高原山区国土调查无人机举证技术的研究*

朱浩东，陈冲林，罗建洪，曹绍武，代龙昌

(1.永善金沙矿业有限责任公司，云南 昭通 657309；2.云南省地矿测绘院有限公司，云南 昆明 650218；3.云南省测绘地理信息科技发展有限公司，云南 昆明 650106)

0 引言

云南属于典型的山地高原地形，山地、高山地所占比例较大，相对平缓的山区只占总面积约10%，大面积土地高低参差、纵横起伏、水系复杂、山路险峻、植被类型丰富、植被交错复杂、形状零碎不规则，自然环境因素无形中增加了自然监测外业工作的难度。同时，自然监测的图斑还具有范围广、面积小的特点，采用人工举证方式需要调查人员逐图斑进行实地拍照，但由于山区交通不便利，有的区域调查人员难以到达；在抵达现场后，可能遇到疫情封锁、养殖场禁入、围墙阻挡、人为遮挡等困难，涉及到违法搭建大棚、私建农家乐等违法行为，甚至还存在人身安全威胁。

基于上述分析，本文结合现有技术规范要求，引入无人机技术，设计了一套符合成果要求的无人机举证软件，利用该软件可先在平板中导入图斑、规划航线、一键飞行，即可完成举证拍摄工作，经后期内业处理，生成满足规范要求的举证包成果。此方法可以有效提高外业工作效率、创新工作方式、确保成果工期和质量。

1 举证软件总体设计

分析研究国家与地方相关技术标准要求[1-2]，总结可自动化的作业流程，设计了外业航飞和内业处理两个模块：

1)外业航飞模块基于DJI Android Mobile SDK和Mapbox Maps SDK for Android开发接口，设计并实现了智能飞行的功能模块，如航线新建、航线保存、航线删除、航线反向、连接无人机、一键飞行、实时图传、生成检验码等功能。

2)内业处理模块基于ArcGIS桌面平台GIS功能及开发接口，设计并实现了数据处理的功能模块，如制作底图数据、生成坐标信息文件、校正无人机照片、利用照片标注图斑边界、生成DB文件等功能。

1.1 作业流程设计

设计外业航飞在Android平板上进行操作，而内业处理在ArcGIS桌面平台，实现内外业的无缝结合。作业流程如图1所示。

图1 举证软件的作业流程

将数字正射影像、举证图斑矢量及反映地表高低起伏的等高线数据，加载至ArcGIS桌面平台，制作切片底图。其中，图斑可按地类编码分类设置显示颜色，并标注编码和图斑预编号；等高线可指引航飞时的飞行高度，其等高距为20 m，可按标示高程进行渲染，并每隔5条等高线进行加粗处理，以方便外业平板上使用。

在外业航飞时，通过工程管理的方式加载底图数据，连接无人机后，选择合适的起飞点，综合分析电池电量、举证图斑分布及等高线数据，在合理设计出航飞路线和飞行高度后，利用一键起飞功能即可进行全自动化作业，并可实时查看无人机的飞行状态和实时回传数据。

在内业处理时，先初始自动生成坐标信息文件，便可与正射影像、矢量数据进行叠加，对叠加效果不理想的图片，再通过人工交互式进行少量干预。完成校正之后，可用矢量图斑边界标注至航飞照片上，再生成照片检验码，最后打包生成举证图斑数据库成果。

1.2 外业航飞功能设计

根据国土调查中外业举证的相应规范[3-4]，外业举证时，为实现对举证图斑的一键起飞、降落、返航及自动航线，主要设计了以下功能：

1)工程管理：包括新建工程和打开工程，以工程的方式管理底图数据、航线航点数据、飞行姿态数据等。

2)航线管理：包括航线交互式新建、保存、删除、反向等操作，显示航线长度、飞行所需时间等信息，以友好、简洁的界面设计，实现复杂条件下的航线设计工作。

3)连接无人机：通过遥控器和USB连接线，与无人机建立通信连接，实时显示电池电量、航飞高度、飞行速度、距起飞点距离、存储卡容量。

4)一键起飞：选择规划好的航线，在连接无人机之后，点击开始飞行。自动到每一个航线点进行拍摄，并记录飞行姿态、拍摄时间等信息。

5)即时图传：在航飞过程中，通过高清摄像头进行航拍，并及时传回，以便进行观察和决定飞行计划。

6)生成检验码：根据规范要求，需向相关主管部门申请无人机举证SDK，对包含7要素(人员、时间、地点、方向、高度、俯仰角、设备)的照片生成检验码信息。

1.3 内业处理功能设计

为高效地生成举证包成果，软件中还开发了如下内业处理的功能模块：

1)底图数据制作：将已有基础数据，经过预处理，转换成紧凑型存储切片格式，它具有渲染速度快、调用效率高的特点，支持任意大数据量加载和显示，是移动端较为理想的数据格式。

2)生成坐标信息文件：由航点航线中的外方位元素，通过计算像素和地理坐标之间的仿射变换关系，生成坐标信息文件，照片便具有了地理坐标信息，可与正射影像和矢量图斑叠加显示。

3)校正无人机照片：对初始校正的照片与基础数据叠加显示时，若存在偏移或旋转得不理想的情况，可交互式调整照片位置和旋转角度，使得叠加效果一致，确定更加精确的仿射变换参数。

4)照片标注图斑边界：由已确定的仿射变换关系，将举证图斑的矢量地理坐标，反算至像素坐标，并用红色边线在照片中刻画出来，使得举证目标主体更加明确。

5)生成DB文件：将照片文件和航点航线信息，在平板端生成包含7要素的加密检验码信息后，再由照片信息和举证图斑信息，打包生成SQLite格式的DB举证包成果。

2 举证软件实现及应用

2.1 外业航飞功能实现

由前面设计的功能需求项，在平板端采用Java编程语言，基于无人机和地图开发库，开发完成外业航飞功能模块。软件运行界面如图2所示。

图2 航飞软件主界面

该软件将无人机飞行控制技术和国土调查举证工作相结合，轻松导入地理信息数据，快捷地进行航线规划，并具有一键起飞、GPS位置显示、飞行轨迹跟踪、飞行状态监控、飞行数据记录、即时图传、一键返航等功能，满足外业工作需求。

2.2 内业处理功能实现

为更方便地处理数据，本文采用C#开发语言，结合Add-in开发技术，对ArcGIS桌面系统进行定制与扩展，研发了内业处理模块。运行界面如图3所示。

图3 数据处理主界面

首先通过自动和交互式校正图片的功能，实现航飞照片和正射影像、举证图斑的叠加显示，便于内业参照拍摄信息对图斑进行编辑、检查、核查等处理，并将修改后的举证图斑边界，标注至航飞照片上。然后将带有标注的航飞照片、地类图斑信息，如起飞点经纬度、航飞高度、拍摄点坐标、方位角及俯仰角、地类编码、权属及座落、举证说明等，打包生成至举证成果包中。

2.3 举证软件的应用情况

在第三次国土调查及统一时点变更中，该举证软件已在昭通市、曲靖市、红河州等多个县中进行了实际应用，成果数据在省级和国家级核查中均是一次性通过，说明该软件对成果工期和质量控制起到了重要的作用。

此外，该软件还被应用在其他调查与监测、国土督察执法工作中，如在大棚房及违建别墅清查整治等督促执法工作、基本农田保护及监管、增减挂钩和建设用地批后兼管等方面。

3 结束语

无人机调查举证一体化解决方案，是应用测绘新技术新方法为政府部门提供地理信息服务的新模式，它改变了传统方法低效、繁重的外业工作，节省了劳动成本，提高了工作效率，有效保障图斑举证的真实性与可靠性，能为国土调查任务保驾护航。