水土保持規(guī)劃中低空遙感數(shù)據(jù)的獲取及應(yīng)用

張養(yǎng)安, 宋曉強(qiáng), 段怡紅, 李俊鋒, 夏積德

(1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 陜西 楊凌 712100； 2.陜西省水土保持局， 陜西 西安 710004；3.國(guó)家測(cè)繪地理信息局測(cè)繪標(biāo)準(zhǔn)化研究所， 陜西 西安 710054； 4.陜西測(cè)繪地理信息局， 陜西 西安 710054)

水土保持規(guī)劃中低空遙感數(shù)據(jù)的獲取及應(yīng)用

張養(yǎng)安1, 宋曉強(qiáng)2, 段怡紅3, 李俊鋒4, 夏積德1

(1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 陜西 楊凌 712100； 2.陜西省水土保持局， 陜西 西安 710004；3.國(guó)家測(cè)繪地理信息局測(cè)繪標(biāo)準(zhǔn)化研究所， 陜西 西安 710054； 4.陜西測(cè)繪地理信息局， 陜西 西安 710054)

[目的] 為實(shí)現(xiàn)水土保持規(guī)劃設(shè)計(jì)的高精度、高效率及現(xiàn)時(shí)性要求，探求低空遙感技術(shù)在水土保持規(guī)劃設(shè)計(jì)中的應(yīng)用基礎(chǔ)和前景。[方法] 選取陜西省榆林市橫山區(qū)鮑家寺景區(qū)進(jìn)行低空遙感試驗(yàn)，通過建立數(shù)字高程模型(DEM)和數(shù)字正射模型(DOM)，從3個(gè)方面比較分析低空遙感數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)，并進(jìn)一步探索了低空遙感成果在水土保持規(guī)劃前期基礎(chǔ)信息獲取階段的基本應(yīng)用。[結(jié)果] 低空遙感不但具有靈活性好，時(shí)效性好，數(shù)據(jù)精度高等基礎(chǔ)優(yōu)點(diǎn)，而且借助其他地理信息系統(tǒng)軟件可方便、快捷提取地形現(xiàn)狀信息和水土保持治理現(xiàn)狀信息等水土保持規(guī)劃基礎(chǔ)資料，大大提高工作效率，能滿足水土保持規(guī)劃設(shè)計(jì)的要求。[結(jié)論] 低空遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用于水土保持規(guī)劃設(shè)計(jì)具備廣闊前景。

低空遙感; 水土保持規(guī)劃; 數(shù)字高程模型; 數(shù)字正射模型

水土保持規(guī)劃是水土保持綜合治理開發(fā)的總體部署和實(shí)施安排的工作計(jì)劃，它在防止水土流失，做好國(guó)土整治，合理開發(fā)和利用水土及生物資源，改善生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)農(nóng)林牧及經(jīng)濟(jì)發(fā)展等方面具有重要作用[1]。對(duì)于大面積的水土保持規(guī)劃，在自然條件方面應(yīng)收集規(guī)劃區(qū)地質(zhì)、地貌、氣象、土壤(地表組成物質(zhì))、植物等資料，這些基礎(chǔ)資料的精度和時(shí)效性直接決定了后期工作質(zhì)量和效果。依靠傳統(tǒng)人工作業(yè)和可公開獲取的影像數(shù)據(jù)都難以客觀全面地反映調(diào)查區(qū)域的基本情況和動(dòng)態(tài)變化[2-5]。而應(yīng)用低空遙感技術(shù)，進(jìn)行水土保持規(guī)劃工作，是一種既便捷又準(zhǔn)確的新技術(shù)手段，對(duì)于準(zhǔn)確掌握規(guī)劃區(qū)內(nèi)的自然條件，推進(jìn)水土保持規(guī)劃工作的定量化、精細(xì)化和信息化發(fā)展，具有重要引領(lǐng)作用[3-7]。

低空遙感技術(shù)是以無人機(jī)為空中平臺(tái)，通過搭載傳感器可快速獲取地理、資源、環(huán)境等空間遙感信息[4]，經(jīng)過計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理后，可結(jié)合具體區(qū)域特點(diǎn)及需求制作數(shù)據(jù)成果。隨著可搭載的數(shù)據(jù)化探測(cè)設(shè)備及新型傳感器的研發(fā)成功，低空無人機(jī)遙感技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域得到迅速拓展，與早期的衛(wèi)星遙感手段相比，低空無人機(jī)遙感技術(shù)很好地解決了衛(wèi)星影像固定時(shí)空分辨率影響監(jiān)測(cè)精度的問題，它在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究也全面展開，但在水土保持規(guī)劃設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用研究還處于起步階段[5-10]。筆者結(jié)合實(shí)際工作情況，選取陜西省榆林市橫山區(qū)鮑家寺景區(qū)進(jìn)行低空遙感的試驗(yàn)，通過建立數(shù)字高程模型(DEM)和數(shù)字正射模型(DOM)，進(jìn)一步探索其在水土保持規(guī)劃前期基礎(chǔ)資料獲取階段的基礎(chǔ)應(yīng)用，以期能夠?yàn)榇龠M(jìn)水土保持規(guī)劃設(shè)計(jì)工作的信息化進(jìn)程，改變傳統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)工作模式，提高效率與標(biāo)準(zhǔn)化水平提供技術(shù)支撐。

1 低空遙感影像數(shù)據(jù)的獲取

低空遙感影像基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取包括航線規(guī)劃、航測(cè)數(shù)據(jù)獲取與整理、數(shù)字高程模型(DEM)和數(shù)字正射模型(DOM)的制作3個(gè)步驟。

1.1 航線規(guī)劃

通過試驗(yàn)區(qū)踏勘，根據(jù)試驗(yàn)區(qū)范圍和精度要求規(guī)劃設(shè)計(jì)航線，包括飛行高度、角度、航向和旁向重疊度等，其主要航攝因子見表1，航線規(guī)劃圖見圖1。同時(shí)，為提高影像數(shù)據(jù)的精度還應(yīng)布設(shè)一定數(shù)量的像控點(diǎn)，其具體規(guī)格和要求可參考《1∶500，1∶1 000，1∶2 000地形圖航空攝影測(cè)量外業(yè)規(guī)范(GBT 7931-2008)》及《低空數(shù)字航空攝影測(cè)量外業(yè)規(guī)范(CHZ 3004-2010)》。

表1 低空遙感航攝因子相關(guān)參數(shù)

注：高點(diǎn)重疊度的最小航向Px為83.8%， 最小旁向Py為73%。

圖1 低空遙感航線設(shè)計(jì)

1.2航測(cè)數(shù)據(jù)獲取與整理

當(dāng)設(shè)備配置完畢后，即可根據(jù)設(shè)計(jì)好的飛行路線，實(shí)施無人機(jī)飛行和拍攝，獲取原始的遙感影像數(shù)據(jù)。獲取的原始影像資料應(yīng)包含航飛影像、航攝鑒定表、航帶結(jié)合表、航攝儀技術(shù)參數(shù)等[6-7]。經(jīng)過拼圖軟件可實(shí)現(xiàn)影像的拼接，再利用外業(yè)像控點(diǎn)控制成果，采用攝影測(cè)量解析法確定區(qū)域內(nèi)所有影像的外方位元素，實(shí)現(xiàn)空中三角網(wǎng)的加密結(jié)算，形成具有控制信息的遙感影像數(shù)據(jù)。

1.3數(shù)字高程模型(DEM)和數(shù)字正射模型(DOM)的生成

數(shù)字高程模型(DEM)的制作主要是根據(jù)空中三角網(wǎng)加密成果，建立立體模型，進(jìn)行影像自動(dòng)匹配，生成DEM，并對(duì)DEM進(jìn)行編輯[8]。同時(shí)還可根據(jù)空中三角網(wǎng)成果，創(chuàng)建立體模型，并進(jìn)行相對(duì)定向、絕對(duì)定向,并利用立體模型采集等高線、高程點(diǎn)、居民地、道路、水系、地貌等其它地形特征點(diǎn)、線。為了獲取更高精度的DEM數(shù)據(jù)，可利用等高線、高程點(diǎn)以及地形特征點(diǎn)、線來構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)，并利用構(gòu)建的不規(guī)則三角網(wǎng)，生成精細(xì)DEM數(shù)據(jù)。而數(shù)字正射模型(DOM)則是借助已建立的DEM和其他相關(guān)參數(shù)，利用相應(yīng)的構(gòu)像方程式，或按照一定的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行控制點(diǎn)解算，從原始非正射投影的數(shù)字影像獲取正射影像，再將經(jīng)過數(shù)字微分糾正的影像進(jìn)行勻光、鑲嵌、拼接、裁切等操作，生成符合要求的DOM數(shù)據(jù)。其基本流程可歸納為圖2模式。附圖9和圖3分別為2017年1月獲取的試驗(yàn)區(qū)DEM和DOM模型。

圖2 利用低空遙感數(shù)據(jù)制作DEM，DOM的流程

圖3 2017年1月低空遙感DOM(分辨率0.1 m)

2 低空遙感數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)分析

2.1DEM數(shù)據(jù)對(duì)比

目前，全球可公開獲取的DEM數(shù)據(jù)包括美國(guó)的GTOPO30，ASTER-GDEM，SRTM，GMTED 2010衛(wèi)星以及德國(guó)的DLR衛(wèi)星[11]。以下從3個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比分析兩者差異。

(1) 時(shí)效性。全球可公開獲取的DEM數(shù)據(jù)一般為2010年前獲取，后期只進(jìn)行局部修正，時(shí)效性較差；低空遙感可隨時(shí)進(jìn)行無人機(jī)航測(cè)及外業(yè)像控，制作獲取最新的DEM數(shù)據(jù)，相對(duì)而言，低空遙感獲取DEM的更新速度更快，時(shí)效性更好。

(2) 分辨率。全球可公開獲取的DEM數(shù)據(jù)分辨率最高只有30 m，無法細(xì)致刻畫黃土高原丘陵溝壑的地形起伏變化；低空遙感獲取的DEM數(shù)據(jù)分辨率高達(dá)1 m，地形起伏變化、地形地貌細(xì)節(jié)刻畫清晰，對(duì)現(xiàn)實(shí)地形反映逼真，地形分析數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)細(xì)致，能滿足水土保持規(guī)劃設(shè)計(jì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)分析需求。

(3) 高程精度。DEM高程精度直接決定了DOM的精度。全球可公開獲取的DEM數(shù)據(jù)中能覆蓋中國(guó)區(qū)域的高程精度一般在20 m以上，僅有的德國(guó)DLR數(shù)據(jù)高程精度為10 m[12]，但只覆蓋了中國(guó)約40%的國(guó)土范圍。本次試驗(yàn)區(qū)內(nèi)低空遙感獲取的DEM數(shù)據(jù)高程精度高達(dá)0.53 m，已經(jīng)達(dá)到了1∶1 000比例尺地形圖的高程精度要求，用其糾正的DOM數(shù)據(jù)精度也會(huì)隨之提高。因此，利用低空遙感獲取的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的地形分析，結(jié)果準(zhǔn)確性高，能滿足水土保持規(guī)劃設(shè)計(jì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)分析需求。

2.2 DOM數(shù)據(jù)對(duì)比

為對(duì)可公開獲取的DOM數(shù)據(jù)和低空遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，特下載了不同時(shí)期榆林市鮑家寺、定邊縣、橫山區(qū)、榆陽區(qū)、綏德縣的部分谷歌及其他來源衛(wèi)星影像，并從以下3個(gè)方面進(jìn)行了對(duì)比分析。

(1) 時(shí)效性。從更新時(shí)間來看，可公開獲取的DOM數(shù)據(jù)更新周期從2個(gè)月到3 a不等，一般情況下，靠近城市的地區(qū)更新周期相對(duì)較短，靠近郊區(qū)或山區(qū)的地方一般更新周期較長(zhǎng)，有些地方甚至多年沒有更新。低空遙感獲取的鮑家寺2.3 km2的影像數(shù)據(jù)從航拍到處理出成果只需7 d時(shí)間，且可隨時(shí)進(jìn)行無人機(jī)航測(cè)，更新速度快，周期短，效率高，不受天氣限制，靈活性高。

(2) 分辨率。可公開獲取的DOM數(shù)據(jù)最高分辨率只有0.6 m(《遙感影像公開使用管理規(guī)定》中明確公開使用的遙感影像地面分辨率不得低于0.5 m)，低空遙感影像數(shù)據(jù)分辨率高達(dá)0.1 m，對(duì)地物細(xì)節(jié)刻畫清晰明確，有利于準(zhǔn)確識(shí)別和判讀地物類別及劃定地物邊界，對(duì)不同時(shí)期地物變化的判讀也較為準(zhǔn)確、容易(如圖4所示)。

(3) 位置精度。選取試驗(yàn)區(qū)內(nèi)具有對(duì)比性的多個(gè)像控點(diǎn)進(jìn)行位置精度檢測(cè)對(duì)比。谷歌上下載的試驗(yàn)區(qū)影像偏移量中誤差約為1.75 mm，低空遙感獲取的試驗(yàn)區(qū)影像偏移量中誤差約為0.47 mm。可以看出，低空遙感獲取的試驗(yàn)區(qū)影像偏移量更小，能真實(shí)地反映地物的絕對(duì)位置。

201611谷歌下載(0.6 m) 201701低空遙感獲取(0.1 m)

圖4試驗(yàn)區(qū)兩種DOM數(shù)據(jù)分辨率比較

3 低空遙感在水土保持規(guī)劃中的應(yīng)用

通過上述分析，可以看出低空遙感DEM和DOM數(shù)據(jù)成果在時(shí)效性、分辨率和位置精度上都有巨大的優(yōu)勢(shì)，能夠滿足水土保持規(guī)劃的要求。通過DEM和DOM數(shù)據(jù)，可以很方便地提取到試驗(yàn)區(qū)內(nèi)的水土保持治理現(xiàn)狀信息。主要包括土地利用現(xiàn)狀、溝道現(xiàn)狀分布、圖斑采集及工程區(qū)域內(nèi)地形的坡度、坡向分布情況等。水土保持治理現(xiàn)狀信息的準(zhǔn)確性直接決定了后期水土保持規(guī)劃方案的合理性。

3.1 土地利用現(xiàn)狀信息獲取

根據(jù)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，借助ArcGIS軟件，采用目視解譯的方法，按照用地類型，可繪制試驗(yàn)區(qū)水保治理工程土地利用現(xiàn)狀圖(附圖10)，并可對(duì)不同類別現(xiàn)狀圖斑數(shù)量、面積及其所占比例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，為后期水土保持規(guī)劃提供了詳細(xì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

3.2 溝道現(xiàn)狀分布信息獲取

溝道分布圖能夠分析試驗(yàn)區(qū)的溝蝕強(qiáng)度，從而更準(zhǔn)確地了解試驗(yàn)區(qū)的水土流失現(xiàn)狀，為水土保持規(guī)劃提高支撐。在ArcGIS中加載DEM成果，借助其Spatial Analyst工具中的“水文分析”模塊，可提取試驗(yàn)區(qū)溝道現(xiàn)狀分布圖(圖5)。

圖5 利用低空遙感資料提取的試驗(yàn)區(qū)溝道現(xiàn)狀分布

3.3圖斑采集

依據(jù)DOM中不同像元的灰度值所反映出的地物光譜特性，綜合目標(biāo)物的大小、形狀、陰影、顏色、紋理、圖案、位置及周圍的系統(tǒng)進(jìn)行分析、比較和判斷，劃定范圍并賦相應(yīng)屬性，完成圖斑采集(圖6)。同時(shí)，為提高獲取圖斑的精度，可在DOM基礎(chǔ)上，疊加DEM，利用DEM包含的地形高程信息構(gòu)建三維場(chǎng)景，從而進(jìn)行地物判讀、劃定圖斑邊線并賦相應(yīng)屬性(圖7)。

圖6DOM圖斑采集圖7DOM疊加DEM圖斑采集

3.4坡度、坡向信息提取

坡度、坡向信息的提取主要依據(jù)DEM成果來完成。在ArcGIS軟件中，執(zhí)行3D Analyst工具下的坡度或坡向分析功能，設(shè)置坡度分級(jí)和陽坡、陰坡參數(shù)，可提取試驗(yàn)區(qū)內(nèi)的坡度分析結(jié)果(附圖11)和坡向分析結(jié)果(圖8)。

圖8 利用低空遙感數(shù)據(jù)完成的試驗(yàn)區(qū)地形坡向分析

4 結(jié) 論

通過分析低空遙感技術(shù)的基本特點(diǎn)，結(jié)合水土保持規(guī)劃的相關(guān)要求，選取特定試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行低空遙感數(shù)據(jù)的獲取。從3個(gè)方面比較分析了低空遙感數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)所在，探索了低空遙感成果在水土保持規(guī)劃前期基礎(chǔ)信息獲取階段的基礎(chǔ)應(yīng)用。試驗(yàn)結(jié)果表明，低空遙感不但具有靈活性好，時(shí)效性好，數(shù)據(jù)精度高等基礎(chǔ)優(yōu)點(diǎn)，而且借助其他地理信息系統(tǒng)軟件，可方便、快捷提取地形現(xiàn)狀信息和水土保持治理現(xiàn)狀信息，大大提高工作效率(實(shí)際試驗(yàn)約節(jié)省2/3時(shí)間)，更能滿足水土保持規(guī)劃設(shè)計(jì)的要求。低空遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用于水土保持規(guī)劃具備廣闊前景。

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AcquisitionandApplicationAnalysisofLowAltitudeRemoteSensingDatainSoilandWaterConservationPlanning

ZHANG Yangan1, SONG Xiaoqiang2, DUAN Yihong3, LI Junfeng4, XIA Jide1

(1.YanglingVocational&TechnicalCollege,Yangling,Shaanxi712100,China; 2.ShaanxiProvincialBureauofSoilandWaterConservation,Xi’an,Shaanxi710004,China; 3.InstituteofSurveyingandMappingStandardizationofStateBureauofSurveyingandMappingGeographicInformation,Xi’an,Shaanxi710054,China; 4.ShaanxiSurveyingandMappingGeographicInformationBureau,Xi’an,Shaanxi710054,China)

[Objective] To realize the conservation planning of the high precision and high efficiency and current requirements, and to explore the application of remote sensing technology in foundation and prospects in the planning and design of soil and water conservation. [Methods] The Baojia Temple scenic spot in Hengshan District of Yulin City, Shaanxi Province was chosen to carry out the low altitude remote sensing experiment. Through the establishment of digital elevation model (DEM) and digital orthophoto model (DOM), this paper analyzed comparative advantage between low altitude remote sensing data and other data, and further explored the basic application of low altitude remote sensing in soil and water conservation planning. [Results] By comparison and application analysis, low altitude remote sensing not only has the advantages of good flexibility, good timeliness, high data accuracy and other basic advantages, but also can easily and quickly extract the status quo information and soil and water conservation management information such as basic information of soil and water conservation planning by using other geographic information system software. It can improve work efficiency greatly, and meet the requirements of soil and water conservation planning. [Conclusion] The application of low altitude remote sensing data to soil and water conservation planning has broad prospects.

lowaltituderemotesensing;soilandwaterconservationplanning;DEM;DOM

A

1000-288X(2017)05-0338-04

S157, V279

文獻(xiàn)參數(shù)： 張養(yǎng)安, 宋曉強(qiáng), 段怡紅, 等.水土保持規(guī)劃中低空遙感數(shù)據(jù)的獲取及應(yīng)用[J].水土保持通報(bào)，2017,37(5)：338-341.

10.13961/j.cnki.stbctb.2017.05.057； Zhang Yangan， Song Xiaoqiang， Duan Yihong， et al. Acquisition and application analysis of low altitude remote sensing data in soil and water conservation planning[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(5)：338-341.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.05.057

2017-08-21

2017-09-24

陜西省2015年水土保持科研示范項(xiàng)目“低空遙感在水土保持規(guī)劃設(shè)計(jì)中的應(yīng)用”(1502)

張養(yǎng)安(1964—)，男(漢族)，陜西省商洛市人，學(xué)士，副教授，主要從事水土保持與工程測(cè)量教學(xué)及研究工作。E-mail:895903758@qq.com。