無人機(jī)航空遙感技術(shù)在土地調(diào)查中的應(yīng)用研究

王 棟，張永磊

（商丘工學(xué)院，河南 商丘 476000）

隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，帶動(dòng)了城市化的進(jìn)一步發(fā)展，對于土地的需求也變得越發(fā)突出，一些城市土地規(guī)劃日益緊張。在龐大的土地需求之下，傳統(tǒng)的土地調(diào)查技術(shù)已經(jīng)難以滿足時(shí)代發(fā)展的需要，而隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，越來越多的土地規(guī)劃調(diào)查技術(shù)被應(yīng)用到土地的管理中，比如基于現(xiàn)階段無人機(jī)航空遙感技術(shù)，在土地規(guī)劃管理中已經(jīng)發(fā)揮了極大的作用，有效地提高了土地調(diào)查的效率[1]。

1 無人機(jī)航空遙感在土地調(diào)查中的發(fā)展背景

在無人機(jī)航空遙感技術(shù)尚未普及之前，大面積的土地調(diào)查主要是通過衛(wèi)星遙感圖像。但衛(wèi)星遙感圖像本身也存在一定的不足之處，比如衛(wèi)星只有在飛到預(yù)定軌道之后才可以向目標(biāo)區(qū)域獲取相應(yīng)的遙感信息數(shù)據(jù)，但有時(shí)候受制于天氣狀況實(shí)現(xiàn)的多項(xiàng)因素的影響，并不一定能在最短的時(shí)間內(nèi)獲取相應(yīng)的資料，因此獲取原始影像資料的周期比較長，每一次使用都需要一筆不菲的支出。而且受制于從高空拍攝設(shè)置為衛(wèi)星的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)等因素的影響，獲取的圖像也不夠清晰，效率低、像素差、遙感數(shù)據(jù)不精確等多種因素并不利于土地調(diào)查正確數(shù)據(jù)的獲取，根本無法適用于小面積、小區(qū)域的土地調(diào)查[2]。

在這種環(huán)境下更需要研發(fā)一個(gè)低成本、高效率、清晰度更高的適用遙感技術(shù)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的衛(wèi)星遙感技術(shù)，后來隨著無人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，被廣泛應(yīng)用到各行各業(yè)，而且無人機(jī)的整體成本更低，可操作性靈活，因此基于無人機(jī)搭載遙感平臺應(yīng)用到土地調(diào)查中更符合實(shí)際的需求。而且現(xiàn)階段在相關(guān)行業(yè)及科技的支持之下，無人機(jī)航空遙感測繪技術(shù)也被推到了一個(gè)新的階層，其獲得的影像精度和數(shù)據(jù)含量越來越高，對提升土地調(diào)查工作的質(zhì)量和效率具有無可代替的作用[3]。

2 無人機(jī)遙感系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

目前用于土地調(diào)查的遙感無人機(jī)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)一共由5 個(gè)部分組成，根據(jù)其功能可以分為飛行結(jié)構(gòu)、無人機(jī)操控系統(tǒng)、地面監(jiān)控操作站、遙感信息獲取系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析和處理系統(tǒng)。

2.1 飛行結(jié)構(gòu)

飛行結(jié)構(gòu)主要是指無人機(jī)遙感系統(tǒng)中飛行器的本身結(jié)構(gòu)，其主要作用是搭載著遙感設(shè)備進(jìn)行起飛，并接受地面監(jiān)測站的控制。其飛行結(jié)構(gòu)通常是根據(jù)遙感設(shè)備的不同選擇不同的型號，因?yàn)椴煌倪b感設(shè)備，其重量和體積不同，而不同規(guī)格的無人機(jī)最大的飛行荷載也是不一樣的。目前在我國無人遙感系統(tǒng)中所使用的主要是國產(chǎn)無人機(jī)，比如說大疆系列的無人機(jī)，飛行系統(tǒng)比較穩(wěn)定，一次滿電之后的續(xù)航時(shí)間也相對比較長，基本上可以滿足常規(guī)下的遙感地理信息的采集。需要注意的是，在選擇飛行結(jié)構(gòu)的時(shí)候必須與遙感設(shè)備重量相匹配，并滿足遙感數(shù)據(jù)采集的控制性能需求[4]。

2.2 無人機(jī)操控系統(tǒng)

操控系統(tǒng)是整個(gè)無人機(jī)系統(tǒng)最核心的部位之一，基于操控系統(tǒng)的芯片所接觸的地面?zhèn)鬏數(shù)臄?shù)據(jù)來控制無人機(jī)實(shí)時(shí)定位自己的位置，并按照事先設(shè)定好的程序進(jìn)行飛行[5]。操控系統(tǒng)根據(jù)其組成部分可以分為數(shù)據(jù)接收和發(fā)射系統(tǒng)、GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、氣壓傳感和重力感應(yīng)系統(tǒng)。其主要作用是在地面監(jiān)測站傳出線路的控制信息之后，按照事先輸入的指令朝固定的方向和速度進(jìn)行飛行，并根據(jù)實(shí)際的需要調(diào)整無人機(jī)的俯視角、仰視角、側(cè)滾角、偏航角等，為后期數(shù)據(jù)的采集和處理提供充分的材料，一般情況下當(dāng)設(shè)定完整個(gè)程序之后，不需要進(jìn)行人為干預(yù)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)事先設(shè)定好的程序進(jìn)行飛行和采集資料[6]。

2.3 攝影遙感數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

無人機(jī)所搭載的攝影遙感數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常是根據(jù)行業(yè)需求所定制的，高分辨率多層信息采集的數(shù)碼相機(jī)同步搭載線上的雷達(dá)設(shè)施。在攝影遙感數(shù)據(jù)采集過程中，由于無人機(jī)一直保持飛行的狀態(tài)，因此所獲取的照片很可能會(huì)發(fā)生一定的變形，因此后續(xù)工作中必須做好對無人機(jī)圖像變形的處理，具體的處理方法可以根據(jù)無人機(jī)的飛行狀態(tài)及相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和確定[7]。

2.4 地面操作監(jiān)控系統(tǒng)

地面操作監(jiān)控系統(tǒng)通常指的是無人機(jī)所附帶的地面控制設(shè)備，主要有計(jì)算機(jī)設(shè)備、控制軟件、天線、電源等部分組成。其目的就是方便操作人員能夠基于該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)向無人機(jī)遙感系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳輸相應(yīng)的數(shù)據(jù)資料和控制信息，并實(shí)時(shí)地接收來自無人機(jī)所反饋的飛行數(shù)據(jù)以及所拍攝到的照片數(shù)據(jù)，而且在飛行過程中也會(huì)自動(dòng)采集到相應(yīng)的飛行參數(shù)，包括飛行時(shí)的高度速度、路徑、角度等，可以作為后期數(shù)據(jù)處理的相關(guān)修正性材料。

2.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要是指在采回?cái)?shù)據(jù)之后，基于計(jì)算機(jī)軟件對所拍攝到的圖像和雷達(dá)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行合成處理的一個(gè)過程。目前國內(nèi)外的遙感攝影測量處理的軟件比較多，通?？梢愿鶕?jù)具體的需要選擇對應(yīng)的處理系統(tǒng)，進(jìn)行矯正之后獲得對應(yīng)的正射影像圖來滿足攝影測量的需要。除了能獲取一些數(shù)量的點(diǎn)位和邊界數(shù)據(jù)之外，還可以獲得有同步拍攝的攝影資料，根據(jù)攝影資料可以更好地做出地綜和地塊屬性的識別，便于后期進(jìn)行土地規(guī)劃和管理。

3 無人機(jī)航空遙感技術(shù)在土地調(diào)查中的優(yōu)勢

3.1 分辨率更高

相對于航空遙感和航天遙感無人機(jī)遙感的飛行高度更低，因此所獲得的各種圖像資料和數(shù)據(jù)資料更加的細(xì)致，來滿足土地調(diào)查中一些細(xì)節(jié)信息的收集和處理。尤其當(dāng)對地面進(jìn)行攝影測量時(shí)，圖像的整體分辨率更高。對于部分區(qū)域的土地調(diào)查，不僅需要獲得相應(yīng)的坐標(biāo)資料，同樣對于一些地面標(biāo)識性資料也需要獲取，這也是傳統(tǒng)的航天遙感和航空遙感無法滿足的。而且還可以結(jié)合具體的需要從多個(gè)角度進(jìn)行拍攝，避免因?yàn)橐恍┙ㄖ锝Y(jié)構(gòu)影響到遙感圖像的精度。

3.2 操作更加簡單

在傳統(tǒng)模式下土地調(diào)查中使用的，主要碰到的是全站儀，在條件允許的情況下使用的是GPS RTK 設(shè)備，無論哪一種設(shè)備對測繪人員個(gè)人的測量水平要求較高。而且通過這些方法所獲取的土地調(diào)查數(shù)據(jù)往往都是一些矢量的點(diǎn)位再導(dǎo)入具體的計(jì)算機(jī)軟件之后還要對不同的地塊進(jìn)行識別標(biāo)注。根據(jù)前期的標(biāo)注資料，將對應(yīng)采集到的測量點(diǎn)連接在一起形成閉合地塊之后，再標(biāo)注上地塊的屬性，整體的工作量比較大，而且一般記錄資料出現(xiàn)錯(cuò)誤或紊亂的話，還需要進(jìn)行二次現(xiàn)場勘查，工作量比較大。因此在整個(gè)過程中會(huì)消耗大量的人力、物力，至少需要多個(gè)人參與。而且以上兩種方法在采集數(shù)據(jù)的時(shí)候還可能會(huì)受到通視效果信號干擾等多種因素的影響。而無人機(jī)遙感測繪技術(shù)則相對簡單，只要是經(jīng)過相應(yīng)的訓(xùn)練之后都可以操作對應(yīng)的系統(tǒng)，而且相對于傳統(tǒng)的方法，大大降低了人工成本和時(shí)間成本。尤其隨著相關(guān)電子科技及飛行設(shè)備技術(shù)的進(jìn)步，有效地避免了因設(shè)備原因而產(chǎn)生的各種測量誤差。

3.3 靈活性更強(qiáng)

首先與傳統(tǒng)的衛(wèi)星及飛機(jī)遙感相比，無人機(jī)的啟動(dòng)成本更低，可以根據(jù)實(shí)際的需要隨時(shí)啟用無人機(jī)進(jìn)行采集相關(guān)數(shù)據(jù)，而且在飛機(jī)的起降過程中不需要太過于專業(yè)的操作，在采集數(shù)據(jù)的過程中，還可以從垂直、傾斜等多個(gè)角度進(jìn)行攝影測量獲取遙感數(shù)據(jù)。在采集數(shù)據(jù)的時(shí)候還可以基于已經(jīng)設(shè)定好的程序完成多個(gè)航線上的采集，同時(shí)可以一次性設(shè)置多個(gè)地形測量拍攝點(diǎn)，整體的工作更加的高效。

3.4 使土地調(diào)查工作更加安全

無人機(jī)航空遙感數(shù)據(jù)采集的時(shí)候是不需要由人直接參與到其中的，而是由無人機(jī)帶著設(shè)備進(jìn)行工作的，因此操作員只需要在地面進(jìn)行控制即可，極大地提高了測繪的安全系數(shù)，尤其對于一些山區(qū)或?qū)γ媲闆r不太好的環(huán)境測量時(shí)，基于無人機(jī)可以有效地代替人工進(jìn)入一些復(fù)雜的地形或草叢中活動(dòng)，盡可能地弱化了外界自然因素對數(shù)據(jù)采集人員所造成的危險(xiǎn)，同時(shí)極大的方便的測繪數(shù)據(jù)采集的過程，有助于高質(zhì)量、快速地完成測繪任務(wù)，對于土地調(diào)查工作的都是非常有價(jià)值的。比如在傳統(tǒng)模式下，有時(shí)候?qū)τ谝恍┑貕K的數(shù)據(jù)采集需要測量人員拿著GPS RTK 的接收器或到達(dá)需要測量的點(diǎn)上再收集點(diǎn)位坐標(biāo)，但有些地區(qū)可能是水域、灌木叢，對于南方地區(qū)來說，這些區(qū)域還可能存在著毒蛇、毒蟲等風(fēng)險(xiǎn)。但使用無人機(jī)航空遙感則完全不用考慮到這些因素。

4 無人機(jī)航空遙感技術(shù)應(yīng)用在土地調(diào)查中的可行性

現(xiàn)階段，在一些土地調(diào)查活動(dòng)中廣泛地應(yīng)用了無人機(jī)攝影遙感技術(shù)，有效地提高了傳統(tǒng)模式下的工作效率，充分發(fā)揮出了無人機(jī)遙感系統(tǒng)的優(yōu)越性能，應(yīng)用可行性比較突出。

4.1 數(shù)據(jù)采集得更加全面

在采集地面攝影和遙感數(shù)據(jù)的時(shí)候無人機(jī)可以基于多個(gè)角度進(jìn)行采集，而且可以搭載最先進(jìn)的攝影和遙感數(shù)據(jù)采集設(shè)備通過高空、低空，多角度多方位地采集數(shù)據(jù)，有效地打破了地面一些高層建筑遮擋的問題，這些都是衛(wèi)星遙感系統(tǒng)無法解決的問題。

4.2 低成本性

對于土地調(diào)查工作而言，低成本、高效率自然是其追求的目標(biāo)，無人機(jī)在一次性采集過程中可以獲取大量的地面數(shù)據(jù)資料，后續(xù)只要由專業(yè)的工作人員進(jìn)行實(shí)地的數(shù)據(jù)處理即可，而且可以按照事先的線路進(jìn)行飛行，基本上不需要太多資金和人力的投入，因此綜合的成本更低。

4.3 數(shù)據(jù)處理更高效率

與航天飛機(jī)或衛(wèi)星遙感技術(shù)相比，目前我國對于無人機(jī)的管理流程已經(jīng)非常的成熟，只需要基于簡單的手續(xù)便可以獲得無人機(jī)飛行許可證，并且與當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)部門報(bào)備之后，便可通過無人機(jī)去采集數(shù)據(jù)。所采集到的數(shù)據(jù)可以基于現(xiàn)階段成熟的數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行自動(dòng)化的數(shù)據(jù)采集和修正。而后期只需要由人工堆砌數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和相關(guān)誤差進(jìn)行檢驗(yàn)即可，整體的工作量更小，而且效率更高。

5 無人機(jī)航空遙感技術(shù)在土地調(diào)查中的應(yīng)用流程

5.1 準(zhǔn)備工作

在土地調(diào)查時(shí)的一個(gè)核心工作就是要統(tǒng)計(jì)出土地的數(shù)量、面積、分布和目前的使用情況等相關(guān)信息。在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集之前，相關(guān)的工作人員需要對每一宗土地的位置、范圍、面積、類型等情況進(jìn)行全方位的調(diào)查。在提取無人機(jī)航空遙感數(shù)據(jù)之前，相關(guān)工作人員還要結(jié)合實(shí)際的土地調(diào)查需要，分析是否需要作為整理土地利用現(xiàn)狀的圖案等相關(guān)的數(shù)據(jù)。

在提取到遙感平臺所獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)之后，工作人員要結(jié)合傳感器的類型及所獲取的遙感材料的類型確定出土地類型的解譯標(biāo)準(zhǔn)，目前來說行業(yè)中主要采用數(shù)碼信息來獲取相關(guān)的資料，數(shù)碼相片上面的分辨率和文理辨識度等特征來進(jìn)行解疑土地信息，主要是通過人工目視判斷的方法。為了確保對每一宗地塊的土地性質(zhì)解譯的準(zhǔn)確性，對圖像處理之前需要進(jìn)行全方位的走向走訪工作，根據(jù)植被的類型、地貌特點(diǎn)、土地分布等選擇具有代表性的樣本，比如，調(diào)查人員可選取地類單一、特征明顯的典型地塊作為地類樣本，并將其放入樣本比對庫。樣本比對庫是后期信息解譯和提取的基礎(chǔ)。

5.2 信息的解譯和提取

調(diào)查人員應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)赝恋卣{(diào)查的需求，根據(jù)影像上地物所反映的綜合信息，利用GIS 平臺人工進(jìn)行綜合分析對比、判斷與推理，進(jìn)而提取出目標(biāo)地物的信息。調(diào)查人員可以根據(jù)色彩、形狀、大小、紋理、陰影等特征來判讀地物的類型和某些性質(zhì)。此外，調(diào)查人員還要對其他輔助信息（如已有的調(diào)查資料）進(jìn)行對比分析，以增強(qiáng)信息提取的準(zhǔn)確性。

5.3 評價(jià)內(nèi)業(yè)解譯結(jié)果的精度

內(nèi)業(yè)解譯結(jié)果不可避免地會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)判的問題，這些問題可以通過開展外業(yè)核查來解決。外業(yè)核查的目的是修訂內(nèi)業(yè)解譯結(jié)果，并不需要對所有的信息進(jìn)行核查。在核查之前，工作人員要提取調(diào)查區(qū)域變化圖斑信息，這可以通過對比變更調(diào)查數(shù)據(jù)庫來實(shí)現(xiàn)。

6 結(jié)語

作為新型測繪技術(shù)，無人機(jī)航空遙感技術(shù)機(jī)動(dòng)性較強(qiáng)，相關(guān)人員可利用該技術(shù)因地制宜地開展土地調(diào)查工作。在土地調(diào)查工作和測繪工作中，無人機(jī)航空遙感技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢，可以滿足當(dāng)前土地調(diào)查的要求以及高精度測繪的要求。因此，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，相關(guān)工作人員應(yīng)明確無人機(jī)航空遙感系統(tǒng)的組成和工作原理，保證土地調(diào)查工作高效進(jìn)行。