无人机在自然资源管理中的应用需求与现状研究

赵官正

（安徽省地质测绘技术院， 安徽合肥 230022）

0 引言

无人机作为先进的科技产品代表，凭借独特优势已被广泛应用于各个领域，并逐渐成为研究热点。通过对中国知网相关数据分析，自2000年来，“无人机”关键词的学术关注度与学术传播度呈逐年增加趋势，如表1所示。

无人机“天上看”应用的开展，配合地面数据采集核实，信息化手段互联，建立“天上看、地上查、网上管”天地一体化的新型监管模式，可为自然资源管理提供有效帮助。

自然资源是指天然存在的并有利用价值的自然物，如土地、矿藏、水利、生物、气候、海洋等资源，是生产的原料来源和布局场所。2018年4月10日自然资源部挂牌成立，其融合了原国土资源部、国家林业局、国家海洋局、国家测绘地理信息局等部门，进一步加强对自然资源的保护和合理开发利用。新的职能范围对自然资源的管理工作提出了更高要求：管理对象更全面，管理范围更广泛，管理方式更多样，管理响应更迅捷，管理手段更科学。本文旨在总结学者们利用无人机技术应用于自然资源管理等方面的案例，探究其在自然资源管理上的应用优势及前景。

1 无人机组成及应用优势

表1 无人机研究CNKI指数Table 1.CNKI index of UAV research

1.1 无人机组成

无人机是一种具备动力装置和导航模块，在一定范围内依靠无线电装置或计算机预设飞控程序自主控制飞行的无人驾驶航空器[1]，其组成主要包含以下几个部分：动力装置(燃油发动机或电力发动机)、飞控系统(核心，其控制无人机的发射回收、航线控制、任务设备管理、信息收集传输等功能)、电气装置、通信系统(控制站与飞机之间数据链路传输)、任务载荷(根据工作需求和研究目的不同进行配置)、控制站(实现人机交互，通过通信链路控制飞机飞行)。

1.2 应用优势

较之卫星遥感和传统人工测量手段，无人机测绘技术具有灵活、高效、快速、准确、低成本的特点，其具有以下优势：

(1)安全风险低。无人机通过地面遥控便可以采集高危区域影像数据，可以到达人工无法到达的地方，降低安全风险。

(2)部署灵活机动。无人机重量小，飞行方式多样，对场地环境要求不高。

(3)效费比高。利用无人机低空摄影测量技术可有效减少人工野外测量工作量，节约人工费用，且生产效率高。

(4)获得高清影像。通过搭载不同传感器，设置不同航高，可以获得不同级别空间分辨率的影像数据，甚至可达厘米级。

(5)经济实用。使用成本低，操作简单，维护方便。

2 行业应用需求

2.1 数据需求

自然资源的一体化管理和国土空间的统一管控成为当前自然资源主管部门工作的重要组成部分，而构建自然资源和规划一体化数据体系也必然成为工作重点。2018年自然资源部提出相关业务系统要由二维系统变成三维系统，解决自然资源调查、确权和国土空间用途管控等问题，这对数据的精度表现形式、完整性提出了更高要求。无人机倾斜摄影测量数据产品主要包括数字正射影像(DOM)、数字表面模型(DSM)、数字线划图(DLG)及实景三维产品，另外无人机还可以搭载多种传感器，生成高分辨率、高光谱遥感数据及雷达遥感数据，丰富了数据产品，可极大满足自然资源管理和日常生产中的数据需求。

2.2 业务需求

在矿山资源管理过程中，无人机三维实景建模，可以对矿山储量、地质环境进行实时、动态、有效的监测；在地质灾害日常管理中，无人机可深入徒步难以到达的地区开展调查与监测工作，险情发生时，无人机一方面可将最新、最前沿的情况通过多媒体传输，便于应急指挥，另一方面通过应急测绘，将真实、客观的数据及时传输，便于应急决策。无人机灵活、机动性特点可满足多种自然资源管理业务的要求。

3 无人机技术典型应用

3.1 作业流程

不同的研究方向和生产目的，对数据类型和格式的要求是不同的，利用无人机测绘技术，通过外业数据的采集和内业数据处理，最终生产出的数据产品主要有4D数据成果、实景三维模型以及各种影像数据。正是无人机测绘技术获取数据方便、高效、灵活等特点使其能够快速高效地获得丰富的数据成果。无人机测绘的作业一般流程如图1所示：

图1 无人机作业一般流程图Figure 1.General flow chart of UAV operation

3.2 典型应用案例

针对无人机在自然资源行业中的应用，国内学者已做了许多研究和典型应用。

土地资源应用方面：张久龙等[2]经过实地数据的采集比对，验证了应用无人机航测技术最终生产的DOM数据能够达到1∶500的成图精度。许辉熙等[3]利用无人机测绘技术实现土地快速详查。杨晓红[4]以安徽省芜湖县为例，采用无人机测绘快速获取影像数据，生成丰富多样的成果数据。研究表明，应用无人机航测遥感能快速准确采集数据，通过后期融合及数据处理，为国土监测执法部门提供品种丰富的成果数据，在提高监管效率、减少监管成本方面展现出巨大的比较优势。

矿产资源应用方面：王宁娜等[5]通过无人机航测技术建立具备真实纹理的矿山三维模型，客观有效地反映矿山地质环境治理情况及治理效果，为矿山地质环境保护与恢复治理日常监测提供技术支撑。杨青山等[6]应用无人机技术实现对露天开采矿山储量动态监测，实时、准确掌握矿山资源储量变化情况及原因，为矿山开采设计、采掘计划的编制及生产管理提供必要的资料，促进矿山资源储量的有效保护和合理利用。

森林资源应用方面：张园等[7]将无人机遥感测绘技术用于森林资源调查；韦雪花[8]利用无人机遥感影像数据对冠幅、树高、林分密度等森林参数进行了提取，都取得了较完美的效果。

草原资源应用方面：张顺等[9]利用低空无人机遥感影像，结合实地调查，开展草原灌丛遥感辨识方法研究，实现了草原灌丛的准确提取；韩东等[10]结合无人机监测平台和机器学习算法，建立的平台可应用于各种类型生态系统植被类型划分、监测和评估。

湿地资源应用方面：井然等[11]利用无人机SFM数据，通过构建模型，成功预测了水植物生物量的精度。

水资源应用方面：秦慧杰等[12]对无人机影像进行多尺度分割，运用波段融合技术、对水体进行分类提取，反演水体变化特征，大大减少了水体监测人员工作量，提高水体监测效率；李鑫等[13]以无人机航拍获取的可见光影像为数据源，成功应用于小面积水域中蓝藻的分类及提取，且数据质量稳定，精度较高。

海洋资源应用方面：谭金石等[14]结合无人机技术，提出并证明了海岛礁监测的数据获取和处理的监测技术的适用性，为全面海岛礁监测的实施提供了参考。

此外，无人机还被广泛应用于农业植保与监测[15～16]、水利BIM[17]等领域中，取得了较为丰硕的成果。

3.3 实际应用验证

笔者通过利用基于千寻位置服务的无人机完成对安徽省灵璧县磬云山国家地质公园的航测与建模处理(图2)，并实测验证了成图精度，成果满足基础信息成果1∶500、1∶1000、1∶2000（CHT 9008-2010）相关标准要求，证明了数据成果具有较高的可信度和应用价值。

图3 徽州区篁村地质灾害隐患点正射图Figure 3.Orthophotograph of spots of geohazard risks in Huang Village，Huizhou District

图4 肥西县地质灾害隐患点应急撤离路线图Figure 4.Emergency evacuation route map of potential geological hazards in Feixi County

此外，笔者还多次利用无人机参与地质灾害排查与应急项目。图3所示正射图（DOM）较直接反映了地质灾害隐患点周围环境，为专家评估地质灾害危险等级提供辅助资料；图4较直观显示了逃跑撤离路线（红色箭头），可为应急处置提供参考。

4 结论与展望

随着我国经济的快速发展，无论是从事自然资源的管理部门，或是生产部门，如何实现高效智能化管理，低成本运作，在国民经济发展中一直有着迫切需求。随着无人机技术、计算机软件技术以及人工智能技术的不断发展，利用无人机技术开展自然资源管理，理论基础扎实，实践经验成熟，数据成果丰富，比较优势突出，应用前景将会更加广泛。

图2 磬云山国家地质公园DOM与DSM预览图Figure 2.DOM and DSM preview of the Qingyunshan National Geopark