無人機(jī)航拍測(cè)繪技術(shù)在農(nóng)村土地利用規(guī)劃中的應(yīng)用研究

張勇超

摘要：闡述了低空航測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和系統(tǒng)組成，探討利用該系統(tǒng)進(jìn)行航測(cè)作業(yè)的技術(shù)流程，最后分析利用無人機(jī)航攝系統(tǒng)測(cè)制1 ∶1 000大比例尺地形圖對(duì)農(nóng)村土地利用規(guī)劃的成圖精度、質(zhì)量及相關(guān)注意事項(xiàng)的要求。綜合運(yùn)用實(shí)地調(diào)查、GIS軟件綜合成圖法和SWOT分析法，基于無人機(jī)的1 ∶1 000航測(cè)成圖可以達(dá)到相關(guān)成圖規(guī)范要求，但需依賴大量的外業(yè)修補(bǔ)與改正工作。對(duì)成果進(jìn)行精度評(píng)定和可行性分析，結(jié)果表明，低空影像可用于小區(qū)域的大比例尺快速地形測(cè)繪。通過無人機(jī)航攝在農(nóng)村土地利用規(guī)劃中的應(yīng)用案例，展現(xiàn)了無人機(jī)航攝在小面積、低空、特殊地形的地圖測(cè)量和修測(cè)上的優(yōu)勢(shì)，并具有高時(shí)效性、高精度、高機(jī)動(dòng)性的特點(diǎn)。隨著城市化的不斷建設(shè)，無人機(jī)航拍測(cè)繪技術(shù)一定會(huì)得到廣泛的應(yīng)用，但還有很多方面需要完善，無人機(jī)航測(cè)服務(wù)于農(nóng)村規(guī)劃任重而道遠(yuǎn)。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)航拍；測(cè)繪；農(nóng)村土地規(guī)劃；SWOT分析法；石城縣洋地村

中圖分類號(hào)： F301.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2016）09-0416-05

目前隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷加快，城市建設(shè)用地的紅線在步步逼近，城市建設(shè)用地?zé)o法滿足城市人口承載力的需求，農(nóng)村剩余勞動(dòng)力的轉(zhuǎn)移已經(jīng)形成了巨大的壓力，因此農(nóng)村土地的集約節(jié)約利用形成了一個(gè)新的緩解城市建設(shè)用地緊張的突破口，針對(duì)農(nóng)村開展的中心村和自然村的規(guī)劃在我國(guó)農(nóng)村大面積鋪開，而對(duì)農(nóng)村進(jìn)行規(guī)劃的前提就是要對(duì)農(nóng)村的地物現(xiàn)狀進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)繪，過往的全站儀、rtk等測(cè)量技術(shù)已經(jīng)無法滿足高效率的新農(nóng)村規(guī)劃對(duì)測(cè)繪任務(wù)的需求，而新的航拍測(cè)繪技術(shù)就被提上日程，無人機(jī)航拍測(cè)繪技術(shù)不僅能夠滿足對(duì)基礎(chǔ)地形測(cè)繪小范圍1 ∶1 000的比例尺精度的要求[1]，而且大大節(jié)省了測(cè)繪的效率。目前學(xué)者們關(guān)于無人機(jī)航拍測(cè)繪技術(shù)在農(nóng)村土地利用規(guī)劃中應(yīng)用的研究較少，本研究探討了該技術(shù)在農(nóng)村土地規(guī)劃中的應(yīng)用，對(duì)后續(xù)全國(guó)鋪開的新農(nóng)村規(guī)劃有一定的借鑒和參考價(jià)值。

1 研究區(qū)域和數(shù)據(jù)來源

本研究選取的新農(nóng)村規(guī)劃點(diǎn)是江西省贛州市石城縣洋地村，洋地村位于江西省贛州市石城縣東南部，橫江鎮(zhèn)西部，距石城縣城24 km，東鄰福建寧化，東南抵福建長(zhǎng)汀，西南與江西省瑞金接壤，西毗石城縣龍崗，西北與石城縣屏山交界，北靠石城縣珠坑。坐落于閩贛交界之武夷山西麓，地勢(shì)東高西低，東部武夷山脈，山勢(shì)逶迤，群巒疊嶂，自然資源豐富，交通發(fā)達(dá)，贛江源頭，林竹并茂，文壇玉紙，久譽(yù)聞名，遠(yuǎn)銷中外，是贛江源頭第一鄉(xiāng)村。村東面小山連綿，村西面丘陵起伏，秋溪河由南向北從中貫穿，將整個(gè)村子分為東西兩邊。全村轄11個(gè)村民小組，總戶數(shù)為368戶，總?cè)丝? 350人，耕地面積77.87 hm2。解放初期為橫江區(qū)洋和鄉(xiāng)。主要手工業(yè)產(chǎn)品有南金紙，農(nóng)業(yè)以煙蓮種植為支柱產(chǎn)業(yè)，是江西省百強(qiáng)鄉(xiāng)村之一。

2 航拍測(cè)繪的技術(shù)、方法過程及數(shù)據(jù)處理

2.1 航拍圖片的拼接及特征地物采集

無人機(jī)航拍的分辨率是2 600萬像素，洋地村的整個(gè)地域范圍的形狀類似一個(gè)勺子，整個(gè)洋地村無人機(jī)航拍的圖片一共約1 300張，重復(fù)率高達(dá)80%，按照洋地村的實(shí)際地形，采取條帶狀碾壓的飛行方式，保證垂直正射的飛行要求，微單保持1 s拍攝1次，使范圍覆蓋非常齊全，沒有空缺和遺漏的地方，而且注意了拐角處的銜接，一個(gè)條帶碾壓過去之后，和另一個(gè)平行的條帶之間的重疊度超過80%，這對(duì)飛機(jī)的性能、航飛手的飛行技術(shù)有一定的要求。圖1是洋地村無人機(jī)拍攝的影像圖。

將無人機(jī)航拍采集的多張圖片進(jìn)行影像的拼接，采用PS 5.0 專業(yè)拼接軟件[2]，PS 5.0軟件的優(yōu)點(diǎn)是有自動(dòng)識(shí)別功能，會(huì)根據(jù)像素的特征，把特征要素較多的圖片拼接在一起，這就解釋了航飛時(shí)為什么要保證一定的飛行重疊度，但是自動(dòng)拼接只能是完成那些在像素特征上極其相近的圖片，更多的工作還需要人工拼接來完成，對(duì)于影像上信息特征較弱的圖片，需要專業(yè)的拼接技術(shù)人員去肉眼識(shí)別圖片之間的重復(fù)地物，并使用自動(dòng)扭曲和調(diào)整功能將圖片融合在一起，在融合之后需要使用自動(dòng)抹除功能將拼接條痕抹除掉，并保證色調(diào)和主體圖像保持一致。PS 5.0還增加了許多圖片增強(qiáng)和弱化的功能，根據(jù)具體的圖片信息適當(dāng)做一些完善和處理才更有利于后期影像的矢量化。圖2是對(duì)洋地村1 300多張圖片進(jìn)行拼接和適當(dāng)處理得到的1張完整的洋地村地物圖。

在完成影像拼接之后，進(jìn)一步對(duì)影像進(jìn)行校正和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換[3]，把WGS84坐標(biāo)體系下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成目標(biāo)要求的北京54坐標(biāo)系。在測(cè)繪時(shí)采用的是中海達(dá)S760手持GPS，這種GPS簡(jiǎn)易、方便、可以滿足野外采集坐標(biāo)數(shù)據(jù)的要求，S760只需要插1張內(nèi)置儲(chǔ)值卡，連接江西省贛州市石城縣CROSS站，就能準(zhǔn)確定位每個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的準(zhǔn)確坐標(biāo)和高程，誤差能保持在0.05 m范圍以內(nèi)。特征地物的選取也具有一定的規(guī)范和要求，方便后期在做影像校正和坐標(biāo)轉(zhuǎn)化時(shí)能夠確切地在圖上找到該地物點(diǎn)，尋找越準(zhǔn)確校正精度就越高，成圖就越能更準(zhǔn)確地納入全國(guó)統(tǒng)一的北京54坐標(biāo)系統(tǒng)。表1是在洋地村采集的特征地物各個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)。

2.2 影像校正與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

（1）用ArcGIS打開影像圖：點(diǎn)擊菜單欄中的“添加數(shù)據(jù)按鈕”，在彈出的對(duì)話框中點(diǎn)擊“連接文件夾”，選擇tiff所在文件夾，點(diǎn)擊“確定”，然后在“查找范圍”中選擇需要添加的tiff文件，點(diǎn)擊“添加”（圖3）。

（2）點(diǎn)擊“視圖”—“數(shù)據(jù)框?qū)傩浴薄凇俺Ｒ?guī)”下“顯示”中選擇為“度分秒”—“應(yīng)用”—“確定”。在影像上選擇特征點(diǎn)（特征點(diǎn)不少于4個(gè)），記錄下特征點(diǎn)的經(jīng)緯度。打開“HDS2003 數(shù)據(jù)處理軟件包”，選擇“工具”—“坐標(biāo)轉(zhuǎn)換”—“設(shè)置”—“地圖投影”—“中央子午線”輸入“117”，在右邊的“橢球”選擇“國(guó)家北京54”，輸入經(jīng)緯度，點(diǎn)擊“轉(zhuǎn)換坐標(biāo)”，記錄下該點(diǎn)坐標(biāo)，這樣把所有特征點(diǎn)都轉(zhuǎn)換并記錄好。

（3）在ArcGIS中打開“地理配準(zhǔn)”工具欄，點(diǎn)擊“添加控制點(diǎn)”[4]，在影像上剛剛選擇的特征點(diǎn)上單擊，然后右擊，選擇“輸入X、Y”，輸入相應(yīng)的X、Y坐標(biāo)。這樣把所有特征點(diǎn)的坐標(biāo)都輸入。坐標(biāo)輸入完成之后，在“地理配準(zhǔn)”下拉選項(xiàng)中，選擇“更新地理配準(zhǔn)”，完成坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

（4）轉(zhuǎn)換完成后，在左邊的“內(nèi)容列表”中右擊影像名，選擇“數(shù)據(jù)”—“導(dǎo)出數(shù)據(jù)”，在彈出的對(duì)話框中選擇導(dǎo)出的文件夾，并命名，格式選擇“TIFF”，點(diǎn)擊“保存”，之后會(huì)彈出2個(gè)對(duì)話框，都選擇“否”。這樣便會(huì)生成與影像相對(duì)應(yīng)的tfw（tiff的坐標(biāo)定位文件）文件[5]。注意tfw文件與tiff文件名稱要一致并放在同一個(gè)文件夾下。

2.3 矢量化圖高程融合

（1）打開谷歌地球，找到需要獲取高程信息的村莊，并添加地標(biāo)，在高程獲取軟件左側(cè)點(diǎn)擊刷新，此時(shí)會(huì)顯示“投影帶中央子午線”，江西為117°E（圖4），點(diǎn)擊“確定”。

（2）點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)采集”—“手工采集”，然后選擇1個(gè)特征點(diǎn)，點(diǎn)號(hào)為K1，要記住該點(diǎn)的位置，方便后續(xù)的校正（因?yàn)檠芯坎捎玫挠跋衽c谷歌地球的經(jīng)緯度有偏差，所以導(dǎo)出的高程點(diǎn)需要校正）。點(diǎn)擊“底圖窗取點(diǎn)”，然后在地圖上選取特征點(diǎn)，點(diǎn)擊之后，就會(huì)出現(xiàn)該點(diǎn)的坐標(biāo)與高程[6]，選擇“采用”，該點(diǎn)就提取完畢（圖5、圖6）。這樣在提取出足夠的點(diǎn)（提取時(shí)大部分的點(diǎn)沿著道路采集，在村莊周圍適當(dāng)采集一些點(diǎn)）。

（3）點(diǎn)采集完成之后，選擇“文件”—導(dǎo)出數(shù)據(jù)，彈出的對(duì)話框中，將“選擇框”中的“描述”去掉，然后點(diǎn)擊確定。選擇存儲(chǔ)位置，輸入文件名，數(shù)據(jù)導(dǎo)出就完成（圖7）。

（4）數(shù)據(jù)導(dǎo)出后，找到剛剛導(dǎo)出的數(shù)據(jù)，導(dǎo)出的數(shù)據(jù)是“dat”文件，但是格式有點(diǎn)不對(duì)，需要將文件后綴改為“csv”格式，用Excel打開文件，在第1列與第2列之間插入1列，并將坐標(biāo)的3列單元格格式設(shè)置為“數(shù)值”，小數(shù)位3位，保存好，再將文件名后綴改為“dat”。

（5）打開矢量化后的CASS圖，導(dǎo)入高程點(diǎn)，會(huì)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)入的點(diǎn)與圖有偏差，在CASS中右擊，選擇“快速選擇”，彈出的對(duì)話框按圖8設(shè)置： 此時(shí)高程點(diǎn)就全部選中了，然后用“m”命令進(jìn)行偏移，根據(jù)之前選擇的特征點(diǎn)，將高程點(diǎn)偏移到正確位置[7]（圖8），到此，高程完畢。整個(gè)CASS軟件成圖就全部完成套盒。

3 數(shù)據(jù)對(duì)于農(nóng)村土地利用規(guī)劃的要求分析與評(píng)價(jià)

農(nóng)村地區(qū)小范圍的規(guī)劃對(duì)現(xiàn)狀圖的要求及實(shí)際情況見表2。

圖9是基于南方CASS軟件環(huán)境下制作的贛州市石城縣洋地村的土地利用現(xiàn)狀圖。

4 無人機(jī)航拍測(cè)繪技術(shù)在土地規(guī)劃中的績(jī)效評(píng)價(jià)

4.1 因子對(duì)規(guī)劃要求的擬合度評(píng)價(jià)及分析

主要選取以下幾個(gè)因子：正射影像的分辨率、航拍圖片的重疊度[9]、地物影像判別的清晰度、影像比例尺的精度情況、對(duì)規(guī)劃圖中的特征地物和發(fā)展用地的指引作用進(jìn)行評(píng)價(jià)，而在評(píng)價(jià)因子的選擇上主要選取了權(quán)重、實(shí)際完成效果、客戶滿意度、無人機(jī)配置和工作要求等4個(gè)方面，具體的評(píng)價(jià)過程和結(jié)果見表3。

4.2 基于SWOT分析法的無人機(jī)航測(cè)在規(guī)劃中的識(shí)別和分析

根據(jù)研究過程的相關(guān)資料和數(shù)據(jù)， 對(duì)農(nóng)村土地利用規(guī)劃產(chǎn)生影響的因素包括無人機(jī)影像的分辨率、無人機(jī)影像的清晰度、比例尺精確度、精度、時(shí)效性、操作機(jī)動(dòng)性、工序繁瑣程度、天氣影響情況、環(huán)境適宜度、風(fēng)險(xiǎn)程度、成本狀況、耗費(fèi)狀況、新設(shè)備的和諧度、新技術(shù)的應(yīng)用潛力、業(yè)務(wù)量多少、安全事故和隱患、價(jià)格成本的可控性、國(guó)家法律法規(guī)的迎合度等[11]。因素全部羅列出來之后，通過專家判斷法，即個(gè)別、分散的征

求專家意見，將這些因素歸納成為影響無人機(jī)航拍測(cè)繪在農(nóng)村土地利用規(guī)劃中的外部因素與內(nèi)部因素2組；然后設(shè)計(jì)問卷，使用特爾菲法，請(qǐng)專家們對(duì)所羅列的影響因素的影響程度進(jìn)行打分，可采用的評(píng)分方式見表4，問卷中內(nèi)部因素中的正值可判斷為優(yōu)勢(shì)因素，負(fù)值為劣勢(shì)因素，外部因素中的正值為機(jī)遇因素，負(fù)值為威脅因素[12]。由此可識(shí)別土地利用規(guī)劃中的SWOT各個(gè)方面因素，即通過專家打分平均值的正負(fù)，來判斷所調(diào)查的各個(gè)因素是屬于優(yōu)勢(shì)、劣勢(shì)、機(jī)遇還是威脅。影響因素識(shí)別以后，根據(jù)所掌握的材料，對(duì)各個(gè)因素加以分析。

評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)：評(píng)分的取值（-a，a），a>0；分?jǐn)?shù)的絕對(duì)值代表該因素的影響程度；分?jǐn)?shù)的正負(fù)代表該因素為機(jī)遇或威脅[12]。由此可識(shí)別土地利用是積極影響還是不利影響。

選取和邀請(qǐng)測(cè)繪行業(yè)、土地規(guī)劃行業(yè)以及無人機(jī)專業(yè)的12位專家來參與對(duì)這些內(nèi)部因素和外部因素進(jìn)行打分分析，對(duì)各個(gè)因素分別進(jìn)行影響強(qiáng)度評(píng)分，強(qiáng)度評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)分表分別見表5和表6。

評(píng)分說明：強(qiáng)度代表該因素對(duì)農(nóng)村土地利用規(guī)劃的影響程度。（l）如果該因素是正面影響，根據(jù)強(qiáng)度打出相應(yīng)的正分，取值為（0，5][13]；（2）如果該因素是負(fù)面影響，根據(jù)強(qiáng)度打出相應(yīng)的負(fù)分，取值為[-5，0）；（3）可以出現(xiàn)小數(shù)點(diǎn)。

通過對(duì)評(píng)分表進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，根據(jù)獲得的定性和定量結(jié)果識(shí)別出S、W、O、T各要素，再對(duì)各個(gè)因素進(jìn)行編號(hào)（表7），以進(jìn)行相應(yīng)的評(píng)價(jià)和分析。

從表7可知，無人機(jī)航拍測(cè)繪影像可以廣泛應(yīng)用到農(nóng)村土地利用的規(guī)劃中，它以其高分辨率、高清晰度、高時(shí)效、高機(jī)動(dòng)性迎合了土地規(guī)劃這一業(yè)務(wù)的需要，隨著新技術(shù)和新設(shè)備的引進(jìn)，其工作效率和工作精度將大大提高，但受天氣和環(huán)境的影響也會(huì)存在局限性，操作過程中的風(fēng)險(xiǎn)威脅必須引起足夠的重視。

5 結(jié)論和建議

綜上所述，在當(dāng)前農(nóng)村基礎(chǔ)地形測(cè)繪和規(guī)劃實(shí)踐中，無人機(jī)航拍測(cè)繪技術(shù)在測(cè)繪效率、精準(zhǔn)度和圖片處理技術(shù)上有很多優(yōu)勢(shì)，但并不意味著這種方法是毫無瑕疵的，有很多需要學(xué)者們繼續(xù)努力和深入研究的方面，使這門技術(shù)更加完善和成熟，更加符合規(guī)劃技術(shù)要求?？傊?，無人機(jī)航拍測(cè)繪在農(nóng)村土地規(guī)劃中的前景非常可觀，但等待學(xué)者們繼續(xù)深入探討和需要解決的問題也會(huì)越來越多。在未來的幾十年里，應(yīng)完善無人機(jī)上GPS的高精度設(shè)備，以便于航飛的圖片可以直接自帶坐標(biāo)；同時(shí)加強(qiáng)相位點(diǎn)的布控，更加準(zhǔn)確地提高制圖的精度；針對(duì)目前混亂的無人機(jī)航測(cè)市場(chǎng)，有關(guān)部門必須加以管控和規(guī)范，避免因?yàn)闃I(yè)務(wù)造成不必要的傷殘和損失，期待這一技術(shù)在農(nóng)村土地利用規(guī)劃中能越來越成熟和完善。

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