無人機(jī)低空攝影測量在“兩違”執(zhí)法中的應(yīng)用

胡煥煥

（福建省121地質(zhì)大隊(duì)，福建 龍巖 364021）

0.引言

為貫徹落實(shí)習(xí)近平生態(tài)文明思想和習(xí)近平總書記關(guān)于自然資源管理的重要指示批示，采取長牙齒的硬措施，以“零容忍”態(tài)度堅決遏制新增違法占用耕地行為，堅決落實(shí)最嚴(yán)格的耕地保護(hù)制度，維護(hù)自然資源管理秩序，決定開展2021年衛(wèi)片執(zhí)法工作，并出臺相關(guān)政策，明確指出堅決遏制新增“兩違”，對頂風(fēng)違法行為“零容忍”。國家打擊“兩違”之決心明顯可見，但是僅靠下發(fā)的“兩違”衛(wèi)片圖斑，想要不出外業(yè)就弄清楚地面建筑及其地類現(xiàn)狀等情況較為困難。除此之外，一些違法建筑善用偽裝手段，致使衛(wèi)片難以發(fā)現(xiàn)其通過偽裝、掩蓋等處理后的現(xiàn)狀，不能及時對其違法占地性質(zhì)作出準(zhǔn)確判斷。

1.無人機(jī)低空攝影測量

作為一種新的測繪技術(shù)手段，無人機(jī)測繪在傳統(tǒng)測繪領(lǐng)域已得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是在大面積困難復(fù)雜地區(qū)地形圖測繪中，更能充分發(fā)揮其快速高效的測圖優(yōu)勢，因此成為測繪領(lǐng)域研究的焦點(diǎn)之一[1]。利用無人機(jī)低空攝影測量技術(shù)對“兩違”用地范圍進(jìn)行航飛并開展實(shí)景建模，能有效解決這一難題，給“兩違”執(zhí)法帶來較多便利。

若采用傳統(tǒng)的測量方式，雖然精度高，但工作量大，需投入大量人力、物力，且效率低、周期長、成本高[2，3]。無人機(jī)攝影測量具有全面直觀、低成本、高精度等特點(diǎn)[4]，可以方便、靈活地攝取多角度高分辨影像，通過快速數(shù)據(jù)采集后，處理生成實(shí)景三維模型，可真實(shí)反映地物的外觀、位置、高度等屬性，并可以較為完整地獲取地物側(cè)面的輪廓和紋理信息，縮減甚至替代外業(yè)實(shí)測，將節(jié)余的外業(yè)時間轉(zhuǎn)為相對舒適的室內(nèi)數(shù)據(jù)處理。

2.實(shí)例分析

2.1 項(xiàng)目概況

目標(biāo)測區(qū)新羅區(qū)，隸屬福建省龍巖市，位于福建省西南部。東連漳平市，西接上杭縣，北鄰連城縣、永安市，東南與南靖縣交界，西南與永定區(qū)毗鄰。全境東西寬66km，南北長89km，總面積2685.4km2。

根據(jù)目標(biāo)任務(wù)要求，目標(biāo)測區(qū)內(nèi)“兩違”衛(wèi)片需以圖斑為單位進(jìn)行作業(yè)。本文選取總測區(qū)內(nèi)其中一個圖斑作為案例進(jìn)行具體分析。該圖斑位于總測區(qū)西南部，東西兩面山體環(huán)繞，北面毗鄰荒地，南面為村用道路，現(xiàn)占地范圍內(nèi)已建成多個民宿用集裝箱，且有部分地面已硬化。

按照市相關(guān)部門在衛(wèi)片圖斑核查過程中工作要求，作業(yè)組需開展現(xiàn)場執(zhí)法監(jiān)督測量，為下一步行政處罰、拆除等處置措施提前獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，現(xiàn)場調(diào)查違法圖斑的現(xiàn)狀、權(quán)屬、用途、已有資料等基礎(chǔ)狀況，現(xiàn)場測量違法圖斑的位置、界址、面積等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，將外業(yè)測繪的成果與相關(guān)土地利用、土地規(guī)劃、基本農(nóng)田等數(shù)據(jù)疊加分析，確定違法占用地類、是否符合規(guī)劃、是否占用基本農(nóng)田等情況，為下一步的違法處置提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)依據(jù)。

2.2 工作流程

無人機(jī)攝影測量是一項(xiàng)整體的系統(tǒng)性工程，各環(huán)節(jié)的順利銜接及質(zhì)量監(jiān)控尤為重要。結(jié)合小組分工及各方要求，制定工作流程圖（如圖1所示）：

圖1 無人機(jī)攝影測量技術(shù)流程

2.3 組織實(shí)施

2.3.1 資料收集及現(xiàn)場踏勘

在無人機(jī)攝影測量工作開始前，先進(jìn)行相應(yīng)資料的收集，本次工作中，資料收集內(nèi)容主要包括：相關(guān)部門下發(fā)的測區(qū)內(nèi)衛(wèi)片圖斑影像；測區(qū)內(nèi)土地利用現(xiàn)狀及土地利用總體規(guī)劃數(shù)據(jù)資料；測區(qū)內(nèi)已有測量控制點(diǎn)成果。

為更好地了解施工環(huán)境并獲取相應(yīng)的施工技術(shù)設(shè)計數(shù)據(jù)，作業(yè)前組織技術(shù)人員進(jìn)行現(xiàn)場踏勘，整體把握作業(yè)區(qū)實(shí)際情況，并對其進(jìn)行初步分析及預(yù)判?，F(xiàn)場踏勘的工作內(nèi)容包括：核查已有的現(xiàn)狀地形圖與實(shí)地是否一致；初步選擇測區(qū)內(nèi)適合做像控點(diǎn)的地物點(diǎn)，選擇像控點(diǎn)標(biāo)靶位置；察看測區(qū)內(nèi)有可能影響無人機(jī)飛行的各種干擾因素。

2.3.2 外業(yè)航飛

根據(jù)目標(biāo)測區(qū)情況，本次無人機(jī)外業(yè)航飛布設(shè)4個像控點(diǎn)，在測區(qū)內(nèi)呈大致均勻分布狀態(tài)，以求保證三維模型的數(shù)學(xué)精度。使用中海達(dá)RTK，采用控制點(diǎn)測量方式采集控制點(diǎn)坐標(biāo)，利用三角支架架設(shè)流動站。小型旋翼無人機(jī)的續(xù)航時間較短[5]，但本測區(qū)是按圖斑作業(yè)，由于圖斑面積較小，小型多旋翼無人機(jī)足以滿足本次航空攝影測量作業(yè)。本次作業(yè)使用的小型多旋翼高精度航測無人機(jī)，基于低空攝影測量，具備厘米級導(dǎo)航定位系統(tǒng)和高性能成像系統(tǒng)，小巧便攜，航測效率較高。由于測區(qū)周邊有部分山體，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，在天氣較好環(huán)境下飛行，同時，為了獲取測區(qū)內(nèi)完整紋理信息，由測區(qū)范圍外擴(kuò)一定距離為實(shí)際航測范圍。

2.3.3 三維建模

完成外業(yè)航攝后，應(yīng)對獲取的相片進(jìn)行質(zhì)量檢查并篩選，對于不合格的照片及時處理并安排外業(yè)補(bǔ)飛，補(bǔ)飛完成后再次篩查，直到所有影像質(zhì)量均滿足要求后，將所有航飛數(shù)據(jù)導(dǎo)入建模軟件，有序開展導(dǎo)入像控點(diǎn)坐標(biāo)、匹配坐標(biāo)系、像控點(diǎn)刺點(diǎn)、空中三角測量、三維模型等流程工作。

隨著攝影測量技術(shù)的廣泛運(yùn)用及云臺相機(jī)的性能增強(qiáng)，內(nèi)業(yè)計算機(jī)處理的數(shù)據(jù)量越來越大，單臺計算機(jī)的處理速度極為有限，現(xiàn)在廣泛采用的是多臺高性能計算機(jī)組成的計算機(jī)集群處理傾斜攝影數(shù)據(jù)，計算機(jī)集群可以加快內(nèi)業(yè)建模效率，更加精準(zhǔn)高效。本次數(shù)據(jù)處理采用的是10臺高性能計算機(jī)組成的計算機(jī)集群。

使用集群運(yùn)算，加載經(jīng)過質(zhì)檢篩選后的合格的航攝數(shù)據(jù)到相應(yīng)軟件Context Capture ，添加相應(yīng)的像控點(diǎn)數(shù)據(jù)，用以將平面坐標(biāo)校正至當(dāng)?shù)赝队白鴺?biāo)，有效預(yù)防計算出來的空中三角測量發(fā)生形變。本文在測區(qū)范圍內(nèi)均勻布置4個像控點(diǎn)，采用周邊無高差的固定地物，重點(diǎn)布設(shè)在道路拐點(diǎn)、道路標(biāo)志線、不同顏色地物分界拐點(diǎn)等具有明顯標(biāo)志位置，部分無合適特征地物點(diǎn)處采用標(biāo)靶實(shí)地布設(shè)。數(shù)學(xué)基礎(chǔ)統(tǒng)一采用國家CGCS2000坐標(biāo)系，1985國家高程基準(zhǔn)，中央子午線為117°，高斯—克呂格3度帶投影。

然后提交空中三角測量，查看空三報告，重點(diǎn)檢查像控點(diǎn)精度是否滿足生產(chǎn)要求，還可查看像素精度、地面分辨率精度、水平精度、垂直精度等。

三角測量通過后，新建重建項(xiàng)目開展三維模型重建，根據(jù)需求設(shè)置坐標(biāo)系、輸出路徑等。三維模型重建仍然是在Context Capture中進(jìn)行，10臺高性能計算機(jī)同時作業(yè)，運(yùn)算速度明顯高于單機(jī)運(yùn)算速度，軟件自動化處理運(yùn)算過程中，可隨時查看數(shù)據(jù)處理進(jìn)度條、瓦塊處理進(jìn)度等，便于下一步工作安排。三維模型重建成功后，最終生成的模型文件（如圖2所示）：

圖2 三維模型

2.3.4 CASS成圖

把模型加載到Cass10.1 3D里面進(jìn)行矢量化數(shù)據(jù)繪圖，主要采集兩違違法用地范圍內(nèi)的建（構(gòu)）筑物、居民配套設(shè)施等要素及屬性，根據(jù)相關(guān)規(guī)程規(guī)范及雙方合同要求，制作相應(yīng)的數(shù)字線劃圖。并根據(jù)違法、違建占地類型，切塊圈存計算相應(yīng)面積。內(nèi)業(yè)繪圖時，如有被遮擋或未采集到的無法繪制的要素，需要及時進(jìn)行外業(yè)調(diào)繪和補(bǔ)測，并在最終繪圖完成時對圖飾進(jìn)行修整和完善，成圖結(jié)果（如圖3所示）：

圖3 CASS成圖

2.3.5 精度分析

為驗(yàn)證三維模型的精度是否滿足要求，從三維模型上抽取了房角、道路拐角、標(biāo)志地物等具有明顯地物特征的36個地物坐標(biāo)進(jìn)行實(shí)地測量，經(jīng)模型坐標(biāo)與實(shí)地測量坐標(biāo)對比（如表1所示），最大點(diǎn)位誤差0.109m，最小點(diǎn)位誤差為0.003m，點(diǎn)位中誤差為0.028m，數(shù)據(jù)處理精度滿足要求。

表1 檢查點(diǎn)坐標(biāo)對比表

2.3.6 土地利用現(xiàn)狀及規(guī)劃圖套和

“兩違”執(zhí)法除了要掌握目標(biāo)測區(qū)的地形地貌，還要結(jié)合所在鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)庫及土地總體規(guī)劃數(shù)據(jù)庫、基本農(nóng)田數(shù)據(jù)庫等，將目標(biāo)測區(qū)內(nèi)違法用地范圍線提取出來，分別套合在土地利用現(xiàn)狀及總體規(guī)劃數(shù)據(jù)庫、基本農(nóng)田數(shù)據(jù)庫中，以判斷違法用地所占土地地類現(xiàn)狀及是否符合土地利用總體規(guī)劃等。在此之前，需對測區(qū)內(nèi)最新的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)庫、土地利用總體規(guī)劃數(shù)據(jù)庫、基本農(nóng)田數(shù)據(jù)庫、土地規(guī)劃用途管制數(shù)據(jù)庫等基礎(chǔ)資料進(jìn)行收集，在此基礎(chǔ)上，對各項(xiàng)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行疊加，最終形成“兩違”執(zhí)法完整的土地利用現(xiàn)狀及總體規(guī)劃數(shù)據(jù)庫。此項(xiàng)工作是在ArcGIS中完成，ArcGIS有強(qiáng)大的工具箱，具備較為完善的編輯、分析制圖等能力，合理高效地利用ArcGIS各項(xiàng)模塊功能事半功倍，大大提高了工作效率。

2.3.7 “兩違”執(zhí)法勘查結(jié)論

現(xiàn)場勘查調(diào)繪的測區(qū)內(nèi)占地紅線范圍與最新土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)庫套合，生成該范圍占用的土地利用現(xiàn)狀分類面積（如表2所示），該違法用地侵占地類包含耕地（旱地）310.25m2、城鎮(zhèn)村及工礦倉儲用地（村莊）909.61m2。

表2 “兩違”占用土地利用現(xiàn)狀分類表 單位：m2

目標(biāo)測區(qū)非法占地1219.86m2，經(jīng)與該測區(qū)內(nèi)土地總體規(guī)劃調(diào)整完善數(shù)據(jù)庫套合，其中允許建設(shè)區(qū)面積905.83m2，有條件建設(shè)區(qū)面積314.03m2，在有條件建設(shè)基礎(chǔ)上符合該街道土地利用總體規(guī)劃（經(jīng)與基本農(nóng)田數(shù)據(jù)庫套合核實(shí)，占用基本農(nóng)田面積0m2），土地利用現(xiàn)狀及規(guī)劃套合圖(如圖4所示)：

圖4 土地利用現(xiàn)狀及總體規(guī)劃套合圖

3.結(jié)束語

本文根據(jù)“兩違”執(zhí)法勘測項(xiàng)目，選擇“兩違”用地的某一測區(qū)，結(jié)合作業(yè)實(shí)際需要，引入無人機(jī)低空攝影測量三維建模技術(shù)并進(jìn)行了實(shí)例分析，能夠在較短的時間生產(chǎn)高質(zhì)量、高精度的模型成果，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行圖斑調(diào)繪及獲取構(gòu)筑物長度、面積、高度、體積等屬性信息，在三維建模中有效還原“兩違”用地實(shí)景的方式，有效減少了“兩違”外業(yè)巡查和調(diào)查的工作量，提高了工作效率。

內(nèi)業(yè)數(shù)字線劃圖與土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)庫及土地總體規(guī)劃數(shù)據(jù)庫、基本農(nóng)田數(shù)據(jù)庫的疊加套合，讓執(zhí)法者及時掌握違法用地所占土地地類現(xiàn)狀及是否符合土地利用總體規(guī)劃，并做出快速判斷及相應(yīng)處罰。快速精準(zhǔn)的執(zhí)法方式有效遏制“兩違”新增，給執(zhí)法工作帶來較大便利。