賴 云，孔 姍，鄧惠元，寧應來，余 國

（1.湖北省國土資源研究院，湖北 武漢 430071；2.北京中天博地科技有限公司，北京 100101）

根據(jù)國發(fā)[2017]48號《國務(wù)院關(guān)于開展第三次全國土地調(diào)查的通知》的文件要求[1]，國務(wù)院決定自2017年10月啟動第三次全國土地調(diào)查，全面查清當前全國土地利用狀況，掌握真實準確的土地基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，健全土地調(diào)查、監(jiān)測和統(tǒng)計制度，強化土地資源信息社會化服務(wù)，以滿足經(jīng)濟社會發(fā)展和國土資源管理工作需要。

基于“互聯(lián)網(wǎng)+”手持設(shè)備舉證技術(shù)，本文首先利用無人機拍攝實地調(diào)查地類的舉證照片，并對舉證照片的內(nèi)容、拍攝坐標、角度、時間、無人機姿態(tài)等信息進行加密，進而形成調(diào)查舉證成果；然后采用“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)將舉證成果提交至省級核查平臺或“國土調(diào)查云”平臺進行成果審核與分析，以確保調(diào)查成果數(shù)據(jù)的真實、準確[2]。

1 無人機調(diào)查舉證系統(tǒng)

湖北省無人機調(diào)查舉證系統(tǒng)，作為外業(yè)調(diào)查舉證App的有益補充，提高了外業(yè)調(diào)查、舉證的工作效率。系統(tǒng)由湖北省無人機調(diào)查舉證地面站、湖北省無人機調(diào)查舉證App和無人機平臺3個部分組成，為國土工作的調(diào)查、舉證、監(jiān)管等業(yè)務(wù)提供了調(diào)查舉證的解決方案。

1.1 無人機調(diào)查舉證地面站

無人機調(diào)查舉證地面站（圖1）以工程概念為基礎(chǔ)，以航線設(shè)計為核心，具有內(nèi)業(yè)航線設(shè)計、外業(yè)飛行成果處理等功能[3]。無人機調(diào)查舉證地面站是基于ArcGIS和Windows系統(tǒng)研發(fā)的桌面端軟件，是制作無人機外業(yè)調(diào)查舉證的飛行信息、回收無人機外業(yè)調(diào)查成果以及舉證成果分析與提交的主要工具軟件。其主要功能包括設(shè)置航點、拍照點信息，設(shè)置拍照點拍攝方向，設(shè)置圖斑與舉證照片關(guān)聯(lián)關(guān)系，回收舉證成果，生成舉證DB包等。

圖1 無人機調(diào)查舉證地面站界面

1.2 無人機調(diào)查舉證App

無人機調(diào)查舉證App（圖2）基于Android系統(tǒng)開發(fā)，負責圖斑調(diào)查舉證和在線視頻互聯(lián)工作，界面簡潔、傻瓜式操作，一鍵起飛、一鍵返航即可完成調(diào)查舉證工作。無人機調(diào)查舉證App設(shè)計實現(xiàn)了圖斑斷點續(xù)飛、飛行坐標記錄、單個圖斑手動飛行模式等功能，提高了外業(yè)作業(yè)效率。

圖2 無人機調(diào)查舉證App界面

1.3 無人機平臺

消費級小型無人機具有體積小、重量輕、操作簡單、靈活輕便等優(yōu)勢，已廣泛應用于國土資源調(diào)查監(jiān)測與舉證等工作中。本文主要采用大疆精靈Phantom 4A、御Mavic2等無人機平臺進行國土資源調(diào)查舉證研究，并將調(diào)查舉證成果應用于省級核查中。無人機類型和主要參數(shù)如圖3、表1所示。

圖3 無人機類型

表1 無人機參數(shù)

2 省級核查平臺

湖北省縣級調(diào)查成果、市級匯總成果經(jīng)自檢合格后，由省國土調(diào)查主管部門負責組織作業(yè)單位進行全面檢查[4]。

省級核查在成果完整性和規(guī)范性檢查的基礎(chǔ)上，重點檢查成果的真實性和準確性?；凇盎ヂ?lián)網(wǎng)+”舉證成果，采用計算機自動比對和人機交互檢查的方式對縣市報送的成果進行逐圖斑內(nèi)業(yè)比對，重點檢查不一致圖斑調(diào)查地類與影像以及地方舉證照片的一致性；然后對內(nèi)業(yè)檢查結(jié)果的部分疑問圖斑開展省級外業(yè)實地核查，對外業(yè)圖斑進行認定，并利用移動外業(yè)設(shè)備或無人機調(diào)查設(shè)備拍攝圖斑實地照片[5]。

湖北省研發(fā)的省級內(nèi)外業(yè)核查平臺，利用遙感影像、“互聯(lián)網(wǎng)+”實地舉證照片、項目備案信息等相關(guān)資料，對第三次全國土地調(diào)查數(shù)據(jù)庫中圖斑的地類、邊界、范圍等信息進行機器自動檢查和人機交互對比檢查，以確保第三次全國土地調(diào)查成果真實、準確。外業(yè)核查軟件采用“互聯(lián)網(wǎng)+”云計算、衛(wèi)星導航定位技術(shù)，通過外業(yè)核查人員現(xiàn)場定位，數(shù)據(jù)、照片（視頻）實時傳輸和動態(tài)調(diào)度，開展在線舉證和外業(yè)實地核查工作。為解決交通不便、人為管制等受限區(qū)域的圖斑舉證實際困難，提高外業(yè)工作效率，本文研發(fā)了湖北省無人機調(diào)查舉證系統(tǒng)，能輔助人工PDA舉證系統(tǒng)完成全省外業(yè)核查舉證工作。

3 無人機調(diào)查舉證在省級核查中的應用

國土資源調(diào)查舉證工作時間緊、任務(wù)重，利用手機或平板等外業(yè)核查舉證方法在舉證過程中存在一定弊端，如交通不便、植被茂盛無法通過、場地管制不許通行、視野狹窄等；而利用小型無人機開展外業(yè)核查舉證工作可大大節(jié)省人力物力，且對于地形復雜、圖斑面積大、人力無法到達的區(qū)域，具有較大的優(yōu)勢。利用無人機進行外業(yè)調(diào)查舉證，能快速、全方位地拍攝圖斑的實地照片，完成調(diào)查圖斑舉證工作，且調(diào)查成果能通過縣級提交，實現(xiàn)調(diào)查舉證成果在省級核查中的應用。

3.1 無人機調(diào)查舉證技術(shù)路線

無人機調(diào)查舉證采用消費級小型無人機，利用無人機調(diào)查舉證軟件拍攝舉證照片，通過Web平臺或上傳工具將成果傳送至省級核查平臺。相關(guān)調(diào)查成果符合省級核查要求，還增加了無人機調(diào)查舉證特定的參數(shù)信息，如無人機起飛點經(jīng)緯度、拍照點經(jīng)緯度、拍攝方向、拍攝高度和俯仰角等，為無人機調(diào)查舉證照片展示提供了相關(guān)參數(shù)[6]。

為了保證舉證成果可還原、可驗證、不可被人為替換，在無人機監(jiān)測結(jié)果外業(yè)核實工作中需考慮不同的數(shù)據(jù)加密和舉證成果驗證技術(shù)。

無人機調(diào)查舉證成果采用MD5算法[7]與RSA非對稱加密算法[8]進行加密。MD5算法加密是不可逆的，從而保證信息不被修改和替換；RSA非對稱加密算法可提供對加密內(nèi)容的隱藏和驗證功能。無人機調(diào)查舉證過程中，首先提取原始照片內(nèi)容的MD5，再組合人員、時間、地點、方向、高度、俯仰角和設(shè)備等拍照七要素，然后利用RSA非對稱加密算法生成一個驗證信息，用以保證舉證成果的真實有效，不被替換。外業(yè)采用RSA公鑰對信息進行加密，數(shù)據(jù)回收后再通過RSA私鑰對信息進行解密，并驗證解密信息與接收到數(shù)據(jù)的一致性。

3.2 無人機調(diào)查舉證成果與省級核查平臺對接

湖北省第三次全國土地調(diào)查“互聯(lián)網(wǎng)+”舉證與在線核查平臺采用自建省級云平臺，縣級調(diào)查成果通過外業(yè)調(diào)查設(shè)備調(diào)查后提交至省級平臺進行調(diào)查舉證成果審核。無人機調(diào)查舉證省級核查技術(shù)流程為內(nèi)業(yè)航線設(shè)計、外業(yè)實地調(diào)查、外業(yè)調(diào)查成果回收處理、生成標準調(diào)查成果包、通過省級平臺上傳工具將調(diào)查成果包上傳至省級調(diào)查核查平臺，如圖4所示。

圖4 無人機調(diào)查舉證省級核查技術(shù)流程圖

3.3 無人機調(diào)查舉證系統(tǒng)在省級核查中應用

湖北省處于我國地勢第二級階梯向第三級階梯過渡地帶，地勢呈三面高專起、中間低屬平、向南敞開、北有缺口的不完整盆地；地貌類型多樣，山地、丘陵、崗地和平原兼?zhèn)洹Ｉ降?、丘陵、崗地和平原各占全省總面積的44.38%、22.59%、13.16%和19.87%。全省主要以山地和丘陵為主，地形復雜，個別地區(qū)人力不便到達，利用無人機調(diào)查舉證軟件對山區(qū)和丘陵地區(qū)圖斑進行舉證，能提高調(diào)查舉證的工作效率。利用無人機軟件調(diào)查舉證時，需提前了解舉證區(qū)域的地形地貌和植被特征，選擇合適的航高，尤其是在恩施、十堰等山區(qū)設(shè)置航高時，應充分考慮地形的起伏變化，避免航高設(shè)置過低造成撞機事件；而在荊州、武漢等平原地區(qū)舉證時，設(shè)置航高需避開信號塔、高壓線等高干擾信號源。無人機調(diào)查舉證時，正拍照片的拍攝角度在-85°～-90°范圍內(nèi)，斜拍照片的拍攝角度在-30°～-85°范圍內(nèi)[9]。

1）山區(qū)、丘陵地區(qū)無人機調(diào)查舉證。山區(qū)、丘陵地區(qū)因地形地貌復雜、地形高差較大，在航線設(shè)計時需參考DEM數(shù)據(jù)獲取圖斑之間的高程差，整個航線圖斑之間的高程不宜相差超過100 m，高差較大的圖斑需在不同的航線中舉證。根據(jù)地區(qū)情況，山區(qū)圖斑舉證以林地和園地為主，零星耕地調(diào)查，舉證航高建議設(shè)置大于圖斑之間的高程差，以保證無人機安全飛行。山區(qū)舉證圖斑利用DEM數(shù)據(jù)解算無人機起飛點與舉證圖斑之間的高程差，以修正圖斑實際航高；并利用無人機參數(shù)獲取照片范圍，可將照片以正拍照片的方式疊加到矢量數(shù)據(jù)上，為核查人員快速審核提供方便（圖5）。

圖5 無人機成果展示-山區(qū)

2）平原地區(qū)無人機調(diào)查舉證。平原地區(qū)地勢平坦，利用無人機調(diào)查舉證時只需避開信號塔、高壓線和較高建筑物即可。平原地區(qū)舉證圖斑以耕地為主，需區(qū)分耕地中園林地和部分建筑物，建議航高適當降低設(shè)置，以保證照片更精細，便于地貌特征識別（圖6）。

圖6 無人機成果展示-平原

3）無人機調(diào)查舉證在省級核查中的實例。本文在黃岡市紅安縣永佳河鎮(zhèn)選擇了54個實地圖斑對湖北省無人機調(diào)查舉證系統(tǒng)進行實地驗證與應用，圖斑涉及山區(qū)與平原地區(qū)。通過實地驗證可知，無人機調(diào)查舉證系統(tǒng)能高效完成圖斑調(diào)查與舉證工作，技術(shù)可行。圖斑分布在半徑為2 km的范圍內(nèi)，周圍通視效果良好，圖斑密度適當（10～30個圖斑），可設(shè)計在一條航線內(nèi)（圖7）。照片覆蓋多個圖斑的，可設(shè)置同一個拍攝點完成，單個架次可在20 min內(nèi)完成調(diào)查舉證。驗證采用人工手機實地舉證與無人機實地舉證對比測試的方式，以完成全部圖斑舉證時間為對比指標。結(jié)果表明，無人機組在平原地區(qū)和山區(qū)的作業(yè)效率以及舉證照片的拍攝效果均明顯高于人工組。在交通不便利以及山區(qū)人力不便到達區(qū)域采用無人機舉證，工作效率的提高更加明顯（表2）。

圖7 測試區(qū)域圖斑分布與位置影像圖

在實地驗證與應用中，無人機調(diào)查舉證采用離線調(diào)查的方式，由內(nèi)業(yè)組提供外業(yè)調(diào)查矢量數(shù)據(jù)，通過內(nèi)業(yè)分析，在無人機調(diào)查舉證地面站軟件中進行航線設(shè)計：平原地區(qū)圖斑35個，分布在5個行政村，圖斑跨度較大，內(nèi)業(yè)航線設(shè)計時考慮無人機安全飛行，設(shè)計4條航線，航高為100 m，航線長度為4～7 km；山區(qū)圖斑19個，分布在山頂、半山腰、水庫中央、高速路兩旁、丘陵緩坡兩邊等復雜地形區(qū)域，設(shè)計4條航線，航高設(shè)計為150～200 m，其中水庫中央1個獨立圖斑單獨設(shè)計航線。在航線范圍中心處選擇無人機起飛點進行實地外業(yè)調(diào)查舉證工作，完成后回收調(diào)查成果數(shù)據(jù)，并生成符合省級平臺標準的DB包文件，再通過省級平臺上傳工具上傳至省級核查平臺，完成無人機外業(yè)核查工作。衛(wèi)星影像、人工舉證照片、無人機舉證照片三者的效果對比如圖8所示。

表2 無人機與人工作業(yè)效率和效果對比

圖8 3種方式的調(diào)查舉證效果對比

4 結(jié) 語

無人機調(diào)查可同時采用傾斜視角和垂直視角，彌補了人工舉證照片視角不佳、拍攝不全的缺點，拍攝的照片能反映圖斑整體的土地利用狀況，便于內(nèi)業(yè)人員判定圖斑的地類和邊界。調(diào)查舉證過程中，無人機具有流程清晰、操作簡單、速度快等特點，為自然資源調(diào)查舉證提供了技術(shù)保障。無人機調(diào)查舉證技術(shù)在湖北省第三次全國土地調(diào)查核查中進行了初步應用，后續(xù)將在湖北省第三次全國土地調(diào)查專項調(diào)查、草原資源調(diào)查、國土監(jiān)測以及地質(zhì)災害調(diào)查中開展更廣泛的應用。然而，信號干擾（通信塔、磁場）、遙控距離限制、電池續(xù)航、氣候（風力、雨天等）等因素均會制約無人機的工作效率，因此如何克服消費級無人機在調(diào)查舉證中的不利因素，是需要進一步研究并攻克的技術(shù)難關(guān)。