基于无人机遥感监测的寿光市土地资源保护应用

李波+唐海

【摘 要】 对无人机遥感系统的组成，无人机遥感数据获取流程，遥感影像变化监测算法及监测过程等进行了研究。将无人机遥感技术和遥感影像变化监测技术应用于寿光市土地资源保护，为寿光市土地资源保护提出了一种新的技术方法。

【关键词】 无人机 变化监测 土地资源

1 引言

目前土地资源保护工作主要有两种技术手段。一是使用卫星和普通航空遥感影像进行数据获取，然后进行变化监测。但是卫星遥感数据获取周期较长、卫星分辨率较低。有人驾驶飞机普通航空遥感的方法虽然可获取较高分辨率的影像，但容易收到空域管制影响并且在重复监测中成本较高[1]。二是进行人工实地检查手段进行土地资源保护。这需要国土资源部门配备大量的人力物力与工作量相适应，由于人手短缺很多地方难以巡查到位，而且人员极其容易受到各种因素的干扰而影响保护效果。

山东省寿光市基于无人机遥感监测进行土地资源保护应用，以先进无人机遥感系统进行快速数据获取，配合土地资源变化监测技术进行土地资源执法，对寿光市中南部区域不同时期的土地资源数据进行处理和分析，获取监测区域土地覆盖的信息、现状信息和变化信息，快速对非农用地占用耕地的位置进行定位分析及时查处，为寿光市政府、国土部门提供系统、客观、权威的土地资源数据支持。

2 无人机遥感数据获取

无人机航空遥感系统具备高机动性、便捷性、成本低等特点，在土地利用、热点地区土地资源保护监察等领域拥有独特的优势[2]。无人机航空遥感系统是高分辨率及高精度遥感影像获取和处理的崭新技术，是航空航天等遥感技术的有力的补充[3]。经过研究调查、寿光市土地资源保护主要针对违法乱建等对优良耕地的侵占，利用无人机遥感监测，可以及时发现和依法查处被监测区域国土资源违法行为，有利于建立利用科技手段实行土地资源动态巡查监管。

2.1 无人机航空遥感系统组成

无人机遥感平台分为空中部分和地面部分。其中空中部分包括遥感传感器系统、空中自动控制系统、无人机平台[4]，主要负责按照规划航线和地面人员操作进行遥感数据获取。地面部分包括航线规划系统、地面控制系统以及数据接收系统，主要功能包括飞行前的航线规划设计，飞行中对无人机飞行状态进行控制和对获取的数据进行实时传输（图2-1）。

遥感传感器系统：由于无人机载荷限制，遥感传感器一般采用改装的单反相机，具体参数如下：分辨率大于2000万，快门速度大于1/5000秒，具有程序自动拍照/人工拍照工作模式控制，相机照片能够对飞机位置、姿态与时间信息进行加注，具备相机镜头专业检校能力[5]。

空中自动控制系统：根据规划航线实现对无人机的自动控制，具有导航解算、系统自检测功能。控制精度如下：姿态动态控制精度±2度，航高控制精度±5米、水平位置精度小于1米[6]。

无人机平台：无人机平台是整个系统的基础平台，根据实际的野外作业及应对极端环境的要求而设计和生产，具有展开时间短，操作简便，飞行可靠性高，实用性强等特点。无人机平台参数如下：载荷大于8千克，巡航速度在70-120千米每小时之间，正常作业高度海拔300-6000米之间，续航时间大于4小时，最大航程大于400km，正常起降风速大于6级[7]。

航线规划系统：进行任务规划与航迹控制。具体参数如下：可编程航程点大于256个，规划任务航迹数大于10条，可在飞行中修改任务或航程点。

地面控制系统：实现飞机飞行参数、地面站参数、实时航迹的显示控制；实时记录数据链全部数据和地面站相关信息。地面控制站为便携式设计，可单人携带。

数据接收系统：实现数据接收及数据通信。具体参数如下：通信电台频段400-900兆赫斯，电台功率不小于1瓦特，控制距离大于50千米。

2.2 无人机遥感数据获取

无人机遥感数据获取主要流程包括航摄设计、外业控制点测量、航空摄影测量、数据处理等步骤。

航摄设计：寿光市无人机遥感数据获取飞行频率为每30天获取一次影像。影像分辨率为0.1米，飞行航高500米，影像旁向重叠度大于30%，影像航向重叠度大于60%，并根据测区情况进行航线设计[8]。

外业控制点测量：为得到可靠的区域网平差精度，根据航线设计方案调整出较为合理的外业控制点选取和布点方案。此次方案航向隔3条基线布设一个平高控制点、旁向隔两条航带布设一个平高控制点。

航空摄影测量：摄影时天气情况要求良好，确保有足够的光照度，摄影时太阳高度角应大于45°，阴影不大于1倍。摄影时间要求为10-14时为最佳选择。降落后，对照片数据及飞机整体进行检查评估，结合贴线率和姿态角判断是否复飞。

2.3 无人机遥感数据处理

无人机遥感数据快速处理主要包括匀光、匀色，空中三角测量，生成正射影像与镶嵌，精度检查等步骤。最终成果正射影像应清晰，片与片之间影像尽量保持色调均匀，反差适中，影像接边重叠带不允许出现明显的模糊和重影，相邻数字正射影像严格接边。

匀光、匀色：无人机航空影像由于拍摄时太阳光照角度不同，往往存在颜色不一致、明暗差异大等方面的问题。对无人机原始影像进行匀光、匀色，可去处航片之间颜色和明暗差异，保证影像质量 。

空中三角测量：空中三角测量包括影像同名点自动匹配和区域网平差两部分。同名点自动匹配利用影像匹配算法自动提取同名点并匹配，然后将匹配的同名点、布设的地面控制点和检查点进行区域网平差。

生成正射影像与镶嵌进行完成空中三角测量以后，生成DOM，并进行镶嵌，在镶嵌的过程中可以进一步匀光、匀色，保证最后DOM的效果。

精度检查：量测检查点在正射影像的坐标并与检查点实际坐标进行对比，计算检查点的平面位置残差中误差在一定范围内，验证最终正射影像成果的精度，如果不满足精度要求，需要找出原因并重新进行空中三角测量。endprint

3 遥感影像土地资源变化监测

对生成的正射影像进行变化土地资源变化监测，快速获取监测区域土地资源变化信息，并且进行演化分析和信息可视化处理，制作和完成各类土地资源变化监测相关成果，为土地资源执法检查提供依据。

3.1 变化监测算法

无人机航摄搭载的航摄相机为普通三波段单反相机，没有近红外波段，因此综合运算效率、运算效果等选用图像比值法进行土地资源变化监测。图像比值法是一个可以快速运算并得到土地资源变化区域的遥感影像监测算法。此方法被认为是辨识变化区域相对较快的手段[9]。

图像比值法是将两个时期（，）获取的遥感图像按波段（k）进行逐像元的相除[7]（公式1）。如果两个时期的土地利用情况没有发生变化，那么遥感图像像元比值接近与1，=1。如果两个时期的土地利用情况发了变化，比如建筑物侵占了耕地，那么遥感图像像元比值将明显高于1或明显低于1[10]。在实际应用中，根据监测对象的不同可以将这个比值变化范围设定为阈值，通过设置合适阈值来确定土地变化监测的灵敏度，得到正确的土地利用变化监测结果。

（公式1）

，为时相；k为波段；i，j为像元坐标；为像元值。

3.2 土地资源变化监测

寿光市土地资源变化监测，利用图像比值算法对两个时期无人机获取的遥感影像进行变化监测，域值（图像比值变化范围）设置为0.1，即图像比值为0.9到1.1之间时，判定土地利用没有变化，图像比值小于0.9或者图像比值大于1.1时，判定土地利用类别发生变化。对于判定土地利用情况发生了变化的区域，要进行跟踪判别，判定其土地利用变化范围、变化类型等，最后制作土地资源变化示意图（图3-1）。

4 土地资源保护执法

寿光市土地资源保护执法以土地资源变化示意图为工作地图，在此基础上叠加乡镇与村民委员会界线、地名注记作为常态数据，并制作变化图斑分布位置图和变化图斑信息统计表，形成土地资源监测报告国土执法部门作为执法检查的科学依据。

截至到2013年底，共发现721处新增图斑，面积约54.2万平方米。经调查核实后，对其中584宗违法用地进行了查处，及时有效地制止了寿光市违法用地行为。

5 结语

寿光市土地资源保护以无人机航空遥感系统为数据获取手段，进行快速数据获取，利用遥感变化监测算法进行土地资源变化监测。实现了对寿光市中南部地区基本农田、耕地和建设用地动态变化情况的实时监测和对违法违规用地行为的执法查处，切实保护了寿光市土地资源。

参考文献：

[1]韩杰，王争.无人机遥感国土资源快速监察系统关键技术研究.测绘通报，2008（2）：4-7.

[2]金伟，葛宏立，杜华强，等.无人机遥感发展与应用概况.遥感信息，2009，1：88-91.

[3]晏磊，吕书强.无人机航空遥感系统关键技术研究.武汉大学学报，2004，37（6）：67-70.

[4]崔红霞，林宗坚，孙杰.无人机遥感监测系统研究[J].测绘通报，2005（5）：11-14.

[5]赵鹏，沈庭芝，单宝堂.基于CMOS图像传感器的微型无人机遥感系统设计[J].光子学报，2008，37（8）：1657-1661.

[6]崔红霞，孙杰，林宗坚.无人机遥感设备的自动化控制系统[J].测绘科学，2004，29（1）：45-47.

[7]王青山.简述无人机在遥感技术中的应用[J].测绘与空间地理信息，2010（3）：100-104.

[8]鲁恒，李永树，何敬，等.无人机低空遥感影像数据的获取与处理.测绘工程，2011，20：51-54.

[9]邵永社，张绍明，张雷雨，等.高分辨率遥感影像土地利用动态监测技术研究[J].计算机工程与应用，2009（9）：162-165.

[10]周启鸣.多时相遥感影像变化检测综述[J].地理信息世界，2011（2）：27-30.endprint

3 遥感影像土地资源变化监测

对生成的正射影像进行变化土地资源变化监测，快速获取监测区域土地资源变化信息，并且进行演化分析和信息可视化处理，制作和完成各类土地资源变化监测相关成果，为土地资源执法检查提供依据。

3.1 变化监测算法

无人机航摄搭载的航摄相机为普通三波段单反相机，没有近红外波段，因此综合运算效率、运算效果等选用图像比值法进行土地资源变化监测。图像比值法是一个可以快速运算并得到土地资源变化区域的遥感影像监测算法。此方法被认为是辨识变化区域相对较快的手段[9]。

图像比值法是将两个时期（，）获取的遥感图像按波段（k）进行逐像元的相除[7]（公式1）。如果两个时期的土地利用情况没有发生变化，那么遥感图像像元比值接近与1，=1。如果两个时期的土地利用情况发了变化，比如建筑物侵占了耕地，那么遥感图像像元比值将明显高于1或明显低于1[10]。在实际应用中，根据监测对象的不同可以将这个比值变化范围设定为阈值，通过设置合适阈值来确定土地变化监测的灵敏度，得到正确的土地利用变化监测结果。

（公式1）

，为时相；k为波段；i，j为像元坐标；为像元值。

3.2 土地资源变化监测

寿光市土地资源变化监测，利用图像比值算法对两个时期无人机获取的遥感影像进行变化监测，域值（图像比值变化范围）设置为0.1，即图像比值为0.9到1.1之间时，判定土地利用没有变化，图像比值小于0.9或者图像比值大于1.1时，判定土地利用类别发生变化。对于判定土地利用情况发生了变化的区域，要进行跟踪判别，判定其土地利用变化范围、变化类型等，最后制作土地资源变化示意图（图3-1）。

4 土地资源保护执法

寿光市土地资源保护执法以土地资源变化示意图为工作地图，在此基础上叠加乡镇与村民委员会界线、地名注记作为常态数据，并制作变化图斑分布位置图和变化图斑信息统计表，形成土地资源监测报告国土执法部门作为执法检查的科学依据。

截至到2013年底，共发现721处新增图斑，面积约54.2万平方米。经调查核实后，对其中584宗违法用地进行了查处，及时有效地制止了寿光市违法用地行为。

5 结语

寿光市土地资源保护以无人机航空遥感系统为数据获取手段，进行快速数据获取，利用遥感变化监测算法进行土地资源变化监测。实现了对寿光市中南部地区基本农田、耕地和建设用地动态变化情况的实时监测和对违法违规用地行为的执法查处，切实保护了寿光市土地资源。

参考文献：

[1]韩杰，王争.无人机遥感国土资源快速监察系统关键技术研究.测绘通报，2008（2）：4-7.

[2]金伟，葛宏立，杜华强，等.无人机遥感发展与应用概况.遥感信息，2009，1：88-91.

[3]晏磊，吕书强.无人机航空遥感系统关键技术研究.武汉大学学报，2004，37（6）：67-70.

[4]崔红霞，林宗坚，孙杰.无人机遥感监测系统研究[J].测绘通报，2005（5）：11-14.

[5]赵鹏，沈庭芝，单宝堂.基于CMOS图像传感器的微型无人机遥感系统设计[J].光子学报，2008，37（8）：1657-1661.

[6]崔红霞，孙杰，林宗坚.无人机遥感设备的自动化控制系统[J].测绘科学，2004，29（1）：45-47.

[7]王青山.简述无人机在遥感技术中的应用[J].测绘与空间地理信息，2010（3）：100-104.

[8]鲁恒，李永树，何敬，等.无人机低空遥感影像数据的获取与处理.测绘工程，2011，20：51-54.

[9]邵永社，张绍明，张雷雨，等.高分辨率遥感影像土地利用动态监测技术研究[J].计算机工程与应用，2009（9）：162-165.

[10]周启鸣.多时相遥感影像变化检测综述[J].地理信息世界，2011（2）：27-30.endprint

3 遥感影像土地资源变化监测

对生成的正射影像进行变化土地资源变化监测，快速获取监测区域土地资源变化信息，并且进行演化分析和信息可视化处理，制作和完成各类土地资源变化监测相关成果，为土地资源执法检查提供依据。

3.1 变化监测算法

无人机航摄搭载的航摄相机为普通三波段单反相机，没有近红外波段，因此综合运算效率、运算效果等选用图像比值法进行土地资源变化监测。图像比值法是一个可以快速运算并得到土地资源变化区域的遥感影像监测算法。此方法被认为是辨识变化区域相对较快的手段[9]。

图像比值法是将两个时期（，）获取的遥感图像按波段（k）进行逐像元的相除[7]（公式1）。如果两个时期的土地利用情况没有发生变化，那么遥感图像像元比值接近与1，=1。如果两个时期的土地利用情况发了变化，比如建筑物侵占了耕地，那么遥感图像像元比值将明显高于1或明显低于1[10]。在实际应用中，根据监测对象的不同可以将这个比值变化范围设定为阈值，通过设置合适阈值来确定土地变化监测的灵敏度，得到正确的土地利用变化监测结果。

（公式1）

，为时相；k为波段；i，j为像元坐标；为像元值。

3.2 土地资源变化监测

寿光市土地资源变化监测，利用图像比值算法对两个时期无人机获取的遥感影像进行变化监测，域值（图像比值变化范围）设置为0.1，即图像比值为0.9到1.1之间时，判定土地利用没有变化，图像比值小于0.9或者图像比值大于1.1时，判定土地利用类别发生变化。对于判定土地利用情况发生了变化的区域，要进行跟踪判别，判定其土地利用变化范围、变化类型等，最后制作土地资源变化示意图（图3-1）。

4 土地资源保护执法

寿光市土地资源保护执法以土地资源变化示意图为工作地图，在此基础上叠加乡镇与村民委员会界线、地名注记作为常态数据，并制作变化图斑分布位置图和变化图斑信息统计表，形成土地资源监测报告国土执法部门作为执法检查的科学依据。

截至到2013年底，共发现721处新增图斑，面积约54.2万平方米。经调查核实后，对其中584宗违法用地进行了查处，及时有效地制止了寿光市违法用地行为。

5 结语

寿光市土地资源保护以无人机航空遥感系统为数据获取手段，进行快速数据获取，利用遥感变化监测算法进行土地资源变化监测。实现了对寿光市中南部地区基本农田、耕地和建设用地动态变化情况的实时监测和对违法违规用地行为的执法查处，切实保护了寿光市土地资源。

参考文献：

[1]韩杰，王争.无人机遥感国土资源快速监察系统关键技术研究.测绘通报，2008（2）：4-7.

[2]金伟，葛宏立，杜华强，等.无人机遥感发展与应用概况.遥感信息，2009，1：88-91.

[3]晏磊，吕书强.无人机航空遥感系统关键技术研究.武汉大学学报，2004，37（6）：67-70.

[4]崔红霞，林宗坚，孙杰.无人机遥感监测系统研究[J].测绘通报，2005（5）：11-14.

[5]赵鹏，沈庭芝，单宝堂.基于CMOS图像传感器的微型无人机遥感系统设计[J].光子学报，2008，37（8）：1657-1661.

[6]崔红霞，孙杰，林宗坚.无人机遥感设备的自动化控制系统[J].测绘科学，2004，29（1）：45-47.

[7]王青山.简述无人机在遥感技术中的应用[J].测绘与空间地理信息，2010（3）：100-104.

[8]鲁恒，李永树，何敬，等.无人机低空遥感影像数据的获取与处理.测绘工程，2011，20：51-54.

[9]邵永社，张绍明，张雷雨，等.高分辨率遥感影像土地利用动态监测技术研究[J].计算机工程与应用，2009（9）：162-165.

[10]周启鸣.多时相遥感影像变化检测综述[J].地理信息世界，2011（2）：27-30.endprint