無人機遙感技術在農(nóng)村土地監(jiān)測中的應用

萬翔 楊樂 楊新飛 楊楊

摘要：無人機遙感憑借操作簡便、可動態(tài)連續(xù)監(jiān)測等優(yōu)勢，在農(nóng)村土地監(jiān)測中得到廣泛應用，使農(nóng)村土地管理具備實時數(shù)據(jù)獲取、準確定位及高效應對的特點，填補了地面監(jiān)測和高空遙感測量能見度低的空白。文章以某農(nóng)村地區(qū)作為試驗區(qū)域，首先，利用無人機遙感技術獲取該試驗區(qū)域高分辨率圖像，通過總結無人機遙感技術的應用方式和實施流程，對該試驗區(qū)域的土地利用情況展開評價；其次，構建實際值評價方法、指標權重確定、指標合理值確定以及對評價指標標準化處理等指標體系；最后，分析無人機遙感技術在農(nóng)村土地監(jiān)測中的應用場景。研究旨在為農(nóng)村土地監(jiān)測工作提供一種新的技術手段。

關鍵詞：無人機；遙感技術；農(nóng)村土地監(jiān)測；評價指標

中圖分類號：TP79? 文獻標識碼：A? ?文章編號：1674-0688（2023）06-0084-04

0 引言

實現(xiàn)農(nóng)業(yè)地籍利用類型和指標數(shù)據(jù)化，是農(nóng)業(yè)地籍監(jiān)測管理工作的基本前提。無人機遙感技術是以無人機載遙感傳感器為基礎，綜合運用無人駕駛、遙感、遙測遙控和空間定位系統(tǒng)等現(xiàn)代信息技術，獲取農(nóng)業(yè)空間信息的重要手段［1］。在農(nóng)村土地監(jiān)測中，無人機遙感技術能夠實現(xiàn)對農(nóng)村土地的高效監(jiān)測；此外，該技術能實現(xiàn)快速獲取農(nóng)田空間位置信息、劃分土地利用類型、定位農(nóng)田基礎設施、量算種植面積等目的，其精確度遠超傳統(tǒng)的農(nóng)村土地測量方法。

隨著遙感技術的快速發(fā)展，現(xiàn)階段已實現(xiàn)農(nóng)村土地監(jiān)測和評價工作的創(chuàng)新。怎樣借助無人機遙感技術實現(xiàn)對農(nóng)村土地的高效監(jiān)測和評價，讓農(nóng)村土地利用率最大化，已成為相關技術部門研究的重點方向。從現(xiàn)階段對無人機遙感技術的應用情況來看，大部分集中在對土地管理或是對單一農(nóng)作物在植株數(shù)量、植株品質的選取等方面的應用，很少有關于農(nóng)村土地監(jiān)測的全面應用。因此，本文的研究立足于具體的試驗區(qū)域，對無人機遙感技術在土地檢測中的應用方式、流程、土地利用評價指標體系等方面展開探索，在有效填補理論研究空白的同時，為農(nóng)村的土地監(jiān)測提供一種全面的技術手段，進一步提升農(nóng)村土地的利用率。

1 無人機遙感技術監(jiān)測土地的實現(xiàn)方式

1.1 技術基礎

影像拍攝是無人機遙感技術的應用基礎。在無人機上安裝航空攝像、照相機，根據(jù)航高高度和設計角度呈現(xiàn)出直線拍攝照片，并根據(jù)飛行軸線位置進行圖像調繪，采用圖像匹配、空三分析等方法，得到影像圖和數(shù)字高程模型，同時可加工生成數(shù)字線劃圖［2］。無人機平臺是飛行設備的一部分，繼承了常規(guī)航空攝影測量的原則與方式，把非規(guī)范性傳感器信息轉化成透視圖像，通過專門程序對數(shù)據(jù)加以處理，具備信息收集與處理功能。具體的技術基礎配置如圖1所示。

1.2 技術思路

首先，通過分析試驗區(qū)域土地利用情況，構建相應的評價指標；其次，將無人機航拍獲得的影像放置在相關平臺進行分析和解譯，得出相關指標數(shù)值；最后，根據(jù)相關資料對該農(nóng)村土地實驗區(qū)域進行綜合分析，對土地利用程度、限制條件及發(fā)展趨勢做出全面評價。

1.3 采用的方法

本次研究主要采用實地調研、定性定量分析結合的綜合方法監(jiān)測試驗區(qū)土地。其中，實地調查是指針對試驗區(qū)域農(nóng)村土地的實際情況進行調查，其他研究方法是為了探討能夠實現(xiàn)農(nóng)村土地監(jiān)測的創(chuàng)新模式，提出綜合性的評價目標、原則及內容，為構建相應的指標體系做鋪墊。根據(jù)評價指標，對獲得的影像展開解譯，根據(jù)試驗區(qū)域的基本資料、數(shù)據(jù)等進行評價，用于分析農(nóng)村土地利用存在問題的原因。

2 技術實施流程

2.1 無人機遙感影像獲取流程

在獲取無人機遙感影像之前，需要對本次工作目標進行確認，以便安排試驗的前期工作。確認內容包括收集區(qū)域內的基礎資料、確定飛行時間及航線、成圖的比例尺等方面。通過試飛、影像查閱、總結等流程，獲取原始圖像。

（1）航攝準備。根據(jù)比例尺、區(qū)域特征、航高、焦距等數(shù)據(jù)，制訂合理的飛行方案。本次設定的飛行高度為1 km，總共設計6條飛行航線，沿著西北至東南的方向飛行；本次實驗的航攝儀為“佳能”400D，將焦距設置為24 mm，并設置間隔3 s的光圈自動曝光時間；航向重疊部分為85%，旁向重疊部分為55%。

（2）航攝作業(yè)。本次作業(yè)安排2架次無人機根據(jù)設計的飛行路線飛行，共計獲取636副影像。根據(jù)POS（Position Orientation System）參數(shù)，最大和最小航高的差距為29.49 m，低于設計高度的5%。不同影像的種類、標志齊全，滿足攝影需求，影像的分辨率高達0.1 m，影像色調柔和、層次豐富，滿足本次飛行作業(yè)的要求。

2.2 外部作業(yè)控制測量

根據(jù)相片的設計原理，將設想的控制點全部設計成平高點，此外需要進行高程點視的分析。采用區(qū)域網(wǎng)的布局方法，根據(jù)1∶2 000的成圖比例要求，在控制點之間間隔一定路線，并在基線的周圍設置6～8條平高點，在線上間隔4～6條路線。根據(jù)相關無人機遙感技術要求，讓外部作業(yè)人員對控制點進行測量，構建2次基準站，選取分布較為均勻的4個點位作為基準控制點；選取均勻的9個平高點作為檢測點，測定像控點的實際坐標。

2.3 內部作業(yè)處理

（1）正射影像生成。在相關軟件技術的支撐下，對本次拍攝到的照片進行解譯，將控制點作為參考點位進行定向，構建數(shù)學模型，最終形成影像。

（2）影像圖解譯。結合各種農(nóng)村土地利用種類所呈現(xiàn)的影像色調、結構和紋理等方面的差異進行解譯，以便后續(xù)分析工作的順利開展。

（3）正射影像圖矢量化。結合試驗區(qū)域的基礎資料，采用目視的方法進行判斷，在相應的平臺上對影像進行解譯，得到試驗區(qū)域的土地形狀和10項利用類型的指標參數(shù)（見表1）。

2.4 試驗區(qū)域土地利用評價分析

（1）評價實際值的方法。結合試驗區(qū)域土地利用整體性情況，構建評價指標體系（見表2）。

（2）確定評價指標權重。在本次試驗過程中，試驗區(qū)域土地利用情況評價的指標權重借助特爾菲法確定。

（3）確定指標合理值。指標合理值采用國家相關的標準和政策進行確定，針對部分未納入國家標準的指標用相關均值替代。

（4）評價指標的標準化處理。結合確定的指標實際值與合理值，將試驗區(qū)域農(nóng)村土地利用程度評價指標的實際值進行標準化處理，處理的基本公式如下：

[Si=ti-aiti]

其中，[Si]為i項的指標分值；[ti]為i項指標的土地利用合理值；[ai]為i因子指標實際值。

（5）土地利用綜合指數(shù)值計算。根據(jù)土地利用的評價指標，計算綜合利用數(shù)值，具體的計算公式如下：

[λi=（βi×Si）]

其中，[βi]為i因子指標權重（100）；[Si]為對應的標準化值；λ為土地利用的合理情況。

（6）試驗區(qū)土地利用程度分析。根據(jù)得出的指標數(shù)值，可以分析得出試驗區(qū)域的土地利用指數(shù)為40.8%。從實際的指標看，土地利用程度越高，容積率越大，基礎設施更完善，農(nóng)作物產(chǎn)量越高。但是，該試驗區(qū)中仍有部分閑置或未完全開發(fā)的土地及需要進行深度開發(fā)的土地，在土地利用率上仍有一定的挖掘潛力。

3 無人機遙感技術在農(nóng)村土地監(jiān)測中的應用場景分析

就農(nóng)村土地利用情況而言，農(nóng)作物種植用地所占比重較大，關系著農(nóng)村人口的基本生計，因此無人機遙感技術在農(nóng)村土地監(jiān)測的應用層面，大部分是用作對農(nóng)田空間信息、農(nóng)作物生長信息以及威脅農(nóng)作物正常生長因素的監(jiān)測。

3.1 無人機遙感技術在農(nóng)田空間信息監(jiān)測中的應用

農(nóng)田的空間信息包含土地的地理坐標及農(nóng)作物的分類2個部分，將無人機遙感技術應用于對2種信息的監(jiān)測，能夠實現(xiàn)對各種農(nóng)作物種植面積的精確計算及對農(nóng)田空間位置信息的實時獲?。?］。此外，廣泛應用空間構型測量技術后，能進一步將農(nóng)田空間信息監(jiān)測與高程信息接軌，最大限度地提高空間的分辨率，進而獲取更準確的數(shù)據(jù)資料，提高對農(nóng)田信息判斷的精準度。

3.2 無人機遙感技術在農(nóng)作物生長信息監(jiān)測中的應用

（1）農(nóng)作物信息監(jiān)測主要包含對葉面積指數(shù)及地上部生物量2個內容的信息監(jiān)測。針對葉面積指數(shù)的監(jiān)測，主要是對地面的單面綠葉面積總和進行計算，能更好地呈現(xiàn)農(nóng)作物吸收和利用光能的情況，關系農(nóng)作物的物質積累和最終產(chǎn)量。目前，無人機遙感監(jiān)測的葉面積指數(shù)是作物生長主要參數(shù)之一，因此在進行研究時，需要對高光譜技術進行合理利用。針對地上部生物量的監(jiān)測，通常應用多光譜信息，建立模型和運用空間構型計算，提高數(shù)據(jù)的精準度［4］。

（2）對農(nóng)作物中的營養(yǎng)指標進行采集和監(jiān)測。借助無人機遙感技術，結合不同農(nóng)作物對光能產(chǎn)生的不同反應，實現(xiàn)對農(nóng)作物各項指標的判斷和識別。其中，農(nóng)作物能在不同的光波段中產(chǎn)生不同的反應，可以通過對顏色和紋理的分析，掌握和了解農(nóng)作物的實際營養(yǎng)吸收情況。

（3）對農(nóng)作物的最終產(chǎn)量進行監(jiān)測。利用綜合性的整理和分析方法對多種因素進行識別，形成一個能對農(nóng)作物最終產(chǎn)量進行精確估算的模型。

4 無人機遙感技術在農(nóng)村土地監(jiān)測領域的發(fā)展趨勢

4.1 研發(fā)使用模式更簡便且成本更低的無人機平臺

目前，無人機遙感技術應用于農(nóng)村土地監(jiān)測的過程中仍存在許多缺陷，使無人機技術的推廣使用受到阻礙。例如，在惡劣的天氣環(huán)境下，無人機遙感技術對農(nóng)村土地的監(jiān)測準確性不高且存在較大的安全隱患。因此，未來需要加大對無人機平臺研發(fā)的投入，加大力度支撐無人機平臺的研發(fā)工作。同時，需要政府部門加大政策支持力度，對無人機研發(fā)團隊提供必要的試驗場地或政府財政支持等。

4.2 實現(xiàn)對農(nóng)作物生長周期情況的動態(tài)監(jiān)測

借助無人機遙感技術對農(nóng)村土地進行監(jiān)測時，由于信息監(jiān)測缺乏周期性和聯(lián)系性，所以使監(jiān)測數(shù)據(jù)缺乏一定的準確性和合理性［5］。農(nóng)作物的生長過程具有周期性，不同的生長階段監(jiān)測到的數(shù)據(jù)存在一定的差異，因此利用無人機遙感技術對農(nóng)村土地監(jiān)測時，需要強化對農(nóng)作物生長信息動態(tài)性和周期性的監(jiān)測力度，以便更好地了解農(nóng)作物在不同生長階段對生長環(huán)境的不同需求。

4.3 提高數(shù)據(jù)處理能力

應用無人機遙感技術監(jiān)測農(nóng)村土地，會產(chǎn)生種類多樣的數(shù)據(jù)，但現(xiàn)階段還不能較好地對這些數(shù)據(jù)進行處理和動態(tài)解譯，在一定程度上限制了農(nóng)業(yè)的發(fā)展［6］。因此，在后續(xù)的應用過程中，需要不斷提高數(shù)據(jù)的處理能力，為農(nóng)業(yè)發(fā)展提供科學的數(shù)據(jù)支撐。

5 結語

綜上所述，農(nóng)村土地資源作為農(nóng)村經(jīng)濟活動的重要載體和基礎，為了能夠實現(xiàn)農(nóng)村地區(qū)的高質量發(fā)展，需要不斷強化對農(nóng)村土地的監(jiān)測，尤其是對農(nóng)作物生產(chǎn)方面的監(jiān)測。本文的研究基于農(nóng)村試驗區(qū)域，借助無人機遙感技術，在獲取高分辨率影像數(shù)據(jù)的同時，對得到的數(shù)據(jù)進行解譯和分析，得出試驗區(qū)域農(nóng)村土地的利用情況。通過構建無人機遙感技術在農(nóng)村土地中的應用場景，探討無人機遙感技術在農(nóng)村土地監(jiān)測領域的發(fā)展趨勢，以期能進一步提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的科學性，為農(nóng)村地區(qū)經(jīng)濟的發(fā)展提供保障。

6 參考文獻

［1］于堃，單捷，王志明，等.無人機遙感技術在小尺度土地利用現(xiàn)狀動態(tài)監(jiān)測中的應用［J］.江蘇農(nóng)業(yè)學報，2019，35（4）：853-859.

［2］李海燕.無人機攝影測量技術在土地整治項目中的應用［J］.地球，2019（3）：96-97.

［3］周伊伊.基于無人機遙感技術的設施農(nóng)業(yè)用地監(jiān)測研究［J］.現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)，2023（2）：47-50.

［4］劉貞利，蘇壯.無人機遙感技術特點及在土地管理工作中的應用［J］.商情，2022（39）：43-45.

［5］趙占營，陳靜.無人機遙感技術在土地管理中的應用進展［J］.價值工程，2022，41（10）：129-131.

［6］馬林，明春梅.無人機航空遙感技術在土地調查中的應用研究［J］.IT經(jīng)理世界，2022，25（11）：4.