李波+唐海

【摘 要】 對無人機遙感系統(tǒng)的組成，無人機遙感數(shù)據(jù)獲取流程，遙感影像變化監(jiān)測算法及監(jiān)測過程等進行了研究。將無人機遙感技術(shù)和遙感影像變化監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用于壽光市土地資源保護，為壽光市土地資源保護提出了一種新的技術(shù)方法。

【關(guān)鍵詞】 無人機 變化監(jiān)測 土地資源

1 引言

目前土地資源保護工作主要有兩種技術(shù)手段。一是使用衛(wèi)星和普通航空遙感影像進行數(shù)據(jù)獲取，然后進行變化監(jiān)測。但是衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)獲取周期較長、衛(wèi)星分辨率較低。有人駕駛飛機普通航空遙感的方法雖然可獲取較高分辨率的影像，但容易收到空域管制影響并且在重復(fù)監(jiān)測中成本較高[1]。二是進行人工實地檢查手段進行土地資源保護。這需要國土資源部門配備大量的人力物力與工作量相適應(yīng)，由于人手短缺很多地方難以巡查到位，而且人員極其容易受到各種因素的干擾而影響保護效果。

山東省壽光市基于無人機遙感監(jiān)測進行土地資源保護應(yīng)用，以先進無人機遙感系統(tǒng)進行快速數(shù)據(jù)獲取，配合土地資源變化監(jiān)測技術(shù)進行土地資源執(zhí)法，對壽光市中南部區(qū)域不同時期的土地資源數(shù)據(jù)進行處理和分析，獲取監(jiān)測區(qū)域土地覆蓋的信息、現(xiàn)狀信息和變化信息，快速對非農(nóng)用地占用耕地的位置進行定位分析及時查處，為壽光市政府、國土部門提供系統(tǒng)、客觀、權(quán)威的土地資源數(shù)據(jù)支持。

2 無人機遙感數(shù)據(jù)獲取

無人機航空遙感系統(tǒng)具備高機動性、便捷性、成本低等特點，在土地利用、熱點地區(qū)土地資源保護監(jiān)察等領(lǐng)域擁有獨特的優(yōu)勢[2]。無人機航空遙感系統(tǒng)是高分辨率及高精度遙感影像獲取和處理的嶄新技術(shù)，是航空航天等遙感技術(shù)的有力的補充[3]。經(jīng)過研究調(diào)查、壽光市土地資源保護主要針對違法亂建等對優(yōu)良耕地的侵占，利用無人機遙感監(jiān)測，可以及時發(fā)現(xiàn)和依法查處被監(jiān)測區(qū)域國土資源違法行為，有利于建立利用科技手段實行土地資源動態(tài)巡查監(jiān)管。

2.1 無人機航空遙感系統(tǒng)組成

無人機遙感平臺分為空中部分和地面部分。其中空中部分包括遙感傳感器系統(tǒng)、空中自動控制系統(tǒng)、無人機平臺[4]，主要負責按照規(guī)劃航線和地面人員操作進行遙感數(shù)據(jù)獲取。地面部分包括航線規(guī)劃系統(tǒng)、地面控制系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)，主要功能包括飛行前的航線規(guī)劃設(shè)計，飛行中對無人機飛行狀態(tài)進行控制和對獲取的數(shù)據(jù)進行實時傳輸（圖2-1）。

遙感傳感器系統(tǒng)：由于無人機載荷限制，遙感傳感器一般采用改裝的單反相機，具體參數(shù)如下：分辨率大于2000萬，快門速度大于1/5000秒，具有程序自動拍照/人工拍照工作模式控制，相機照片能夠?qū)︼w機位置、姿態(tài)與時間信息進行加注，具備相機鏡頭專業(yè)檢校能力[5]。

空中自動控制系統(tǒng)：根據(jù)規(guī)劃航線實現(xiàn)對無人機的自動控制，具有導(dǎo)航解算、系統(tǒng)自檢測功能?？刂凭热缦拢鹤藨B(tài)動態(tài)控制精度±2度，航高控制精度±5米、水平位置精度小于1米[6]。

無人機平臺：無人機平臺是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺，根據(jù)實際的野外作業(yè)及應(yīng)對極端環(huán)境的要求而設(shè)計和生產(chǎn)，具有展開時間短，操作簡便，飛行可靠性高，實用性強等特點。無人機平臺參數(shù)如下：載荷大于8千克，巡航速度在70-120千米每小時之間，正常作業(yè)高度海拔300-6000米之間，續(xù)航時間大于4小時，最大航程大于400km，正常起降風(fēng)速大于6級[7]。

航線規(guī)劃系統(tǒng)：進行任務(wù)規(guī)劃與航跡控制。具體參數(shù)如下：可編程航程點大于256個，規(guī)劃任務(wù)航跡數(shù)大于10條，可在飛行中修改任務(wù)或航程點。

地面控制系統(tǒng)：實現(xiàn)飛機飛行參數(shù)、地面站參數(shù)、實時航跡的顯示控制；實時記錄數(shù)據(jù)鏈全部數(shù)據(jù)和地面站相關(guān)信息。地面控制站為便攜式設(shè)計，可單人攜帶。

數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)：實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收及數(shù)據(jù)通信。具體參數(shù)如下：通信電臺頻段400-900兆赫斯，電臺功率不小于1瓦特，控制距離大于50千米。

2.2 無人機遙感數(shù)據(jù)獲取

無人機遙感數(shù)據(jù)獲取主要流程包括航攝設(shè)計、外業(yè)控制點測量、航空攝影測量、數(shù)據(jù)處理等步驟。

航攝設(shè)計：壽光市無人機遙感數(shù)據(jù)獲取飛行頻率為每30天獲取一次影像。影像分辨率為0.1米，飛行航高500米，影像旁向重疊度大于30%，影像航向重疊度大于60%，并根據(jù)測區(qū)情況進行航線設(shè)計[8]。

外業(yè)控制點測量：為得到可靠的區(qū)域網(wǎng)平差精度，根據(jù)航線設(shè)計方案調(diào)整出較為合理的外業(yè)控制點選取和布點方案。此次方案航向隔3條基線布設(shè)一個平高控制點、旁向隔兩條航帶布設(shè)一個平高控制點。

航空攝影測量：攝影時天氣情況要求良好，確保有足夠的光照度，攝影時太陽高度角應(yīng)大于45°，陰影不大于1倍。攝影時間要求為10-14時為最佳選擇。降落后，對照片數(shù)據(jù)及飛機整體進行檢查評估，結(jié)合貼線率和姿態(tài)角判斷是否復(fù)飛。

2.3 無人機遙感數(shù)據(jù)處理

無人機遙感數(shù)據(jù)快速處理主要包括勻光、勻色，空中三角測量，生成正射影像與鑲嵌，精度檢查等步驟。最終成果正射影像應(yīng)清晰，片與片之間影像盡量保持色調(diào)均勻，反差適中，影像接邊重疊帶不允許出現(xiàn)明顯的模糊和重影，相鄰數(shù)字正射影像嚴格接邊。

勻光、勻色：無人機航空影像由于拍攝時太陽光照角度不同，往往存在顏色不一致、明暗差異大等方面的問題。對無人機原始影像進行勻光、勻色，可去處航片之間顏色和明暗差異，保證影像質(zhì)量 。

空中三角測量：空中三角測量包括影像同名點自動匹配和區(qū)域網(wǎng)平差兩部分。同名點自動匹配利用影像匹配算法自動提取同名點并匹配，然后將匹配的同名點、布設(shè)的地面控制點和檢查點進行區(qū)域網(wǎng)平差。

生成正射影像與鑲嵌進行完成空中三角測量以后，生成DOM，并進行鑲嵌，在鑲嵌的過程中可以進一步勻光、勻色，保證最后DOM的效果。

精度檢查：量測檢查點在正射影像的坐標并與檢查點實際坐標進行對比，計算檢查點的平面位置殘差中誤差在一定范圍內(nèi)，驗證最終正射影像成果的精度，如果不滿足精度要求，需要找出原因并重新進行空中三角測量。endprint

3 遙感影像土地資源變化監(jiān)測

對生成的正射影像進行變化土地資源變化監(jiān)測，快速獲取監(jiān)測區(qū)域土地資源變化信息，并且進行演化分析和信息可視化處理，制作和完成各類土地資源變化監(jiān)測相關(guān)成果，為土地資源執(zhí)法檢查提供依據(jù)。

3.1 變化監(jiān)測算法

無人機航攝搭載的航攝相機為普通三波段單反相機，沒有近紅外波段，因此綜合運算效率、運算效果等選用圖像比值法進行土地資源變化監(jiān)測。圖像比值法是一個可以快速運算并得到土地資源變化區(qū)域的遙感影像監(jiān)測算法。此方法被認為是辨識變化區(qū)域相對較快的手段[9]。

圖像比值法是將兩個時期（，）獲取的遙感圖像按波段（k）進行逐像元的相除[7]（公式1）。如果兩個時期的土地利用情況沒有發(fā)生變化，那么遙感圖像像元比值接近與1，=1。如果兩個時期的土地利用情況發(fā)了變化，比如建筑物侵占了耕地，那么遙感圖像像元比值將明顯高于1或明顯低于1[10]。在實際應(yīng)用中，根據(jù)監(jiān)測對象的不同可以將這個比值變化范圍設(shè)定為閾值，通過設(shè)置合適閾值來確定土地變化監(jiān)測的靈敏度，得到正確的土地利用變化監(jiān)測結(jié)果。

（公式1）

，為時相；k為波段；i，j為像元坐標；為像元值。

3.2 土地資源變化監(jiān)測

壽光市土地資源變化監(jiān)測，利用圖像比值算法對兩個時期無人機獲取的遙感影像進行變化監(jiān)測，域值（圖像比值變化范圍）設(shè)置為0.1，即圖像比值為0.9到1.1之間時，判定土地利用沒有變化，圖像比值小于0.9或者圖像比值大于1.1時，判定土地利用類別發(fā)生變化。對于判定土地利用情況發(fā)生了變化的區(qū)域，要進行跟蹤判別，判定其土地利用變化范圍、變化類型等，最后制作土地資源變化示意圖（圖3-1）。

4 土地資源保護執(zhí)法

壽光市土地資源保護執(zhí)法以土地資源變化示意圖為工作地圖，在此基礎(chǔ)上疊加鄉(xiāng)鎮(zhèn)與村民委員會界線、地名注記作為常態(tài)數(shù)據(jù)，并制作變化圖斑分布位置圖和變化圖斑信息統(tǒng)計表，形成土地資源監(jiān)測報告國土執(zhí)法部門作為執(zhí)法檢查的科學(xué)依據(jù)。

截至到2013年底，共發(fā)現(xiàn)721處新增圖斑，面積約54.2萬平方米。經(jīng)調(diào)查核實后，對其中584宗違法用地進行了查處，及時有效地制止了壽光市違法用地行為。

5 結(jié)語

壽光市土地資源保護以無人機航空遙感系統(tǒng)為數(shù)據(jù)獲取手段，進行快速數(shù)據(jù)獲取，利用遙感變化監(jiān)測算法進行土地資源變化監(jiān)測。實現(xiàn)了對壽光市中南部地區(qū)基本農(nóng)田、耕地和建設(shè)用地動態(tài)變化情況的實時監(jiān)測和對違法違規(guī)用地行為的執(zhí)法查處，切實保護了壽光市土地資源。

參考文獻：

[1]韓杰，王爭.無人機遙感國土資源快速監(jiān)察系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究.測繪通報，2008（2）：4-7.

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[5]趙鵬，沈庭芝，單寶堂.基于CMOS圖像傳感器的微型無人機遙感系統(tǒng)設(shè)計[J].光子學(xué)報，2008，37（8）：1657-1661.

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[9]邵永社，張紹明，張雷雨，等.高分辨率遙感影像土地利用動態(tài)監(jiān)測技術(shù)研究[J].計算機工程與應(yīng)用，2009（9）：162-165.

[10]周啟鳴.多時相遙感影像變化檢測綜述[J].地理信息世界，2011（2）：27-30.endprint

3 遙感影像土地資源變化監(jiān)測

對生成的正射影像進行變化土地資源變化監(jiān)測，快速獲取監(jiān)測區(qū)域土地資源變化信息，并且進行演化分析和信息可視化處理，制作和完成各類土地資源變化監(jiān)測相關(guān)成果，為土地資源執(zhí)法檢查提供依據(jù)。

3.1 變化監(jiān)測算法

無人機航攝搭載的航攝相機為普通三波段單反相機，沒有近紅外波段，因此綜合運算效率、運算效果等選用圖像比值法進行土地資源變化監(jiān)測。圖像比值法是一個可以快速運算并得到土地資源變化區(qū)域的遙感影像監(jiān)測算法。此方法被認為是辨識變化區(qū)域相對較快的手段[9]。

圖像比值法是將兩個時期（，）獲取的遙感圖像按波段（k）進行逐像元的相除[7]（公式1）。如果兩個時期的土地利用情況沒有發(fā)生變化，那么遙感圖像像元比值接近與1，=1。如果兩個時期的土地利用情況發(fā)了變化，比如建筑物侵占了耕地，那么遙感圖像像元比值將明顯高于1或明顯低于1[10]。在實際應(yīng)用中，根據(jù)監(jiān)測對象的不同可以將這個比值變化范圍設(shè)定為閾值，通過設(shè)置合適閾值來確定土地變化監(jiān)測的靈敏度，得到正確的土地利用變化監(jiān)測結(jié)果。

（公式1）

，為時相；k為波段；i，j為像元坐標；為像元值。

3.2 土地資源變化監(jiān)測

壽光市土地資源變化監(jiān)測，利用圖像比值算法對兩個時期無人機獲取的遙感影像進行變化監(jiān)測，域值（圖像比值變化范圍）設(shè)置為0.1，即圖像比值為0.9到1.1之間時，判定土地利用沒有變化，圖像比值小于0.9或者圖像比值大于1.1時，判定土地利用類別發(fā)生變化。對于判定土地利用情況發(fā)生了變化的區(qū)域，要進行跟蹤判別，判定其土地利用變化范圍、變化類型等，最后制作土地資源變化示意圖（圖3-1）。

4 土地資源保護執(zhí)法

壽光市土地資源保護執(zhí)法以土地資源變化示意圖為工作地圖，在此基礎(chǔ)上疊加鄉(xiāng)鎮(zhèn)與村民委員會界線、地名注記作為常態(tài)數(shù)據(jù)，并制作變化圖斑分布位置圖和變化圖斑信息統(tǒng)計表，形成土地資源監(jiān)測報告國土執(zhí)法部門作為執(zhí)法檢查的科學(xué)依據(jù)。

截至到2013年底，共發(fā)現(xiàn)721處新增圖斑，面積約54.2萬平方米。經(jīng)調(diào)查核實后，對其中584宗違法用地進行了查處，及時有效地制止了壽光市違法用地行為。

5 結(jié)語

壽光市土地資源保護以無人機航空遙感系統(tǒng)為數(shù)據(jù)獲取手段，進行快速數(shù)據(jù)獲取，利用遙感變化監(jiān)測算法進行土地資源變化監(jiān)測。實現(xiàn)了對壽光市中南部地區(qū)基本農(nóng)田、耕地和建設(shè)用地動態(tài)變化情況的實時監(jiān)測和對違法違規(guī)用地行為的執(zhí)法查處，切實保護了壽光市土地資源。

參考文獻：

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[10]周啟鳴.多時相遙感影像變化檢測綜述[J].地理信息世界，2011（2）：27-30.endprint

3 遙感影像土地資源變化監(jiān)測

對生成的正射影像進行變化土地資源變化監(jiān)測，快速獲取監(jiān)測區(qū)域土地資源變化信息，并且進行演化分析和信息可視化處理，制作和完成各類土地資源變化監(jiān)測相關(guān)成果，為土地資源執(zhí)法檢查提供依據(jù)。

3.1 變化監(jiān)測算法

無人機航攝搭載的航攝相機為普通三波段單反相機，沒有近紅外波段，因此綜合運算效率、運算效果等選用圖像比值法進行土地資源變化監(jiān)測。圖像比值法是一個可以快速運算并得到土地資源變化區(qū)域的遙感影像監(jiān)測算法。此方法被認為是辨識變化區(qū)域相對較快的手段[9]。

圖像比值法是將兩個時期（，）獲取的遙感圖像按波段（k）進行逐像元的相除[7]（公式1）。如果兩個時期的土地利用情況沒有發(fā)生變化，那么遙感圖像像元比值接近與1，=1。如果兩個時期的土地利用情況發(fā)了變化，比如建筑物侵占了耕地，那么遙感圖像像元比值將明顯高于1或明顯低于1[10]。在實際應(yīng)用中，根據(jù)監(jiān)測對象的不同可以將這個比值變化范圍設(shè)定為閾值，通過設(shè)置合適閾值來確定土地變化監(jiān)測的靈敏度，得到正確的土地利用變化監(jiān)測結(jié)果。

（公式1）

，為時相；k為波段；i，j為像元坐標；為像元值。

3.2 土地資源變化監(jiān)測

壽光市土地資源變化監(jiān)測，利用圖像比值算法對兩個時期無人機獲取的遙感影像進行變化監(jiān)測，域值（圖像比值變化范圍）設(shè)置為0.1，即圖像比值為0.9到1.1之間時，判定土地利用沒有變化，圖像比值小于0.9或者圖像比值大于1.1時，判定土地利用類別發(fā)生變化。對于判定土地利用情況發(fā)生了變化的區(qū)域，要進行跟蹤判別，判定其土地利用變化范圍、變化類型等，最后制作土地資源變化示意圖（圖3-1）。

4 土地資源保護執(zhí)法

壽光市土地資源保護執(zhí)法以土地資源變化示意圖為工作地圖，在此基礎(chǔ)上疊加鄉(xiāng)鎮(zhèn)與村民委員會界線、地名注記作為常態(tài)數(shù)據(jù)，并制作變化圖斑分布位置圖和變化圖斑信息統(tǒng)計表，形成土地資源監(jiān)測報告國土執(zhí)法部門作為執(zhí)法檢查的科學(xué)依據(jù)。

截至到2013年底，共發(fā)現(xiàn)721處新增圖斑，面積約54.2萬平方米。經(jīng)調(diào)查核實后，對其中584宗違法用地進行了查處，及時有效地制止了壽光市違法用地行為。

5 結(jié)語

壽光市土地資源保護以無人機航空遙感系統(tǒng)為數(shù)據(jù)獲取手段，進行快速數(shù)據(jù)獲取，利用遙感變化監(jiān)測算法進行土地資源變化監(jiān)測。實現(xiàn)了對壽光市中南部地區(qū)基本農(nóng)田、耕地和建設(shè)用地動態(tài)變化情況的實時監(jiān)測和對違法違規(guī)用地行為的執(zhí)法查處，切實保護了壽光市土地資源。

參考文獻：

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[10]周啟鳴.多時相遙感影像變化檢測綜述[J].地理信息世界，2011（2）：27-30.endprint