摘要：针对土地执法采用人工巡查与定期卫星遥感影像结合的监测方式存在成本高、周期长、监测效果不佳的问题，本文引入无人机低空遥感技术，以广州市南沙区为例，对南沙区进行全覆盖低空摄影，快速获取高分辨率正射影像图，融合多源数据，对南沙区的农用地及未利用地开展违法用地行为动态监测及取证，并搭建了无人机低空遥感动态监测系统。和以往监测手段相比，无人机监测技术能动态、快速、高效的为执法人员提供定向指引，为准确及时地发现制止违法用地及决策处理执行提供客观而有力的技术支撑，大大提高违法用地的发现率及调查取证效率。
关键词：无人机；低空遥感技术；动态监测；土地执法
1 引言
近年来，土地资源的供需矛盾日益显现，如何做到及时、快速、有效地发现违法用地，是国土资源管理面临的一项难题。长期以来，违法用地行为通常采用人工巡查结合定期卫星遥感影像的方式来监测，耗费大量人力物力和时间，监测效果也不佳。无人机低空遥感监测系统因具有机动快速的响应能力、使用成本低，对天气的要求比较低，能够获取高分辨率的影像数据的特点，可以较好地满足土地动态监测工作的需要。本文以广州市南沙区为例，利用无人机低空遥感技术，快速制作高分辨率数字正射影像，融合多源数据，并通过多时段影像的对比分析，全面跟踪土地变化情况，实现了对南沙区的农用地及未利用地违法用地行为的全面动态监测。本文对无人机低空遥感数据在土地执法项目中的应用进行探讨，介绍了土地执法项目的关键技术，并设计了无人机低空遥感动态监测系统的技术流程，构筑了土地管理年度长效监测机制。
2 关键技术分析
2.1 多源数据融合
1）多尺度DOM数据
多尺度DOM数据包含高分卫片及低空无人机正射影像数据，其中高分卫片的具有获取速度快、监测范围广的优点，对于大面积土地变化监测具有绝对的优势；低空无人机正射影像图具有分辨率高、灵活机动的优点。采用多尺度遥感影像组合的违法用地动态监测策略，使得监测工作兼具高效和精确的优点。
2）专题审批数据的引入
单纯的基于低空遥感技术的违法用地监测直接成果是地表覆盖变化的直观表达，其中包含了因遥感影像特征的不确定性导致的伪变化图斑及缺少审批数据斧正的合法变化图斑，这样的监测成果会造成因冗余信息而导致的行政决策效率低下。
专题审批数据（国有土地证、土地出让合同和建设用地批文等）引入的最大动因是为了从变化图斑中剔除合法图斑，减少冗余信息，帮助土地执法部门快速锁定真正违法目标。各类用地审批数据与DOM数据的融合，可以有效锁定无批文用地范围，可以提高监测效率及成果准确率。
3）专题规划数据的引入
基于多种专题规划数据引入机制，进行变化图斑构成分析，更加有利于国土执法等专题行政管理部门清晰掌握变化图斑的规划性质与利用现状指标的构成。
4）大比例尺基础地形图的引入
在疑似违法用地指引图制作内容中插入南沙区1：500基础地形图成果数据，即可利用地形图的全要素信息为违法指引提供准确地址信息，提升执法便利性。
2.2 高效的计算机集群处理系统
无人机低空遥感监测平台具有对天气依赖性小、影像分辨率高、机动性强等优势，更适合应用于地表变化监测。无人机技术的应用，实现了对南沙区农用地与未利用地的全面系统监控，有效解决了传统违法用地监控不全面，查处不及时的问题。
为提高无人机航摄数据处理效率本文搭建了计算机集群处理系统，系统采用了高效的分布式算法，其中的系统硬件架构如图1所示。软件系统包含数据集群管理模块、数据转换模块、空三计算模块、成果浏览模块和成果转换模块，具体处理流程如图2。集群数据处理系统的搭建大大地提高无人机低空遥感影像的生产效率，具体计算效率如表1所示。
图1 集群系统硬件架构
图2 数据处理流程
表1 计算效率统计表
2.3 多时段影像比对分析
利用三个时段的影像实施比对，全面跟踪用地变化情况，具体方法如下：
（1）对于前时已确定为违法用地并实施查处的图斑，可利用后续影像对查处后效果进行监控，防止已查处违法用地行为复发。
（2）对于前时图斑提取中判定不清楚或违法用地痕迹不明显的地块或图斑，通过分析各时段影像情况，掌握各类疑似违法用地地块变化情况，将违法用地执法节点进一步推前，真正做到防微杜渐、控制源头。
（3）采用GIS数据库对违法用地图斑进行管理，并建立违法用地变化图斑数据库，高时效、多维度统计管理，对后续工作进行有效规划，为领导决策提供强有力的数据支持。
2.4 “因形施法”的图斑提取方法
针对监测区不同地形地貌，本文采用不同的提取方法以保证图斑提取的效率与准确性。
（1）对于建筑密集区，本文以时序级DSM为数据资源，通过地表建筑高程变化和影像变化相结合，统计分析DSM变化与高程变化区域之间的相关规律，以达到快速、高效提取变化图斑的目的。
（2）对于农田、鱼塘、林地等非建成区，采用光谱直接比较法提取疑似违法用地图斑。但是该方法受季节性翻耕影响较大，需一定的人工干预以提升准确率。
3基于无人机低空遥感动态监测系统土地执法项目的技术优势
3.1违法查处定点精确
长期以来，违法用地行为通常采用人工巡查结合定期卫星遥感影像的方式来监测，耗费大量人力物力和时间，监测效果也不佳。本文采用无人机低空航空摄影技术对南沙区进行全覆盖低空摄影，得到高分辨率正射影像图，根据影像变化发现和特征提取，实现对南沙区违法用地行为动态而全面的监测。本项目的实施改变了以往人工漫无目的的巡查模式，无人机监测技术能动态、快速、高效的为执法人员提供定向指引，为准确及时地发现制止违法用地及决策处理执行提供客观而有力的技术支撑，大大提高违法用地的发现率及调查取证效率，真正做到早发现、早制止、早查处。
经过与省级、国家级的遥感监测成果比对，项目三期成果的监测准确率分别达92.2%、92.1%和95.2%，真正实现了早发现的目的。
3.2融合数字正射影像图和数据表面模型（DSM）的图斑自动化提取方法
利用无人机低空遥感采集高分辨率影像，在生产出的数字正射影像图中可直接识别各类型地物。本文通过对前、后两时相的影像进行变化检测以提取变化图斑，主要采取了光谱直接比较法和分类后比较法，但该方法容易出现监测遗漏，如图3。
图3 变化检测方法提取变化图斑
为了弥补上述缺陷，本文利用数字表面模型（DSM）监测村民违法侵占农用地建房的情况，具体处理流程如图4。通过数字表面模型进行监测，首先将其转换成点云数据，进行分类、滤波处理，得到地物高度信息。将前后两期数字表面模型数据进行相减计算，得到地形地物的高度变化。根据村民建房建造特点设定阈值，对阈值内的高度变化信息叠加到正射影像上进行目视比对分析，判断出疑似违法用地图斑，图5为基于数字表面模型DSM的变化图斑提取结果。
图4 基于DSM高程变化提取方法的流程
图5 基于数字表面模型DSM的变化图斑提取
3.3搭建南沙区无人机低空遥感动态监测系统
利用无人机低空遥感技术、卫星遥感技术以及地面勘测技术，本文建立了南沙区违法用地行为动态监测系统，如图6所示，实现从高空到地面全方位三维立体监测南沙区农用地、未利用地的使用和发展变化情况，充分发挥国土资源对经济社会发展的支撑和保障作用。本系统将根据南沙区地理信息数据的特点，结合三维空间信息平台的特色，构建包括基础地理矢量、无人机高分辨影像数据、卫星遥感影像数据、数字高程模型、土地利用现状数据、土地规划数据、批文权属数据、土地使用数据等内容在内的海量、多源信息数据库，为土地执法监督提供坚实的数据基础。本系统总体实现的具体功能有：对上述海量数据进行系统存储、管理、检索、查询、统计、分析、更新和维护，影像叠加比对分析，空间分析与查询统计，统计分类和图表图件输出等功能。该系统的构建大大改变了违法用地监测的工作模式和数据管理模式。
图6 搭建南沙区无人机低空遥感动态监测系统
3.4构筑土地管理年度长效监测机制
通过每年对南沙区实现三次无人机影像或高分辨率卫片全覆盖，以此构筑年度性监控的长效机制，如图7。时间序列影像数据可以实现对过往违法用地行为的持续性监测，以达到违法用地行为查处后复发的情况，此外还可实现对浮现违法行为苗头的地块进行跟踪式监测，以达到早发现早制止的目的。长效监控机制，有效地向民众宣传了无人机监测违法用地行为的力度，一定程度上警示了非法侵占国土资源和破坏绿水青山的侥幸心理。
图7 违法用地长效监测机制
4 总结
本文探讨了无人机低空遥感动态监测在土地执法项目中的应用，并以广州市南沙区为例，设计了土地执法项目的实施流程。研究表明，应用无人机低空遥感技术，规避了常规人工巡视及外业测量所产生的人力、物力的大量消耗，为各类土地的非法占用和取证等历史遗难问题提供有效的科学手段，可节约大量土地执法作业成本。无人机动态监测成果为南沙新区的土地管理工作提供了有力支撑，是南沙新区土地管理的基础数据之一。另外，结合长效监测机制，通过加大宣传力度，可加强民众对于土地管理相关法律法规的了解，增强遵纪守法的意识，从根源上遏制土地违法情况的发生。对于监测区全域每年实现无人机影像及卫片全覆盖3次，保障了土地保护的时效性及系统性。同时影像成果为南沙区各类违法建设查处、土发中心储备用地证据留存等提供基础底图。
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论文作者:罗斌
论文发表刊物:《基层建设》2019年第14期
论文发表时间:2019/7/29
标签：无人机论文; 遥感论文; 南沙论文; 低空论文; 数据论文; 影像论文; 土地论文; 《基层建设》2019年第14期论文;