無人機遙測技術在水土保持監(jiān)管中的應用

松遼水利委員會 松遼流域水土保持監(jiān)測中心站

(吉林 長春 130021)

無人機遙測技術在水土保持監(jiān)管中的應用

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(吉林 長春 130021)

水土保持；監(jiān)督管理；無人機；遙測；生產建設項目；動態(tài)監(jiān)測；松遼流域

從松遼流域水土保持監(jiān)督管理需求出發(fā)，在分析現(xiàn)有監(jiān)管技術手段的基礎上，提出了更為快捷、全面、準確的成果數(shù)據(jù)獲取方式，即無人機遙測技術，并廣泛應用于松遼流域大中型生產建設項目及國家級水土流失動態(tài)監(jiān)測項目中，成果種類豐富，數(shù)據(jù)內容可靠。列舉了各類項目的監(jiān)管指標、過程及效果。無人機遙測技術的應用為松遼流域水土保持監(jiān)督管理工作提供了技術支持，提高了水土保持監(jiān)管信息化水平。

水土保持監(jiān)督管理是從防治水土流失、保護水土資源的可持續(xù)發(fā)展、維系良好生態(tài)環(huán)境的角度出發(fā)，采取調查、監(jiān)測和評估等多種技術手段，對水土流失發(fā)生環(huán)境、發(fā)展態(tài)勢、危害強度和水土保持防治效果等開展的綜合評價與管理。通過水土保持監(jiān)管，摸清水土流失類型、強度與分布特征、危害及其影響情況、發(fā)生發(fā)展規(guī)律、動態(tài)變化趨勢，對水土流失綜合治理和生態(tài)建設宏觀決策，以及科學、合理、系統(tǒng)地布設各項水土保持措施具有重要指導意義。隨著國家經濟建設步伐加快，生產建設項目、農業(yè)開發(fā)等人為擾動不斷增加所帶來的水土流失危害、生態(tài)環(huán)境破壞程度日趨嚴重，給水土保持監(jiān)管提出了更高的要求。我國水土保持監(jiān)管在理論研究與實際工作中積累了多年的經驗，但目前的監(jiān)管技術方法外業(yè)工作周期過長、獲取數(shù)據(jù)不全面、數(shù)據(jù)成果時效性較低，無法滿足未來監(jiān)管工作自動化、快速化和信息化需求。近年來松遼流域在水土保持監(jiān)管新技術、新方法等方面進行了積極的探索，通過實踐發(fā)現(xiàn)，無人機設備結合遙測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)能夠大幅提高水土保持監(jiān)管數(shù)據(jù)的空間和時間精度，減輕外業(yè)調查工作強度，可有效地支撐今后的水土保持監(jiān)管工作。

1 無人機遙測系統(tǒng)優(yōu)勢

近年來水土保持相關科學技術蓬勃發(fā)展，測量設備、相機等基礎設備性能不斷提高，遙測數(shù)據(jù)的時空分辨率提高，使得水土保持監(jiān)管技術方法逐步完善，基于衛(wèi)星影像的遙感調查成為實地調查和地面觀測的有效補充。但衛(wèi)星遙感影像的獲取受到衛(wèi)星運行軌道的限制，無法在第一時間獲取所需影像，同時又受到天氣因素影響，特別是森林預防保護區(qū)和高海拔山區(qū)終年多云多霧，導致衛(wèi)星遙感成果影像優(yōu)品率不高。而無人機在獲取影像方面具有獨特優(yōu)勢：無人機遙測設備應用方式靈活，無需大面積起降場地；無人機攜帶方便，操作簡單、安全可靠，連續(xù)作業(yè)能力強；無人機飛行高度普遍低于云層高度，可拍攝高重疊率、高精度、大比例尺影像，在局部信息獲取方面存在巨大優(yōu)勢。運用無人機開展水土保持監(jiān)督管理工作，在系統(tǒng)專業(yè)技術軟件支持下，監(jiān)管數(shù)據(jù)能夠全自動、快速、高精度處理，實現(xiàn)航拍影像的快速拼接，精確生成正射影像、地形數(shù)據(jù)和三維點云模型，獲取水土保持監(jiān)管相關指標成果。

1.1 自動化處理

無人機遙測系統(tǒng)實現(xiàn)了影像獲取、數(shù)據(jù)處理全過程自動化，并且精度更高。該系統(tǒng)的自動化功能可讀取航拍影像EXIF信息參數(shù)，如相機型號、焦距、像主點等，同時識別相機鏡頭的徑向畸變差系數(shù)和切向畸變差系數(shù)，對航拍影像的畸變進行自動校正，為輸出高精度成果打下基礎。該系統(tǒng)無需任何飛行姿態(tài)信息，只需要航拍影像的地面GPS信息，即可進行全自動處理使飛機操控員能夠直接處理和查看結果，把原始航拍影像變成任何專業(yè)的GIS和RS軟件都能讀取的DOM和DEM數(shù)據(jù)。通過提供ArcGIS、ERDAS、SocetSet等可讀的輸出文件，能夠與攝影測量軟件進行無縫集成。

1.2 成果全面

(1)無人機遙測系統(tǒng)能自動生成Google瓦片。自動將DOM進行切片，生成PNG瓦片文件和KML文件，直接用Google Earth即可瀏覽成果。

(2)自動生成帶有紋理信息的三維模型，方便進行三維景觀制作。與傳統(tǒng)三維建模方式相比，無人機遙測系統(tǒng)的介入無論在成果輸出速度，還是數(shù)據(jù)準確性方面都具備了相當大的優(yōu)勢。

(3)生成正射校正及鑲嵌結果。生成所有影像的正射校正結果，并自動鑲嵌及勻色，將測區(qū)內所有數(shù)據(jù)拼接成一個大的影像，糾正了所有視角的扭曲，與衛(wèi)星遙感影像無差別。

(3)生成數(shù)字表面模型DSM。DSM影像的每個像素都有坐標和高度值，可以用標準的GIS軟件精確地測量體積、坡度和距離，也可以生成等高線。

1.3 厘米級高空間分辨率

無人機遙測系統(tǒng)采用高級自動空三算法計算原始影像的真實位置和參數(shù)，完全基于影像的內容，利用系統(tǒng)的獨特優(yōu)化技術和區(qū)域網(wǎng)平差技術自動校準影像，標準格式的輸出使得攝影、測量工作流程完美地整合起來。系統(tǒng)在處理過程中不需要任何GCP，因為它可以根據(jù)無人機自帶的GPS估算地理位置，如果需要更高的絕對定位精度，利用其直觀便攜的界面即可快速添加控制點，參與空三計算，使結果達到厘米級精度，等高線比例尺可達1 ∶200。

1.4 快速反應

無人機遙測系統(tǒng)具有快速處理模式，數(shù)分鐘內即可預覽到正射鑲嵌結果和DEM結果。同時快速處理模式僅需要較低的硬件配置，在大部分的筆記本電腦上即可運行。

2 無人機遙測技術

2.1 遙測數(shù)據(jù)獲取

(1)飛行軌跡設計。在實地踏勘的基礎上，以區(qū)域遙感影像等數(shù)據(jù)為輔助，掌握區(qū)域總體地形地貌、土地利用等基本情況，設計飛行航跡。重點設置飛行起降點、飛行高度、影像分辨率、影像重疊率和飛行架次。

(2)地面像控點信息采集。在監(jiān)測區(qū)域內運用差分GPS獲取5～7個明顯標志物(以在遙測影像上易分辨、在整個區(qū)域內均勻分布為準)的經緯度和高程信息。該地面像控點的建立主要用于提高航拍影像后期處理結果的精度。

(3)遙測影像信息獲取。對無人機遙測數(shù)據(jù)進行篩選，選擇拍攝清晰和信息豐富的影像，刪除重復影像，調整影像使顏色及亮度均勻。

2.2 遙測數(shù)據(jù)數(shù)字化

(1)數(shù)據(jù)初始化處理。①影像拼接融合。首先，進行幾何糾正，主要是針對數(shù)碼相機鏡頭非線性畸變的糾正和針對成像時由于飛行器姿態(tài)變化引起的圖像旋轉和投影變形的糾正。其次，進行基于圖像特征的自動配準，是指對圖像間的匹配信息進行提取，在提取出的信息中尋找最佳的匹配，完成圖像間的對齊。采用基于特征的方法利用圖像的內部特征進行配準，其基本步驟包括特征提取、特征匹配和運動模型參數(shù)求解。用于匹配的特征主要有灰度特征、邊緣特征和點特征，其中點特征匹配在圖像拼接領域取得了很大成功，使全自動圖像拼接成為現(xiàn)實，目前使用最廣。最后，進行圖像融合，是指在配準后對圖像進行縫合并平滑邊界，讓圖像過渡自然。幾何糾正、圖形配準融合后可獲得區(qū)域融合影像。②空中三角測量。利用測區(qū)多幅影像連接點的影像坐標和少量的已知影像坐標及其物方空間坐標的地面控制點，通過平差計算，求解連接點的物方空間坐標與影像的外方位元素。相對定向主要是通過軟件自動匹配技術提取相鄰兩張像片同名定向點的影像坐標，并輸出各原始影像的像點坐標文件。利用野外實測GPS像控點成果，對影像進行絕對定向，生成輸出平差后的定向點三維坐標。利用上述平差后的定向點三維坐標文件構建不規(guī)則三角網(wǎng)，設置格網(wǎng)間距，通過高程點內插，生成DSM。

(2)點云加密。采用上述步驟獲得的空間三維點云是稀疏的，還需對其進行稠密化。通過準稠密化擴散算法，可以在一定精度內獲得稠密的三維點云結果。

(3)數(shù)字表面模型和正射影像生成。通過以上步驟內部運算及初始化處理，基于加密后的點云集合，成果數(shù)據(jù)最終生成DSM和正射影像。

2.3 指標信息獲取

基于正射影像和DSM數(shù)據(jù)可獲取目標的長度、面積、體積等信息，以及進行影像解譯分析。①將預處理的多幅無人機影像導入數(shù)據(jù)處理軟件進行幾何校正、拼接、融合后獲取全景影像，通過空中三角測量功能生成區(qū)域DEM、DOM正射影像，同時基于DEM和軟件內部的點云差值算法加密點云后生成三維地形圖。②基于ArcGIS空間分析形成直觀影像，獲取項目建設擾動地表面積、挖填方數(shù)量、水土保持措施數(shù)量和防護面積等相關數(shù)據(jù)，快速評價項目區(qū)水土流失量及水土保持措施實施情況。無人機遙測技術流程見圖1。

3 無人機遙測技術應用

3.1 生產建設項目水土保持監(jiān)管應用

加強生產建設項目水土保持監(jiān)管力度，可有效預防和控制水土流失，對規(guī)范城鄉(xiāng)基礎設施建設、土地利用開發(fā)項目等落實水土保持責任具有重要意義。松遼流域開展水土保持相關的技術支撐工作經驗豐富，監(jiān)管流域在建大中型生產建設項目共計115個，涉及水利、農林開發(fā)、煤炭、電力、石油天然氣、采礦及生產、公路、鐵路、民航、水運、城建、社會服務等。自無人機遙測系統(tǒng)引入松遼流域水土保持監(jiān)督管理以來，共開展27個生產建設項目的監(jiān)管工作，在無人機應用方面積累了豐富的應用經驗和翔實的成果數(shù)據(jù)。

圖1 無人機遙測技術流程

3.1.1 監(jiān)管指標

基于ArcGIS空間分析功能，通過無人機遙測成果數(shù)據(jù)可獲取項目建設占地面積、擾動地表面積和挖填方數(shù)量；棄渣場棄渣堆置后微地形地貌、地面組成物質及其結構變化；植被類型及覆蓋度，水土保持設施、措施數(shù)量；棄渣場、路塹坡面、路基邊坡等防治責任范圍內的水土流失面積、流失量，滑坡、崩塌等發(fā)生的數(shù)量，以及對周邊和下游地區(qū)造成的危害。

根據(jù)上述基礎指標數(shù)據(jù)可進一步計算分析已實施的水土保持措施的防治效果，包括土壤流失控制比、攔渣率；項目建設區(qū)水土流失總治理度、擾動土地整治率、林草植被恢復率、林草覆蓋率。同時根據(jù)需要實時監(jiān)控大中型生產建設項目水土保持措施落實情況，發(fā)現(xiàn)水土流失情況，快速獲取數(shù)據(jù)，形成直觀影像，為監(jiān)督管理提供第一手資料。遠期目標是定期巡查重點建設項目，調查水土保持面積、措施等相關數(shù)據(jù)，形成階段影音資料，構建水土保持監(jiān)管多媒體數(shù)據(jù)庫，同時應對突發(fā)情況，及時派出調查組，收集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，分析多源數(shù)據(jù)，預報變化趨勢，提出應對措施等。

松遼流域已應用無人機完成項目驗收過程中水土保持六項指標的具體計算，涉及計算各分量共計10余類，包括水土保持措施面積、擾動地表面積、水土流失總面積、實際攔擋的棄土(石、渣)量與工程棄土(石、渣)總量和堆體體積等。

3.1.2 監(jiān)管過程及效果

近期，松遼流域大中型生產建設項目中鐵路項目監(jiān)督檢查及竣工驗收工作較多，無人機遙測系統(tǒng)在此類項目中的應用經驗豐富，監(jiān)管指標的成果數(shù)據(jù)更加翔實可靠。以某鐵路項目的水土保持監(jiān)測為例，通過無人機遙測技術手段完成現(xiàn)場情況摸底調查，開展水土保持防治責任范圍中項目建設區(qū)和直接影響區(qū)監(jiān)管指標的監(jiān)測，重點完成了項目臨時占地制梁場和棄渣場的無人機影像數(shù)值化，同時基于面積和堆體體積的遙測成果數(shù)據(jù)，提出整改意見。某鐵路項目制梁場情況調查結果見圖2。

圖2 某鐵路項目制梁場情況調查結果

在大中型生產建設項目監(jiān)管中運用無人機遙測系統(tǒng)，可對航測成果數(shù)據(jù)開展測量工作，為水土保持六項指標的測算提供本底數(shù)據(jù)。同時，可開展項目水保方案落實情況復核取證，全面掌控各監(jiān)測分區(qū)水土保持措施實施進度，為及早發(fā)現(xiàn)人為水土流失安全隱患、提出監(jiān)管整改意見奠定基礎。

3.2 國家級水土保持重點治理工程監(jiān)管應用

3.2.1 監(jiān)管應用范圍

2014年松遼流域國家級水土流失重點治理工程運用無人機遙測系統(tǒng)共完成了重點治理區(qū)監(jiān)管面積約5.53萬km2，涉及黑龍江省的龍江縣、拜泉縣、望奎縣、克東縣、蘭西縣、安達縣、賓縣、北安市，吉林省的梅河口市、柳河縣、梨樹縣，遼寧省的寬甸滿族自治縣，內蒙古自治區(qū)的扎蘭屯市。

3.2.2 監(jiān)管內容及指標

水土流失監(jiān)管內容為項目縣的土地利用、植被覆蓋度、水土保持措施和水土流失情況等。具體包括各級土地利用類型的面積與比例，各級植被覆蓋度的面積比例，水土流失強度、面積和分布，各類水土保持措施面積，以及水土流失重點治理項目區(qū)的位置、范圍。

3.2.3 監(jiān)管過程及效果

根據(jù)無人機遙測影像處理后生成的大比例地形數(shù)據(jù)，分析水土流失情況，建立數(shù)字小流域。對于難到達的土壤侵蝕野外調查單元和面積較大的重點治理區(qū)域，利用無人機遙測生成三維地形影像，解譯地塊土地利用和水土保持措施布設情況，彌補了傳統(tǒng)野外調查工作量大、量測困難的缺陷，與遙感影像監(jiān)測相比較，具有頻次高、精度高、可根據(jù)需要實時開展監(jiān)測等優(yōu)點，并可根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)實時發(fā)布水土流失綜合治理進度等，還可預測水土流失情況，為重點治理區(qū)防治提供決策依據(jù)。同時，成果數(shù)據(jù)能滿足管理部門對重點治理區(qū)治理情況數(shù)據(jù)的需求，根據(jù)要求實時開展監(jiān)測，可以隨時增加監(jiān)測頻次，利用階段監(jiān)測數(shù)據(jù)分析治理趨勢，實現(xiàn)動態(tài)管理目的。遠期目標可利用無人機遙測數(shù)據(jù)建立集治理工作動態(tài)、防治效果、治理建議等為一體的多媒體演示系統(tǒng)，根據(jù)管理需要，實時監(jiān)控治理項目進展情況，發(fā)布治理公報，為決策提供依據(jù)。

3.3 國家級水土保持重點預防工程監(jiān)管應用

3.3.1 監(jiān)管應用范圍

2014年松遼流域國家級重點預防區(qū)監(jiān)管面積約2.26萬km2，包括大興安嶺預防保護區(qū)內的內蒙古自治區(qū)扎蘭屯市、呼倫貝爾預防保護區(qū)的內蒙古自治區(qū)鄂溫克族自治旗和長白山預防保護區(qū)內的吉林省和龍市。

3.3.2 監(jiān)管內容及指標

主要內容包括土地利用、水土流失、生態(tài)環(huán)境、預防保護措施和預防保護效果等5個方面。具體包括各土地利用類型的面積比例，各級植被覆蓋的面積比例，林緣線長度和面積，各級土壤侵蝕的強度、面積與分布，水文站點年降水量、年徑流模數(shù)和年輸沙模數(shù)等。

3.3.3 監(jiān)管過程及效果

應用于預防保護區(qū)監(jiān)督管理，監(jiān)測區(qū)域土地利用、植被覆蓋度和土地坡度等數(shù)據(jù)，完成重點區(qū)域土壤侵蝕現(xiàn)狀調查。無人機設備可以遙測無法到達的預防保護區(qū)中心區(qū)域，采集航測影像和實時影音數(shù)據(jù)，通過人機交互解譯和空間分析，獲取預防保護區(qū)土地利用、植被覆蓋度等相關數(shù)據(jù)。對重點區(qū)域進行地形分析，實時掌握水土流失狀況。遠期目標可利用無人機遙測預防區(qū)情況，建立動態(tài)數(shù)據(jù)庫，發(fā)布預防保護區(qū)防護情況公報，為決策提供依據(jù)。

3.4 國家級水土保持動態(tài)監(jiān)測項目成果展示

3.4.1 解譯標志庫建立

利用無人機遙測成果數(shù)據(jù)進行目標解譯工作，并結合野外調查形成解譯標志，不同地物有各自影像特征，這些解譯標志的建立是判讀識別各種地物的依據(jù)，最終建立遙測影像解譯標志庫為土地利用及水保措施的解譯提供技術支持。

3.4.2 遙測數(shù)據(jù)可用實時數(shù)據(jù)集

無人機遙測數(shù)據(jù)處理軟件成果數(shù)據(jù)豐富，可根據(jù)融合后的正射影像及3D點云模型分析并生產高精度“.shp”格式的等高線地形圖、DSM、DTM數(shù)據(jù)等，以上成果數(shù)據(jù)是計算工程面積、體積、坡度的基礎，在水土保持動態(tài)監(jiān)測項目中繪制坡度坡向圖、立體透視圖、正射影像圖，進行土地利用現(xiàn)狀分析、合理規(guī)劃等，對松遼流域水土流失狀況的監(jiān)管具有決定性作用。以某重點治理區(qū)為例，遙測數(shù)據(jù)可用實時數(shù)據(jù)集見圖3。

圖3 某重點治理區(qū)遙測數(shù)據(jù)可用實時數(shù)據(jù)集

4 結 語

在松遼流域，無人機遙測技術已應用于生產建設項目水土保持監(jiān)管工作中，并取得了較好的效果。作為一種新的監(jiān)管手段，無人機遙測技術從航空影像獲取和后期影像處理來說，適用于小范圍內、高分辨率的遙測數(shù)據(jù)和影像資料的即時獲取，數(shù)據(jù)精度和直觀判斷均能滿足水土保持監(jiān)督管理需求，很好地彌補了傳統(tǒng)調查方法的缺陷。

隨著信息技術和通信技術的綜合應用、無人機遙測技術的發(fā)展，更加低廉的遙測設備和更為智能的數(shù)據(jù)處理方式將會應用到水土保持監(jiān)管當中，并實現(xiàn)無人機遙測數(shù)據(jù)與地面綜合存儲數(shù)據(jù)庫更加完美的結合，滿足監(jiān)管的實時、直觀需求和對數(shù)據(jù)準確性的要求，為水土保持監(jiān)管部門了解區(qū)域水土流失發(fā)展趨勢，制定有效和有針對性的治理對策提供技術保障。

(責任編輯 李楊楊)

S157；TP7

A

1000-0941(2015)09-0073-04

2015-08-01