基于“5G+无人机”模式的自然资源监测 监管研究与实践——以重大建设项目会商为例

陈慧玲，余鑫洋，阮 婧，戚知晨

（1. 江苏省国土资源动态监测中心，南京 210017； 2. 自然资源部国土空间大数据工程技术创新中心江苏分中心，南京 210017； 3. 南京师范大学地理科学学院，南京 210023； 4. 南京国图信息产业有限公司，南京 210036）

0 引言

重大建设项目[1]是指按照有关规定由政府审批或核准，对经济社会发展、民生改善有直接、广泛和重要影响的固定资产投资项目。重大建设项目会商有利于详细了解项目进展情况，围绕项目推进过程中的问题进行分析研判，加大建设项目跟进与服务保障力度，节省时间，高效有序推进项目建设，确保建设工作顺利开展。当前，我国社会经济发展迈向新阶段，重大建设项目数量和规模持续增加，质量要求不断提高，为有序服务项目建设，多地建立重大建设项目会商机制。目前，重大建设项目会商常以听取汇报、询问交流、实地查看等形式开展，存在考察内容片面、直观性有限、效率不足等缺陷。

第五代移动通信技术（5G）作为目前通信产业的研发重点，得到了世界各国政府、企业、研究院所和高校的广泛关注、研究及应用，5G 在资源利用率、传输速率及频谱利用率等方面具有明显优势，极大优化了用户体验与传输时延[2-3]。通过微小型无人机遥感信息平台获取地面信息，具有运行成本低、灵活性高以及获取数据实时快速等特点，是目前地面信息快速获取的主要方法之一[4]。二者有机结合构建集“实时、动态、智能化、便捷化”为一体的“5G+无人机”监测模式，对于优化重大建设项目会商流程、推动建设进度、保障项目质量以及分析研判和辅助决策等具有重要意义。

在“5G+无人机”监测模式研究与应用中，郑杰等[5]利用5G 技术为无人机赋予实时超高清图传输能力，催生无人机超高清视频实时传输服务；钟剑峰等[6]提出了一种基于5G 和无人机智能组网的应急通信系统技术路线，为提升救援力量在受灾地域的应急通信保障能力提供重要支撑；袁雪琪等[7]提出了基于固定翼无人机的5G 应急通信覆盖解决方案，通过无人机机载5G 一体化基站，结合地面宏基站辅助实现组网；张少伟等[8]基于波束扫描和下行链路控制导频复用技术，提出了一种面向无人机异构网络架构下初始波束关联机制，通过仿真评估获得了更高波束成形增益对应的无人机部署优化参数。

1 “5G+无人机”自然资源监测研究

1.1 应用流程

自然资源部组建以来，一直将自然资源智能感知和监测作为自然资源管理工作的重要内容。2021 年4 月，自然资源部办公厅印发《关于完善早发现早制止严查处工作机制的意见》，指出要强化科技支撑，创新和完善监管方式，将5G、无人机、人工智能等新一代信息技术引入自然资源监测监管体系。

5G 是具有高速率、低时延和大连接特点的新一代宽带移动通信技术，是实现人机物互联的网络基础设施。无人机是一种由动力驱动、机上无人驾驶、依靠空气提供升力、可重复使用航空器的简称[9]。“5G+无人机”监测模式以无人机为数据采集手段，通过用户视角变换、航迹变换、焦距变换等多种方式，采集倾斜摄影、正射影像、视频等数据，并以5G 通信技术辅助实现人机交互及视频流数据实时传输，从而满足地表遥感监测的应用模式。“5G+无人机”监测模式在自然资源监测监管领域的应用，将有利于消除监管盲区、保障监管时效，实现自然资源监测监管“看得到、看得清、看得快”的目标，促进自然资源监测全要素化、精确化和实时化发展[10]。

“5G+无人机”监测模式在自然资源监测监管领域的应用流程主要从数据采集、数据传输、数据应用、数据分析四个方面开展设计，如图1所示。

（1）基于监测对象特征的数据采集。针对待监测的自然资源对象特征及分布范围，例如对零散分布、形态不一的土地整治图斑复垦监测，通过预设飞行起止点、飞行高度、飞行速度、飞行路径、禁飞区域、航向重叠度、旁向重叠度等参数，开展无人机飞行航线规划，设计最优飞行方案，报备飞行计划。

（2）基于多种网络条件的数据传输。根据无人机飞行范围内的多种网络环境，设置合理的数据采集传输方案。当无人机处于5G 信号范围内时，利用5G 实时将无人机采集的视频、图片、GPS、IMU 等数据通过5G 基站传输至无人机数据处理中心；当无人机处于5G 信号缺失范围内时，通过离线方式将数据带回数据中心。

（3）基于云原生GIS 的数据应用。将采集的数据接入应用服务器进行预处理，随后推送至AI 服务器（配置高性能GPU 显卡的服务器），利用云原生GIS 技术（面向云环境设计的GIS软件技术）开展数据分析任务自动化编排，保障数据分析系统高效、弹性、稳定运行，提升“5G+无人机”数据处理应用的稳定与可靠性。

（4）基于GeoAI 的数据分析。数据分析任务编排后调用GeoAI（地理空间人工智能）功能，对城镇开发边界、永久基本农田、生态保护红线、重大建设项目等自然资源重点监管范围开展疑似违法目标识别或地类变化检测，将识别的疑似违法或变化区域返回应用服务器。决策者根据GeoAI 分析结果发出细化观测重点区域指令，无人机准实时调整飞行路线。

图 1 “5G 无人机”自然资源监测应用流程

1.2 关键技术

1.2.1 基于改进遗传算法的无人机航迹规划算法

传统的航线规划包括明确航测范围、航向及旁向重叠度设置、航高及航线起止点确认、规划航线，其航线是环绕的“S”型，适用于航测范围需观测的情况。但当监测土地整治图斑等情况时，由于土地整治图斑分散广泛、形状不一的特殊性，传统的航线规划方法监测相对费时且获取的影像需占用较大的内存空间，拍摄的相片数量较多。针对传统无人机在自然资源监测图斑巡查过程中效率低、照片采集数量过多等问题，改进的遗传算法结合地理空间分析算法实现无人机平台获取目标区域实时动态的影像信息，设计出更快、更合理的航飞路径，有效减少影像数据冗余，满足实际业务快速高效监测需求，为加强智慧监管、赋能实时监察提供有效途径。

1.2.2 基于5G 网络双向通信的无人机实时图传及远程控制

针对传统无人机在自然资源感知监测业务中实时性不足、数据延迟性高、互动能力有限等问题，深度融合5G 与无人机技术，利用无人机平台提供的远程控制和数据下载接口，开发无人机实时图传及远程控制功能，并基于无人机5G 通信模块打通无人机数据上下行传输链路，实现基于5G 网络的无人机远程实时双向交互，构建集实时化、动态化、智能化、便捷化于一体的新型感知监测模式。

1.2.3 基于云原生GIS 的空间数据存储应用模式

云原生GIS 基于云环境设计和优化的GIS 相关技术，基于微服务架构思想，以容器为部署载体，可自动化编排、运维管理，更好地利用云平台，实现GIS 系统更高效、弹性、实时更新、稳定运行。基于云原生GIS 技术的数据可有效缓解传统GIS 应用功能耦合、持续部署难、部署流程复杂、无法适应弹性访问量等问题，提升了“5G+无人机”数据存储应用服务的高稳定性、高可靠性、高并发性。

1.2.4 依赖深度学习的智能分割与目标检测技术

利用基于语义分割的U-Net 网络和基于实例分割的Mask R-CNN 网络构建面向自然资源监测场景的GeoAI 模块，通过智能分割技术自动提取监测目标区域，有效降低无效识别率。通过目标检测技术对摄像头抓拍照片中的挖掘机、大棚房等30 多种目标行为进行自动监测，实现非法采矿、违法建筑等违法行为的智能感知。

1.2.5 基于视觉特征的三维实景融合技术

基于视觉特征的三维实景融合技术旨在将无人机实时采集画面以相同的视角投射在三维场景相同位置，实现实时视频与三维场景的高度融合展示，围绕自然资源空间模型、动态物联数据、时空分析模型3 个方面，提供空间场景重构、场景资源整合、场景目标时空挖掘、场景目标对象化四大核心能力输出，研发三维实景融合模块。

2 “5G+无人机”重大建设项目会商监测实践

2.1 应用实践

本文基于“5G+无人机”自然资源监测应用流程，针对江苏省重大建设项目会商监测工作难点，开展“5G+无人机”重大建设项目会商监测工作流程设计，包括无障碍数据采集、实时化数据传输、多样化数据加工、高效性数据应用，如图2 所示，实现更加灵活动态、立体全面地展示重大建设项目实况，辅助重大建设项目的土地开发利用状况监测、项目开竣工违约情况监测、项目工程进度监测、违法违规用地监测及闲置土地监测等工作，推动项目会商实时性与交互性并重、直观性与精确性并立、整体性与细节性并存。

图 2 “5G无人机”重大建设项目会商监测作流程

2.1.1 无障碍数据采集

“5G+无人机”监测模式能够兼顾重大建设项目全局总览与项目细节感知。在项目全局总览方面，运用“5G+无人机”监测模式采集重大建设项目的正射影像、倾斜摄影等大尺度数据，从全局角度展示重大建设项目总体情况与施工进展，辅助监测项目规划符合情况、项目进度，便于统筹安排项目。在项目细节感知方面，运用“5G+无人机”技术深入重大建设项目内部，进行视频、图片等数据采集，细致展现重大建设项目的内部细节与具体进展情况，有利于会商人员对重大建设项目细节进行详细认知，有效落实项目推进，服务项目建设。

2.1.2 实时化数据传输

根据自然资源监测监管业务需求、试点区域实地条件及动态监测基础设施的技术参数，研究数据采集与传输的技术要求，制定数据采集和传输的技术标准，形成完整的基于“5G+无人机”的自然资源动态监测数据传输方案，实现不同采集方式、传输方式、飞行状态条件下动态监测图片、视频等采集数据下行与无人机指令数据上行。综合5G 实时传输与无人机强机动性特点，基于无人机5G 通信模块打通无人机数据上下行传输链路，支撑重大建设项目现场监测数据实时下行与会商现场的指令数据实时上行，实现监测数据实时展示与无人机实时交互。监测数据实时展示依赖5G通信技术的高速度、低时延、低功耗、泛在网等优势，5G 超高的传输速度、极低的延迟率能够支持无人机采集的视频流、GPS、IMU 等数据实时回传与展示，辅助项目会商实时掌握项目实施进度与现场情况，并围绕相关问题进行分析研判与辅助决策。无人机实时交互依赖5G 通信技术进行指令数据实时上行传输，支持用户在室内远程操控无人机进行航线调整、摄像头转动、焦距调整等操作，并实时回传展示无人机采集的视频画面，形成完整的交互过程，使得用户能够按需采集更细致、准确的项目信息，支撑重大建设项目会商高效开展。

2.1.3 多样化数据加工

根据不同的数据形式采用不同的数据处理方案和质检方案，对无人机采集的数据进行快速处理与业务融合。具体包括航片几何校正、空三解算、精度调整等数据预处理工作，从而生成航测遥感产品，主要包括倾斜摄影模型、3D 产品、点云产品、视频等。设计严谨、完善、成熟的质检流程，确保数据产品质量达标，为决策者提供更细致、成熟、立体化的信息展示。无人机多源采集数据加工主要包括面向视频数据与三维数据的实景融合与面向无人机高空间分辨率遥感影像的智能解译。面向视频数据与三维数据的实景融合，即融合无人机采集的实时视频流与倾斜摄影数据，将重大建设项目的实时视频画面投射在倾斜摄影三维模型，实现重大建设项目实际情况的三维立体化展示，为用户提供更直观、立体的三维信息服务，便于用户感知项目实况，辅助领导决策。面向无人机高空间分辨率遥感影像的智能解译主要包括目标检测、变化检测等，对影像数据进行切片并发布服务，用于合规性分析、项目进度监管、开竣工监管等实际业务，例如，对无人机遥感正射影像数据进行建设行为目标检测，并套合“一张图”分析，可用于辅助大尺度长时间序列的重要控制线范围变化监测；对项目区域进行建设项目变化检测，获取建筑物的拆除 情况。

2.1.4 高效性数据应用

利用云原生GIS 支撑海量监测数据存储与数据服务并发。云原生GIS 支持矢栅数据、流数据、瓦片数据和三维数据等多源海量空间数据分布式存储，有效解决无人机采集的海量项目细节数据增长快、存储和处理压力大等问题，便于更灵活、高效、智能地为重大建设项目会商提供海量数据存储。同时，云原生GIS 基于容器的多节点部署与弹性伸缩能够使GIS 更灵活，其弹性伸缩机制能够使GIS 微服务节点随着访问压力的变化自动伸缩，在高并发时增加节点，提高处理能力，在压力降低时减少节点，用于重大建设项目会商，能够保障数据服务稳定并发与应用，实现资源集约。

2.2 实践思考

“5G+无人机”重大建设项目会商监测实践表明，利用无人机机动性强、交互能力强、时效性高、无视野盲区等特点，支撑了重大建设项目全方位、立体化、无死角的监测信息获取，实现了包含视频、正射影像、倾斜摄影等多类型数据采集。通过采集多尺度、多精度、多分辨率的地面信息，满足自然资源精细化、精准化感知监管要求，全面辅助提升自然资源感知监管能力。全面融合5G、深度学习等新技术，实现了无人机采集数据的稳定高效实时传输、多源监测数据的自动化处理与目标信息的智能化提取，显著提高自然资源感知监管时效与工作效率。

“5G+无人机”监测模式在重大建设项目会商中的应用仍然处于探索优化阶段，建设与应用尚未成熟。受5G 基站布设规模、无人机设备硬件条件的限制以及天气与地形对无人机飞行工作的影响，“5G+无人机”监测实际应用方案仍有待优化。

本文认为“5G+无人机”作为自然资源监测监管的重要手段之一，应配合5G 发展趋势，全面升级完善无人机、监控摄像头等硬件设备，拓 展“5G+无人机”应用模式。深化研究“5G+无人机”在国土空间规划、自然资源开发利用、耕地保护、生态修复、灾害预警监测业务中的辅助监管模式。有效补充卫片执法、“慧眼守土”、人工巡查等监测监管手段，真正实现“看得到、看得清、看得快”三大能力，形成“天-空-地-网”一体化感知监管体系，推动自然资源感知监管向全要素、多方位、实时动态方向发展。

3 总结与展望

本文研究了“5G+无人机”监测模式在自然资源监测监管领域的应用流程与关键技术，并面向江苏省重大建设项目会商监测业务开展应用实践，构建了“5G+无人机”重大建设项目会商监测工作流程。“5G+无人机”监测模式能够为重大建设项目会商提供更机动、便捷的数据采集能力，更高速、动态的数据传输能力，更立体、多元的数据加工能力以及更稳定、高效的数据应用能力，辅助解决传统重大建设项目会商场景的劣势与不足问题，实现了重大建设项目会商从室外走向室内、从偏平化走向立体化。“5G+无人机”监测在未来的实践中仍有诸多待进一步开展的研究内容，研究实现“5G+无人机”监测与遥感卫星、“慧眼守土”等多种监测设备的联动应用，研究解决低网速环境中无人机实时传输数据延迟及丢帧问题，研究优化面向自然资源监测监管业务的高精度影像解译与目标检测技术等。