周長江,王中元,葛偉偉,李永生

(1.韶關(guān)市國土資源技術(shù)中心，廣東 韶關(guān) 512026;2.中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221000)

0 引 言

我國幅員遼闊，人口眾多，非法侵占基本農(nóng)田和開采礦產(chǎn)資源情況時有發(fā)生。對于一些特殊場合，如尋常區(qū)域難以到達(dá)(如山區(qū)、高山區(qū)、沒有路地方)、被巡查對象較隱蔽靠人工無法全面巡查時，基層自然資源執(zhí)法取證往往存在困難。近年來，無人機(jī)遙感發(fā)展迅速廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)[1-3]，通過無人機(jī)開展自然資源外業(yè)巡查，可以進(jìn)行拍照取證，也可以后處理生成影像與衛(wèi)星影像疊加對比，提取違法信息，是一種很好輔助手段。然而，在實(shí)際工作中，無人機(jī)、巡查系統(tǒng)往往是兩個獨(dú)立系統(tǒng)，難以實(shí)現(xiàn)對接，這在一定程度上也影響無人機(jī)在自然資源巡查使用效率，本文通過實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐，搭建一整套軟硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)無人機(jī)與基層國土所巡查系統(tǒng)無縫對接。

1 系統(tǒng)組成模塊

整個系統(tǒng)由無人機(jī)、飛控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理黑匣子、黑匣子供電模塊(車載逆變器)、數(shù)據(jù)處理、分析App等模塊構(gòu)成，系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)模塊構(gòu)成圖

1.1 無人機(jī)模塊

主要用于在野外現(xiàn)場采集巡查區(qū)域原始照片和POS，實(shí)現(xiàn)“非接觸式”巡查，提高外業(yè)巡查效率。無人機(jī)操控應(yīng)該傻瓜化，方便基層國土所人員使用，本文系統(tǒng)搭配時選擇使用DJI PHANTOM 4 RTK 四旋翼無人機(jī)(圖2)。

圖2 無人機(jī)模塊

該型無人機(jī)配有差分GPS模塊，在具有4G信號區(qū)域，可以基于千尋位置服務(wù)獲取到高精度CGCS 2000 坐標(biāo)系或是WGS 84 坐標(biāo)系下厘米級精度POS，使得最終拼接影像在不依賴地面控制點(diǎn)情況下能夠達(dá)到較高平面位置精度，配備有智能電池，能夠自動計算返航位置，配置有避障功能，能夠自動規(guī)避航線上障礙物，安全性高。飛控(圖3)采用自身攜帶飛控軟件，只需要設(shè)置航線相對高度、航向重疊度、旁向重疊度即可完成，操作簡單、傻瓜化。

圖3 航線規(guī)劃

1.2 數(shù)據(jù)處理黑匣子

數(shù)據(jù)處理黑匣子由硬件和軟件兩個部分構(gòu)成，硬件方面應(yīng)從經(jīng)濟(jì)、便攜性、性能方面選購合適主機(jī)并安裝ubuntu 16.04操作系統(tǒng)，軟件是在硬件基礎(chǔ)上基于C++、python語言以及特征點(diǎn)提取匹配、無約束平常、點(diǎn)云融合等影像拼接算法[4-7]實(shí)現(xiàn)無人機(jī)采集多幅序列照片拼成全幅影像(圖4)，要求影像拼接精度能夠滿足日常巡查工作要求，拼接時間不宜過長，且拼接后影像格式為tif，拼接完成后對影像切片處理，采用一定瓦片地圖切片算法將tif數(shù)據(jù)進(jìn)行切片處理產(chǎn)生tpk格式切片數(shù)據(jù)包。

圖4 影像拼接生成正射影像

1.3 數(shù)據(jù)傳輸模塊

數(shù)據(jù)傳輸Drone Map是安裝在手機(jī)端，采用java語言編程實(shí)現(xiàn)，主要實(shí)現(xiàn)與黑匣子通信，控制黑匣子內(nèi)置影像處理程序運(yùn)行對無人機(jī)航拍影像進(jìn)行拼接，主要按鍵如表1所示。

表1 Drone Map 軟件按鈕

系統(tǒng)運(yùn)行流程如下：首先是連接主機(jī)(黑匣子)，建立手機(jī)與黑匣子通信，然后點(diǎn)擊執(zhí)行程序調(diào)用黑匣子影像拼接程序，在完成影像拼接后，對拼接影像進(jìn)行切片并上傳到國土所用外業(yè)巡查系統(tǒng)中，系統(tǒng)這個運(yùn)行流程如圖5所示。

圖5 DroneMap App工作界面和流程

1.4 車載逆變器

車載逆變器(圖6)相當(dāng)于一個外接電源，主要用于給數(shù)據(jù)處理黑匣子進(jìn)行供電。

圖6 車載逆變器

2 系統(tǒng)使用流程

(1)建立各類非法開采影像解譯標(biāo)志

根據(jù)每類非法開采所呈現(xiàn)不同紋理特性，建立各類礦產(chǎn)資源非法開采影像解譯標(biāo)志，例如稀土非法開采在影像上表現(xiàn)特征為有各類沉淀池、注液池等設(shè)施，較大型稀土開采點(diǎn)沉淀池往往在同一地點(diǎn)呈格網(wǎng)狀，周圍密布輸反應(yīng)試劑的管道。

(2)無人機(jī)外業(yè)巡查

采用本系統(tǒng)型號無人機(jī)對計劃巡查區(qū)域進(jìn)行航線規(guī)劃，獲取巡查區(qū)域航拍照片。

(3)影像拼接

調(diào)用Drone Map APP程序運(yùn)行數(shù)據(jù)處理黑匣子中影像拼接算法對無人機(jī)采集照片進(jìn)行拼接和切片處理，生成高分辨率正射影像。

(4)數(shù)據(jù)比對分析

調(diào)用Drone Map將切片后影像上傳到基層國土所外業(yè)巡查系統(tǒng)，通過與前時相年度衛(wèi)片、無人機(jī)影像疊加分析，采用人工目視解譯方法比對[8-11]發(fā)現(xiàn)非法開采圖斑，通過在不同時期對同一個區(qū)域連續(xù)用無人機(jī)跟蹤拍攝提取變化區(qū)域，然后基于無人機(jī)影像上呈現(xiàn)出來紋理特征，例如是否存在稀土開采反應(yīng)池、輸送反應(yīng)試劑的注液池等判定巡查區(qū)域是否存在稀土非法開采。如圖7所示，左右2張圖片分別是2016年6月20日、2016年7月21日韶關(guān)某區(qū)域航拍影像圖，在短短一個月時間內(nèi)，可以發(fā)現(xiàn)同一個地方有明顯的變化，稀土非法開采沉淀池已經(jīng)初步形成規(guī)模。

圖7 不同時間無人機(jī)影像對比發(fā)現(xiàn)稀土非法開采

3 應(yīng)用案例

為驗(yàn)證該系統(tǒng)實(shí)際可行性，可操作性，選擇韶關(guān)市新豐縣沙田國土所作為試點(diǎn)在山區(qū)開展自然資源監(jiān)測實(shí)驗(yàn)，某次野外無人機(jī)巡查情況如下：外業(yè)無人機(jī)設(shè)置航高350 m，航向重疊度80%，旁向70%，采集數(shù)據(jù)飛行含起飛降落共花費(fèi)約15 min，共采集95張照片，監(jiān)測面積約0.4 km2。采用數(shù)據(jù)處理黑匣子進(jìn)行影像拼接共花費(fèi)約10 min，并通過在手機(jī)上調(diào)用Drone Map將切片后影像成功上傳到外業(yè)巡查系統(tǒng)中，如圖8所示，在巡查系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)將剛獲取無人機(jī)影像與原有歷史影像分屏對比瀏覽。

圖8 接無人機(jī)影像銜接到外業(yè)巡查系統(tǒng)

在新獲取無人機(jī)影像上能夠清晰看出存在與稀土影像解譯標(biāo)志類似開采沉淀池，輸送反應(yīng)試劑的管子等設(shè)施(圖9)，初步判定是稀土非法開采點(diǎn)，通過國土所巡查人員抵近巡查發(fā)現(xiàn)此處確實(shí)是稀土非法開采點(diǎn)(圖10)。

圖9 無人機(jī)影像拍攝到稀土開采點(diǎn)局部放大圖

圖10 現(xiàn)場巡查照片

4 結(jié) 語

從當(dāng)前在試點(diǎn)國土所使用情況來看，這套系統(tǒng)能夠滿足基層國土所尤其是地形復(fù)雜區(qū)域自然資源巡查需要，存在不足之處有以下2個方面：① 目前小型無人機(jī)電池續(xù)航能力普遍較低，在一定程度上會影響巡查效率；② 目前非法開采、違法用地圖斑提取主要還是靠人工目視解譯，如果下一步能實(shí)現(xiàn)無人機(jī)拍攝影像與巡查系統(tǒng)中衛(wèi)片自動識別變化圖斑，無人機(jī)與巡查系統(tǒng)無縫銜接則更為完善，在自然資源巡查中應(yīng)用也將更加深入高效。