(jiān)管工作，有效地提升了勘界定標(biāo)的工作效率和科學(xué)性，逐步建立“圖上管理”到“實(shí)地管理”再到“常態(tài)化監(jiān)管”的工作體系。

2 總體技術(shù)路線

生態(tài)保護(hù)紅線勘界定標(biāo)工作技術(shù)流程主要包括：工作準(zhǔn)備、內(nèi)業(yè)校核及標(biāo)注、現(xiàn)場勘界、打樁立標(biāo)、成果檢查與匯總?cè)霂斓取１疚姆謩e研究了無人機(jī)全景、快速拼接、圖傳等技術(shù)在點(diǎn)位預(yù)標(biāo)注、紅線校核、紅線監(jiān)管中的應(yīng)用，其中在界樁、標(biāo)識(shí)牌點(diǎn)位選取過程中，利用無人機(jī)全景技術(shù)，獲取界樁、標(biāo)識(shí)牌點(diǎn)位處全方位影像數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理，獲取界樁及標(biāo)識(shí)牌點(diǎn)位附近的全景照片，輔助點(diǎn)位選??；在紅線邊界現(xiàn)場校核時(shí)，利用輕小型無人機(jī)搭載相機(jī)，獲取紅線邊界兩側(cè)影像，快速生成DOM與實(shí)景三維模型，輔助紅線校核；在紅線監(jiān)管時(shí)，基于無人機(jī)圖傳技術(shù)，實(shí)現(xiàn)紅線常態(tài)化巡查及監(jiān)控，支撐生態(tài)保護(hù)紅線的常態(tài)化管理。總體技術(shù)路線如圖1所示：

圖1 總體技術(shù)路線

3 無人機(jī)支撐生態(tài)保護(hù)紅線勘界定標(biāo)關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 無人機(jī)全景技術(shù)

界樁、標(biāo)識(shí)牌的選取工作是生態(tài)保護(hù)紅線勘界定標(biāo)工作重要技術(shù)環(huán)節(jié)，生態(tài)保護(hù)紅線的界樁、標(biāo)識(shí)牌一般選擇重要的拐點(diǎn)、重點(diǎn)地段及具有很好的宣傳警示意義的位置，點(diǎn)位的選取對(duì)后續(xù)外業(yè)現(xiàn)場埋設(shè)及監(jiān)管工作具有重要影響，傳統(tǒng)界線測繪一般是通過圖解法來獲取界樁及標(biāo)識(shí)牌點(diǎn)位，不能很好顧及點(diǎn)位周邊環(huán)境，導(dǎo)致工作人員到達(dá)現(xiàn)場出現(xiàn)無法埋設(shè)的情況，也不方便后續(xù)維護(hù)和監(jiān)管。無人機(jī)全景技術(shù)是一種以無人機(jī)為載體進(jìn)行圖像獲取，是基于圖像進(jìn)行建模和渲染的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可增強(qiáng)場景渲染效果和用戶交互[6～8]。本文基于無人機(jī)全景技術(shù)輔助點(diǎn)位選取主要技術(shù)原理如下：

(1)內(nèi)業(yè)預(yù)選點(diǎn)位。考慮生態(tài)保護(hù)紅線的邊界走向、邊界兩側(cè)地形貌特征，內(nèi)業(yè)初步預(yù)選界樁、標(biāo)識(shí)牌點(diǎn)位。

(2)采集全景圖像。針對(duì)內(nèi)業(yè)預(yù)選點(diǎn)位，采集預(yù)選點(diǎn)位對(duì)應(yīng)空中360°視野范圍的圖像，獲取該視點(diǎn)的360°全景影像。

(3)全景圖像數(shù)據(jù)處理(圖2～圖4)。加載不同方位的全景圖像，建立各相鄰圖像的同名像點(diǎn)，提出冗余圖像，優(yōu)化鏡頭修正參數(shù)及圖像位移，創(chuàng)建全景圖像。

圖2 全景數(shù)據(jù)處理技術(shù)流程

圖3 全景影像匹配

圖4 建立同名像點(diǎn)

(4)全景可視化及預(yù)先點(diǎn)位評(píng)估?；谌翱梢暬脚_(tái)，評(píng)估內(nèi)業(yè)預(yù)選點(diǎn)位是否科學(xué)合理、周邊環(huán)境是否具有埋設(shè)條件，為下步現(xiàn)場埋設(shè)界樁、標(biāo)識(shí)牌奠定基礎(chǔ)。

3.2 無人機(jī)快速拼接技術(shù)

在生態(tài)保護(hù)紅線現(xiàn)場勘界時(shí)，紅線邊界附近交通較差，無法直接進(jìn)行邊界校核時(shí)，本文采用一種無控制點(diǎn)的無人機(jī)影像DOM快速制作的方法，利用無人機(jī)快速獲取紅線邊界兩側(cè)影像數(shù)據(jù)，快速拼接生成紅線兩側(cè)DOM，進(jìn)一步建立實(shí)景三維模型，疊加生態(tài)保護(hù)紅線，基于“二維+三維”模式核實(shí)邊界附近實(shí)際地物及矛盾沖突數(shù)據(jù)。

目前無人機(jī)影像快速拼接方法主要是以基于圖像特征的拼接方法為主，基于圖像特征拼接方法中，圖像配準(zhǔn)與圖像融合是圖像拼接最重要的兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，圖像配準(zhǔn)是無人機(jī)影像拼接過程中的核心步驟，配準(zhǔn)精度直接影響圖像拼接的質(zhì)量，基于特征點(diǎn)拼接速度較慢[9～13]。本文為了提升效率，選擇了一種基于無人機(jī)POS系統(tǒng)的圖像拼接方法，根據(jù)每一幅影像的圖像坐標(biāo)所對(duì)應(yīng)的大地坐標(biāo)的相對(duì)位置關(guān)系是唯一確定的，通過POS數(shù)據(jù)直接定位，將圖像坐標(biāo)映射成大地坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過大地坐標(biāo)間的位置關(guān)系，完成影像的快速拼接，主要原理如下：

(1)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

(1)

式中，s為x軸、y軸每個(gè)像素的物理尺寸，u0為圖像像素高度的一半，v0為圖像像素寬度的一半，f為相機(jī)焦距。

(2)

(3)

式中，(X，Y，Z)表示地面點(diǎn)在像空間輔助坐標(biāo)系中的位置，(x，y，-f)表示像點(diǎn)在像空間坐標(biāo)系中的位置，無人機(jī)的姿態(tài)有三種情況，φ為繞X軸旋轉(zhuǎn)的姿態(tài)角(橫滾角)，ω為繞Y軸旋轉(zhuǎn)的姿態(tài)角(俯仰角)，κ為繞Z軸旋轉(zhuǎn)的姿態(tài)角(航偏角)。上述公式(1)-(3)中完成了像平面坐標(biāo)系像空間輔助坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，再利用共線條件方程實(shí)現(xiàn)像空間輔助坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到地面坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。

(4)

(5)

(6)

式中，設(shè)攝影中心S與地面點(diǎn)A在地面攝影測量坐標(biāo)系D-XtpYtpZtp中分別為XS、YS、ZS和XA、YA、ZA，a1、a2、a3、b1、b2、b3、c1、c2、c3分別為矩陣R的逆矩陣對(duì)應(yīng)的各個(gè)元素。

(2)影像定向

本文只有影像和POS數(shù)據(jù)，未測定地面控制點(diǎn)，利用Agisoft photosacn軟件根據(jù)多視圖三維重建技術(shù)，計(jì)算照片的多姿態(tài)參數(shù)，快速進(jìn)行地理定位，從而提取帶有坐標(biāo)信息的三維密集匹配點(diǎn)云。

(3)生成DOM和實(shí)景三維模型

根據(jù)帶有坐標(biāo)信息的三維密集匹配點(diǎn)云快速重構(gòu)多邊形網(wǎng)格模型，三維多邊形網(wǎng)格模型是表示多面體形狀的頂點(diǎn)與多邊形的集合，并選取高質(zhì)量的影像賦予mesh精細(xì)的彩色紋理，進(jìn)而生成數(shù)字正射影像DOM。

3.3 無人機(jī)圖傳技術(shù)

無人機(jī)圖像傳輸系統(tǒng)就是將空中處于飛行狀態(tài)的無人機(jī)拍攝的實(shí)時(shí)畫面，穩(wěn)定地發(fā)射給地面的無線圖傳遙控接收設(shè)備?？苯缍?biāo)工作完成后，為實(shí)現(xiàn)紅線的常態(tài)化管理，定期巡視界樁、標(biāo)識(shí)牌，監(jiān)控其附近環(huán)境變化，有無人為破壞活動(dòng)，真正做到嚴(yán)守生態(tài)保護(hù)紅線。

目前，無人機(jī)常用的圖傳系統(tǒng)主要有模擬傳輸和數(shù)字傳輸兩種方式，模擬傳輸?shù)墓南鄬?duì)較高，解析度較低，不能識(shí)別界樁、標(biāo)識(shí)牌所在位置，不適用在紅線監(jiān)管，無線數(shù)字傳輸技術(shù)主要有Lightbridge與WiFi技術(shù)[14，15]。其中WiFi圖像傳輸技術(shù)遵循TCP/IP協(xié)議，圖像傳輸需要發(fā)送端與接收端首先建立通訊手機(jī)制，然后傳輸數(shù)據(jù)包，每個(gè)數(shù)據(jù)必須包含完整傳輸，否則需要重新傳輸，這種基于TCP/IP協(xié)議的雙向握手機(jī)制很容易導(dǎo)致WiFi圖傳無法實(shí)時(shí)傳輸航拍畫面。

Lightbridge天空端和地面端分別嵌入到無人機(jī)和遙控器中，支持 2.4 GHz和 5.8 GHz雙頻切換，采用的是時(shí)分復(fù)用機(jī)制，遙控信號(hào)和圖傳信號(hào)使用相同的頻段，時(shí)域上遙控信號(hào)和圖傳信號(hào)在不同時(shí)刻傳輸，Lightbridge最遠(yuǎn)傳輸距離可達(dá) 7 km，Lightbridge與Wi-Fi技術(shù)相比，①Lightbridge采用單向傳輸機(jī)制，不會(huì)進(jìn)行多次握手連接，不會(huì)因?yàn)橐粋€(gè)字節(jié)的丟失而重新發(fā)送數(shù)據(jù)包，因此實(shí)時(shí)性遠(yuǎn)超WiFi技術(shù)；②Lightbridge重連速度快，當(dāng)?shù)竭_(dá)極限距離時(shí)，遙控終端可以出現(xiàn)弱信號(hào)報(bào)告，用以懸停飛機(jī)，保證了安全性，若信號(hào)質(zhì)量差，一般在10秒內(nèi)可以快速重連；③Lightbridge不容易受到干擾。

4 案例分析

4.1 無人機(jī)全景技術(shù)輔助界樁、標(biāo)識(shí)牌點(diǎn)位選取

以重慶巴南南泉市級(jí)森林公園為例，該紅線位于巴南區(qū)南泉街道，首先將紅線圖斑疊加衛(wèi)星影像，初步選取界樁、標(biāo)識(shí)牌點(diǎn)位，以圖5中①和②為例，外業(yè)獲取兩個(gè)點(diǎn)位全景影像數(shù)據(jù)，分析結(jié)果如下：

圖5 無人機(jī)全景技術(shù)輔助界樁、標(biāo)識(shí)牌點(diǎn)位選取

根據(jù)上述內(nèi)業(yè)預(yù)選點(diǎn)位預(yù)無人機(jī)全景數(shù)據(jù)對(duì)比，由①號(hào)點(diǎn)位可知，內(nèi)業(yè)選取在交通便利，利于宣傳的主干道旁，圖5(b2)可知，全景影像可以觀察點(diǎn)位周邊環(huán)境，從全局角度評(píng)估點(diǎn)位選取是否科學(xué)合理，進(jìn)一步鎖定精準(zhǔn)點(diǎn)位。②號(hào)點(diǎn)位可知，內(nèi)業(yè)初選在人為活動(dòng)密集，紅線走向發(fā)生變化的拐點(diǎn)處，但實(shí)際從圖5(c2)全景來看，該點(diǎn)位不具備埋設(shè)條件，此標(biāo)識(shí)牌預(yù)選點(diǎn)位應(yīng)移位處理。

4.2 無人機(jī)快速拼接技術(shù)支撐紅線校核

以墊江縣桂溪街道范圍內(nèi)的一段生態(tài)保護(hù)紅線為例，長度約 3.7 km，本文利用輕小型無人機(jī)快速獲取紅線兩側(cè)影像數(shù)據(jù)，利用高精度POS數(shù)據(jù)，快速生成兩側(cè)無人機(jī)影像數(shù)據(jù)，疊加農(nóng)村宅基地?cái)?shù)據(jù)、耕地、交通、水利等矛盾沖突數(shù)據(jù)，校核生態(tài)保護(hù)紅線，結(jié)果如下：

由圖6(b)可知，紅線邊界存在與實(shí)際地物偏差的現(xiàn)象，壓蓋宅基地圖斑，圖6(c)中紅線邊界與道路交通要素邊界吻合精度不高，上述圖6(b)、(c)兩種情況均需要對(duì)紅線邊界進(jìn)行調(diào)整，并填寫相應(yīng)的生態(tài)保護(hù)紅線核查記錄表。

圖6 無人機(jī)快速拼接技術(shù)支撐紅線校核

4.3 生態(tài)保護(hù)紅線常態(tài)化監(jiān)管

以重慶兩江新區(qū)照母山生態(tài)保護(hù)紅線勘界定標(biāo)成果為例，界樁、標(biāo)示牌埋設(shè)完成后，為實(shí)現(xiàn)生態(tài)保護(hù)紅線的常態(tài)化管理，本文采用大疆精靈4無人機(jī)，基于Lightbrige技術(shù)，實(shí)時(shí)傳輸現(xiàn)場巡視畫面，核查生態(tài)保護(hù)紅線邊界及界樁、標(biāo)示牌，監(jiān)控紅線邊界附近環(huán)境及界樁、標(biāo)示牌是否遭到破壞，如圖7所示。

圖7 無人機(jī)快速拼接技術(shù)支撐紅線校核

5 總 結(jié)

充分把握新時(shí)期測繪地理信息工作“兩支撐，一提升”的根本定位，本文實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)技術(shù)在生態(tài)保護(hù)紅線勘界定標(biāo)工作中的應(yīng)用，利用無人機(jī)全景技術(shù)輔助界樁、標(biāo)識(shí)牌點(diǎn)位選取，提升了點(diǎn)位的科學(xué)合理性、精準(zhǔn)性；利用無人機(jī)快速拼接技術(shù)生成紅線邊界兩側(cè)的DOM，輔助紅線邊界校核，保證了生態(tài)保護(hù)紅線的精確性，有效提升勘界工作效率；基于無人機(jī)圖傳技術(shù)，本文實(shí)現(xiàn)紅線常態(tài)化管理，監(jiān)控界樁、標(biāo)識(shí)牌埋設(shè)后狀態(tài)，真正做到嚴(yán)守生態(tài)保護(hù)紅線。結(jié)合無人機(jī)技術(shù)在勘界定標(biāo)工作中的應(yīng)用案例，可為后續(xù)生態(tài)保護(hù)紅線勘界定標(biāo)工作全面開展提供寶貴經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)積累。