无人机测绘技术在城市绿地调查中的应用

曹君

摘 要：针对传统全野外人工绿地调查法费时、费力且成本高的问题，本研究提出了一种基于无人机测绘技术的城市绿地调查法。梳理总结了利用无人机测绘技术进行数据获取、预处理和信息提取的关键流程，并以笔者所在的学校为试验区，开展了试验研究。最后，从作业效率和成果精度方面，将无人机测绘技术与传统全野外测量法进行对比，结果表明：采用无人机测绘技术可在保证绿地提取精度的前提下，大幅节省人力物力、提高作业效率。

关键词：无人机;测绘;绿地调查

中图分类号：P231     文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2022）5-0006-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.05.001

Application of UAV Surveying and Mapping Technology in Urban Green Space Investigation

CAO Jun

（Wuhan City Vocational College，Wuhan 430064，China）

Abstract： In order to avoid the time-consuming， laborious and costly problem of the traditional full-field manual survey method of urban green space， this paper proposed an urban green space investigation method based on UAV surveying and mapping technology. It summarized the key processes of data acquisition， preprocessing and information extraction using UAV surveying and mapping technology， and carried out experimental research with the author's school as the experimental area. Finally， in terms of operational efficiency and accuracy of results， the UAV mapping Technology is compared with the traditional full-field survey method. The results show that the use of UAV surveying and mapping method can greatly save labor and material costs，improve operational efficiency while ensuring the accuracy of green space extraction.

Keywords： UAV; surveying and mapping; green space investigation

0 引言

隨着全球经济和科学技术的快速发展，全球气候变化、臭氧层破坏和损耗、生物多样性减少等一系列环境问题也越来越显现。城市绿地规划与布局的合理与否，将直接关系到城市环境质量和居民生活质量改善的成败，关系到生态宜居、可持续城市建设的成败。随着人们对自身居住环境质量的关注度越来越高，城市绿地系统状况已成为衡量城市文明和城市现代化的重要标志[1]，越来越多的城市建设目标也开始向追求高质量生态环境转变，积极进行绿地生态建设、扩大绿地面积、提高绿地覆盖率、优化绿化结构，同时也越来越注重植被的科学建管[1]。

高效快速、精细准确的调查方法是进行城市绿地科学建管的基础。目前，城市绿地调查的方法主要有传统全野外测量法、卫星遥感测绘法等。其中，全野外测量法需要投入大量的人力、物力，存在作业周期长、成本高等缺点;卫星遥感测绘法则能够有效地减少野外作业的工作量，从而提高作业效率，但受卫星高度、天气条件等因素的影响，所获取的卫星影像往往存在分辨率不足、云层遮挡等问题[2]，直接导致在绿地调查过程中植被识别困难、统计精度有限。

无人机测绘技术作为传统航空摄影测量手段的有力补充，能够有效弥补全野外测量法和卫星遥感测绘法的不足，具有机动灵活、高效快速、精细准确、作业成本低、适用范围广、生产周期短等特点，在小区域和飞行困难地区能够快速获取高分辨率影像[3-4]，被广泛应用于国家重大工程建设、灾害应急与处理、国土监察、新农村和小城镇建设等方面，尤其是在基础测绘、土地资源调查监测、土地利用动态监测、数字城市建设和应急救灾测绘数据获取等方面具有广阔的应用前景[5-6]。

基于上述前提，笔者以武汉城市职业学院校园为试验区，利用无人机测绘技术开展绿地调查，对城市绿地调查中的数据采集、处理和分析中的关键技术进行研究，对基于无人机测绘进行城市绿地调查的技术路线进行探索，从而为绿化用地的科学建管提供技术支持，为建设生态型城市建设奠定基础。

1 试验区情况

为了便于开展无人机测绘技术研究，选取武汉城市职业学院为试验区。试验区位于武汉市洪山区南部，地处洪山区与江夏区交界处，总面积约为0.57 km2，整体呈狭长形分布，地势平坦，位于亚热带季风湿润区，光照充足，雨量充沛，植被覆盖率较高，适宜开展基于无人机测绘技术在绿地提取中的应用研究。

2 数据获取与处理

2.1 无人机数据获取

2.1.1 无人机平台。本研究以大疆生产的四旋翼航测无人机精灵 Phantom 4 RTK作为数据采集设备，获取试验区航空影像与定位定姿系统（Position and Orientation System，POS）数据。该设备总重为1 391 g，搭载障碍物感知系统和2 000 万像素的CMOS影像传感器，定位精度±0.1 m（启用实时动态载波相位差分技术，即RTK，且RTK正常工作时），具有定位精度高、成像性能佳、便携易用的特点。

2.1.2 飞行任务设计。采用大疆公司专为自主航线规划、飞行航拍、二维正射影像与三维模型重建而开发的大疆智图软件对作业区域及航线进行规划，设置飞行参数，并自动生成试验区航线。各参数设计如表1所示。

2.1.3 执行飞行任务。在无人机飞行前，检查飞行环境和设备状态，包括天气情况、风力大小、磁场干扰、无人机螺旋桨是否安装正确等，确认无问题后，开始执行飞行任务。最终获取试验区带有POS信息的真彩色影像1 052张，覆盖范围为0.65 km2，影像拍摄时间为2021年3月3日13：00—14：00，天气状况为阴、微风，能见度较高。

2.2 数据预处理

为了获取试验区内的绿地位置分布、尺寸、面积等信息，首先以Pix4dmapper为数据处理平台，对试验区的数据进行预处理，生成试验区数字正射影像图（简称为DOM）。Pix4dmapper作为一款基于无人机影像数据处理的专业软件，可以完全自动化处理数据，生成数字正射影像、数字地表模型、DTM及三维点云数据等成果，得到高精度的结果。同时它还有自动空三、计算原始影像外方位元素及自动校准影像等功能。使用Pix4dmapper处理无人机影像数据的主要流程如图1所示。

①新建项目：导入试验区影像及其POS数据。

②参数设置：设置输入输出坐标系、相机参数。

③添加控制点：导入野外实测控制点坐标数据，并在已导入的影像上标记各控制点点位，以保证成图精度。

④初步处理：进行影像自动匹配和空中三角测量。

⑤质量检查：依据初步处理过程中生成的质量报告，对区域网空三误差、自检校相机误差、控制点误差进行检查;若质量不合格，则重复步骤②至⑤;若质量合格，则生成数字表面模型（DSM）和正射影像图（DOM）。

⑥成果输出：通过“调整拼接线”—“投影切换”—“影像混合”等过程完成正射影像成果的编辑与输出。

2.3 绿地信息提取

无人机影像数据记录了地表各种地物的电磁波信息，不同类型的地物之间往往有一定的电磁波差异，因此表现出不同的颜色差异[7-8]。这些差异为基于影像的绿地信息提取提供了可能。由于试验区范围较小，为了提高绿地信息提取精度，本研究基于ArcMap平台，采用目视解译的方法对试验区绿地信息进行提取，其基本流程如图2所示。

按图2流程，获取试验区绿地分布情况，如图3所示。

对图3中各地块面积进行统计，获得试验区内各绿地的面积信息。

3 對比分析

为客观评估无人机测绘技术在绿地调查中的应用效果，首先从作业效率方面，将上述结果与基于GPS-RTK技术的全野外测量+CASS成图的方法进行对比，结果如表2所示。

此外，为了更客观全面地评价无人机测绘技术在绿地调查方面的精度，对试验区内的主要绿地（面积大于500 m2）分别采用无人机测绘法与全野外测量法获得各地块面积，并进行详细对比，结果如表3所示。

从表3结果来看，就单个地块而言，无人机测绘法和全野外测量法所得绿地面积差值比均在±1%之间。就主要地块的总面积而言，两种方法获得的试验区主要绿地总面积分别为170 818.75 m2和170 538.4 m2，两者相差280.35 m2，总差值比仅为0.16%。而从作业时长来看，无人机测绘法与全野外测量法所需作业工时分别为10人工时和54人工时，即与全野外测量法相比，采用无人机测绘法可缩短81.5%的作业时长。通过上述试验说明：与传统全野外测量法相比，采用无人机测绘法可在保证绿地面积统计精度的前提下，大幅节省人力物力、提高作业效率。

4 结语

高效快速、精细准确的调查方法是进行城市绿地科学建管的基础[9-10]。针对传统全野外人工绿地调查法存在的难度大、周期长、成本高等问题，本研究开展了基于无人机测绘技术的城市绿地调查应用研究，阐述了利用无人机测绘技术进行数据采集、预处理和信息提取的主要流程，并以试验区为例，进行了实证研究。结果表明，与传统全野外测量法相比，无人机测绘技术在城市绿地调查方面精度可靠，可大幅节省人力成本，提高作业效率，具有较强的优越性。

参考文献：

[1] 孙雅荣.城市绿地信息提取及空间数据质量评价分析[D].上海：上海师范大学，2007.

[2] 饶君，李云鹏，陈立涛.浅谈无人机低空摄影技术在城市绿化遥感测定中的应用[J].江西测绘，2012（2）：16-17，23.

[3] 周宏，闫志学.OneButton软件在无人机遥感影像处理中的应用[J].测绘通报，2017（S1）：59-61，78.

[4] LIANG H L， LI W Z，ZHANG Q P，et al. Using unmanned aerial vehicle data to assess the three-dimension green quantity of urban green space： A case study in Shanghai， China[J]. Landscape and Urban Planning，2017（164）：81-90.

[5] 杨柳，陈延辉，岳德鹏，等.无人机遥感影像的城市绿地信息提取[J].测绘科学，2017（2）：59-64.

[6] 吴卓恒，徐霞，陶帅.基于无人机影像的城市绿地提取分析[J].四川林业科技，2019（6）：65-70.

[7] 王柯，付怡然，彭向阳，等.无人机低空遥感技术进展及典型行业应用综述[J].测绘通报，2017（S1）：79-83.

[8] 张敏霞，梅丹英，高伟俊，等.无人机遥感技术在城市绿地监测中的应用进展[J].中国城市林业，2019（5）：5-11.

[9] 周雯慧.基于无人机遥感技术的沈阳某高校三维绿量定量化研究[D].沈阳：沈阳航空航天大学，2018.

[10] 梁一，郑渊茂，朱健.基于低空航拍的鼓浪屿绿地调查统计与分析[J].地理空间信息，2018（2）：101-104，12.