微型旋翼無人機在水蝕外業(yè)調(diào)查中的應(yīng)用

曾麥脈, 楊健新, 劉超群, 俞國松

(1.珠江水利委員會 珠江流域水土保持監(jiān)測中心站, 廣東 廣州 510611;2.珠江水利委員會 珠江水利科學(xué)研究院, 廣東 廣州 510611)

主要的水蝕評價方法可以分為3類，分別是抽樣調(diào)查、遙感調(diào)查、無縫隙網(wǎng)格估算[1]。中國主要采用抽樣調(diào)查和遙感調(diào)查的方法，截至2015年，中國開展了4次大規(guī)模的水土流失普查工作，其中，20世紀(jì)50年代開展的第一次普查采用的是人工調(diào)查的辦法，20世紀(jì)80年代開展的第2次普查和1999年開展的第3次普查采用的是遙感調(diào)查的方式[2]，2011年全國第一次水利普查中的水土流失普查采用的是抽樣調(diào)查結(jié)合土壤侵蝕方程模型定量計算的方法[3]。

各種水蝕評價方法都需要外業(yè)調(diào)查環(huán)節(jié)，以采集樣本或驗證數(shù)據(jù)。特別是在抽樣調(diào)查方法中，外業(yè)調(diào)查的任務(wù)尤為艱巨。一方面體現(xiàn)在工作量大，消耗時間長，另一方面體現(xiàn)在工作難度大，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度和精度難以控制。本文擬通過微型旋翼無人機及攝影測量技術(shù)的應(yīng)用，來改進(jìn)水蝕外業(yè)調(diào)查技術(shù)。

1 現(xiàn)有外業(yè)調(diào)查方法的不利因素

在水利普查工作中，水蝕野外調(diào)查單元的基本調(diào)查流程為：首先在內(nèi)業(yè)準(zhǔn)備調(diào)查底圖，打印出來；實地調(diào)查時根據(jù)GPS、地形等位置參考，勾繪地塊，填寫調(diào)查表格；回到內(nèi)業(yè)后重新清繪地塊邊界，掃描后再數(shù)字化錄入。

該外業(yè)調(diào)查工作存在2方面不利因素： ①工作量大，外業(yè)調(diào)查工作的效率難以提高。首先，由于調(diào)查單元的布設(shè)為抽樣平均分布，不考慮交通條件，很多情況下，調(diào)查單元的到達(dá)就需要很長時間，某些時候由于河流和地形的阻隔，雖然直線距離已經(jīng)很近，卻需要繞道很遠(yuǎn)的距離。然后，到達(dá)調(diào)查單元后，需要逐地塊進(jìn)行勾繪，這個過程耗費時間較長，特別是地塊破碎的平地區(qū)域。由于經(jīng)費的制約，野外調(diào)查單元布設(shè)的密度受限，對最終成果的精確性，形成了負(fù)面影響。 ②難以準(zhǔn)確勾繪地塊邊界。在現(xiàn)場勾繪的過程中，可以提供邊界參考的是地形圖和GPS位置。對于等高線稀疏的區(qū)域，地形圖的參考作用會大大削弱，而坡面峽谷區(qū)域，人員往往難以到達(dá)，無法用GPS位置確定邊界。從而使邊界勾繪的誤差難以控制和評估，進(jìn)而增加了最終成果的不確定性。

在抽樣調(diào)查方法中，使用調(diào)查單元的數(shù)據(jù)來推算區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)，所以調(diào)查單元調(diào)查的準(zhǔn)確性、布設(shè)的密度對結(jié)果的可靠性影響重大。當(dāng)前外業(yè)調(diào)查工作的模式，在工作量和準(zhǔn)確性方面都對項目的開展形成了制約性因素。外業(yè)調(diào)查環(huán)節(jié)的技術(shù)革新，將有效的促進(jìn)抽樣調(diào)查方法在水土流失評價中的應(yīng)用。

2 微型旋翼無人機外業(yè)調(diào)查方法

微型旋翼無人機產(chǎn)品和攝影測量技術(shù)的發(fā)展[4]，為外業(yè)調(diào)查技術(shù)的革新創(chuàng)造了條件。使用無人機在高空連續(xù)拍攝具有一定量重疊度的照片，覆蓋調(diào)查單元區(qū)域。利用攝影測量技術(shù)，得到三維模型，進(jìn)而得到正射影像和DEM數(shù)據(jù)[5-6]。利用無人機航拍獲得正射影像數(shù)據(jù)，本質(zhì)是將無人機航拍的照片處理成具有空間地理信息的影像數(shù)據(jù)等產(chǎn)品，其中的一項關(guān)鍵技術(shù)是空三解算，屬于航空攝影測量技術(shù)領(lǐng)域。在航測領(lǐng)域，為生產(chǎn)符合要求的產(chǎn)品，對相機內(nèi)方位元素、鏡頭畸變、飛行姿態(tài)相關(guān)的外方位元素、航線架構(gòu)、地面控制點布設(shè)等方面都有比較高的要求。而消費級的微型無人機，如大疆的精靈系列無人機，體積小、質(zhì)量輕、使用非量測相機、飛行高度低，雖然可以獲得比較高的分辨率，但是影像畸變和姿態(tài)角大、像幅小、基高比小，使之難以滿足傳統(tǒng)攝影測量空三解算規(guī)范要求。融合了計算機視覺相關(guān)技術(shù)成果的基于多視圖幾何的空三解算方法的出現(xiàn)，克服了傳統(tǒng)攝影測量對大傾角影像空三解算的局限性，使消費級的微型無人機在水蝕單元外業(yè)調(diào)查中的應(yīng)用成為了可能。

2.1 航測流程

利用微型旋翼無人機開展水蝕野外調(diào)查單元的外業(yè)調(diào)查工作，一項主要任務(wù)是利用無人機拍攝的照片，生產(chǎn)正射影像及三維模型等數(shù)據(jù)，其航攝工作流程包括任務(wù)規(guī)劃、數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理等3項。

2.1.1 任務(wù)規(guī)劃 根據(jù)所需成果影像的比例尺需求，逐一確定地面分辨率、無人機飛行高度、攝影基準(zhǔn)面、影像重疊率、攝影基線等內(nèi)容。

以DJI Phantom 3 Advance無人機系統(tǒng)為例，其搭載的航拍相機的傳感器為1/5.84 cm(1/2.3英寸)SONY EXMOR，f/2.8(20 mm等效焦距)，照片像素分辨率4 000×3 000，在200 m的高度時，所拍攝影像的空間分辨率優(yōu)于0.1 m，符合1∶1 000成圖比例尺對影像地面分辨率的要求[7]，可以滿足水蝕調(diào)查單元地塊劃分和信息提取的需要。微型旋翼無人機拍攝高度與拍攝范圍、分辨率等關(guān)系如表1所示。

表1 Phantom3 Advance無人機系統(tǒng)拍攝高度與分辨率關(guān)系

注：傳感器實際尺寸6.16 mm×4.62 mm； 轉(zhuǎn)化系數(shù)5.619； 數(shù)據(jù)為單張照片拍攝范圍。

攝影基準(zhǔn)面用于明確影像分辨率所對應(yīng)的平面，從而明確飛行高度相對于起飛點的相對航高。通常以測區(qū)的平均高程面作為攝影基準(zhǔn)面?？紤]到生產(chǎn)三維模型的需求，一般航向重疊率、旁向重疊率分別在80%和60%左右。攝影基線指相鄰兩曝光點相機中心的連線。攝影基線的長度可由確定的影像重疊率、航高和影像的像幅尺寸計算獲得，該項參數(shù)用于確定相機的拍照間隔?，F(xiàn)代的地面站軟件可以自動規(guī)劃航線并計算大部分的參數(shù)，用戶只需要設(shè)定拍攝區(qū)域、地面分辨率、航向與旁向重疊率等參數(shù)即可。

2.1.2 數(shù)據(jù)獲取 主要包括影像數(shù)據(jù)的獲取和地面控制點數(shù)據(jù)的獲取，影像數(shù)據(jù)獲取主要考慮天氣和起降場地的要求，然后將規(guī)劃好的航線數(shù)據(jù)傳輸至無人機飛控系統(tǒng)，起飛無人機獲取影像數(shù)據(jù)。之所以選擇旋翼無人機就是因為其對起降環(huán)境要求低，而微型旋翼無人機成本低，運輸使用方便，受空域監(jiān)管制約小，是適應(yīng)于本應(yīng)用的機型。

地面控制點用于控制成果位置精度。在傳統(tǒng)測繪行業(yè)中，往往需要大量的地面控制點來保障測繪精度等級。但是在利用無人機小區(qū)域航測數(shù)據(jù)基于多視圖幾何空三解算時，在算法原理上對構(gòu)網(wǎng)方式的穩(wěn)健性提供了一定程度的保障，根據(jù)李明慈[8]的試驗，在四周和中間布設(shè)5個平高控制點即可滿足1∶1 000的成圖比例尺對空三解算精度的要求。即便如此，測量地面控制點都是一項繁重的工作。考慮到調(diào)查的空間抽樣性，絕對定位精度的偏差對抽樣特性的影響不大，可以不布設(shè)地面控制點。必要的時候，可以用基準(zhǔn)影像進(jìn)行影像至影像的配準(zhǔn)[9]。

航拍的數(shù)據(jù)成果最少包括2項： ①按所需重疊率采集到的航拍照片; ②每個拍照點的GPS位置信息(照片EXIF文件中或獨立文件保存)。在設(shè)備支持的情況下，還可能有俯仰、橫滾、航向等外方位角數(shù)據(jù)。拍照點位置與角度數(shù)據(jù)的精確程度，對最終成果的位置精度起著重要作用。(例如極飛C 2000測繪微型旋翼無人機，集成了RTK，在無地面控制點的情況下，正射影像成果的位置精度可以達(dá)到分米級)。

2.1.3 數(shù)據(jù)處理 利用集成了多視圖幾何空三解算方法的軟件，對航拍的數(shù)據(jù)成果進(jìn)行自動化的處理，通過幾何處理、多視匹配、三角網(wǎng)(TIN)構(gòu)建、自動賦予紋理等步驟，生成三維模型、正射影像、DEM等數(shù)據(jù)成果。基于多視圖幾何的空三解算方法可以解決微型無人機影像相對定向中存在的姿態(tài)角過大的問題，在自檢校光束法平差環(huán)節(jié)可以推算出影像外方位元素、物方點坐標(biāo)和平差后的相機文件，所以對于消費級的微型旋翼無人機，即使航拍數(shù)據(jù)成果中沒有拍照點的外方位角數(shù)據(jù)，也沒有精確的相機鏡頭檢校數(shù)據(jù)，也可以推算出相關(guān)參數(shù)并生產(chǎn)最終成果。正是數(shù)據(jù)處理技術(shù)的進(jìn)步，使得微型旋翼無人機的行業(yè)泛測繪的應(yīng)用成為了可能。該類處理軟件有PhotoMesh，Context Capture(原Smart3 D)，Photoscan等。

2.2 水蝕調(diào)查單元無人機外業(yè)調(diào)查

結(jié)合水蝕調(diào)查單元信息采集需求，水蝕調(diào)查單元外業(yè)調(diào)查流程可分為調(diào)查區(qū)航測、特征照片航拍、數(shù)據(jù)處理、信息提取幾個部分。調(diào)查區(qū)航測的目的是生產(chǎn)正射影像圖以及輔助的三維實景模型數(shù)據(jù)，用于勾繪地塊、提取土地利用類型、植被覆蓋度、工程措施、部分生物措施與耕作措施等信息。以大疆無人機和平板端的地面站軟件系統(tǒng)為例，調(diào)查區(qū)航測以水蝕調(diào)查單元為航測區(qū)域，將調(diào)查單元邊界矢量文件導(dǎo)入地面站軟件，設(shè)置地面分辨率10 cm左右，航向重疊率80%，旁向重疊率60%，自動生成航線規(guī)劃(如圖1)，檢查測區(qū)內(nèi)的飛行安全條件，上傳航線，自動完成航線飛行與拍攝后返航。若中途電量不夠，自動返航更換電池后繼續(xù)完成后續(xù)航線。期間應(yīng)觀察圖傳實時影像，了解區(qū)域狀況，發(fā)現(xiàn)水保措施，明確需要開展特征照片航拍的區(qū)域。

圖1 地面站軟件導(dǎo)入調(diào)查單元邊界后自動規(guī)劃的航線示例

特征照片航拍的目的是對正射影像上難以準(zhǔn)確提取或者需要更精細(xì)細(xì)節(jié)的信息進(jìn)行補充拍攝，主要包括植物與作物種類、工程措施細(xì)節(jié)等。調(diào)查區(qū)航測任務(wù)完成后即可銜接開展特征照片航拍，在第一視角手動模式下，根據(jù)航測時對測區(qū)地物和措施的觀察，確定拍攝目標(biāo)，降低飛行高度，調(diào)整拍攝角度，近距離拍攝對象照片。

數(shù)據(jù)處理階段，首先利用無人機數(shù)據(jù)處理軟件，生成調(diào)查區(qū)正射影像和實景三維模型數(shù)據(jù)，將正射影像數(shù)據(jù)加載到GIS工具軟件，用于后續(xù)信息提取，三維模型數(shù)據(jù)用于輔助判斷坡面措施類型，如梯田。其次，將拍攝的特征照片導(dǎo)入到GIS工具軟件，以照片中的坐標(biāo)信息生成點狀要素，在正射影像上定位照片所在位置，可隨時點擊查看特征照片。

信息提取階段有2項任務(wù)：一是勾繪調(diào)查地塊，二是提取調(diào)查信息。根據(jù)0.1 m分辨率的正射影像，可以很容易的將空間上連續(xù)、土地利用類型相同、林(草)地郁閉度/蓋度相同、水土保持措施相同的地塊劃分出來(如圖2)。與現(xiàn)場勾繪相比，精確度和效率都有了質(zhì)的提升，并且可根據(jù)影像追溯質(zhì)量。調(diào)查信息的提取包括4個方面：土地利用、生物措施、工程措施和耕作措施。土地利用、生物措施的類型、灌草的蓋度、工程措施類型等可以在0.1 m分辨率的正射影像上結(jié)合三維實景模型目視解譯；林地的郁閉度和蓋度、工程措施質(zhì)量等需要結(jié)合特征照片觀察后明確；耕作措施在通過特征照片觀察作物種類后結(jié)合地域特征來判斷(表2)。

a 基于無人機影像的水蝕調(diào)查單元地塊勾繪示例 b 無人機影像放大后的細(xì)節(jié)圖

注：地塊編號1為灌木林地； 2為旱地； 3為其他林地； 5為其他草地； 8為交通運輸用地； 13為水田。

圖2基于無人機航測的水蝕野外調(diào)查單元地塊勾繪示例與影像細(xì)部圖

表2 水蝕調(diào)查單元屬性

當(dāng)使用微型旋翼無人機進(jìn)行外業(yè)調(diào)查時，外業(yè)調(diào)查工作的任務(wù)將得到簡化，一種典型的工作流程是：外業(yè)調(diào)查人員將調(diào)查單元邊界導(dǎo)入地面站軟件，依次到達(dá)調(diào)查單元附近后，操作無人機對調(diào)查單元進(jìn)行航測和特征照片航拍，整理和保存好照片成果。余下的數(shù)據(jù)處理和信息提取工作由內(nèi)業(yè)人員完成。傳統(tǒng)調(diào)查與無人機調(diào)查流程對比如圖3所示。

3 無人機外業(yè)調(diào)查方法的優(yōu)勢

在無人機水蝕調(diào)查單元外業(yè)調(diào)查的方法中，不再需要制作調(diào)查底圖、內(nèi)業(yè)清繪和整理錄入等工作，簡化了工作環(huán)節(jié)，減少了出錯概率，提高了工作效率。外業(yè)調(diào)查工作簡化為航拍，剝離了外業(yè)調(diào)查中的現(xiàn)場勾繪與信息調(diào)查等繁重任務(wù)，有效降低了外業(yè)工作量，降低了對外業(yè)調(diào)查人員的要求。此外，由于無人機活動范圍廣，很大程度上避免了無公路可走，爬山或繞路的時間消耗，更大程度的節(jié)省了時間。在全國水土流失動態(tài)監(jiān)測與公告項目實踐中，傳統(tǒng)方法一天只能調(diào)查2～3個調(diào)查單元，無人機調(diào)查方法一天可以調(diào)查4～10個調(diào)查單元。

圖3 傳統(tǒng)調(diào)查與無人機調(diào)查流程對比

除了效率提升之外，無人機外業(yè)調(diào)查的一項突出優(yōu)勢是數(shù)據(jù)質(zhì)量提升和可追溯。高空視角更容易觀察全局，相對于傳統(tǒng)現(xiàn)場勾繪的方法，以無人機航拍高分辨率影像為底圖的地塊劃分更加精準(zhǔn)，解決了難以準(zhǔn)確勾繪地塊邊界的問題。信息提取也更加準(zhǔn)確，并且影像數(shù)據(jù)可以隨時備查，及時修正。由此，在國家或省級層面，更多的內(nèi)業(yè)工作可以集中由專業(yè)機構(gòu)完成，更容易把控質(zhì)量。

在成本方面，以DJI Phantom3 Advance這款無人機為例，配備6塊電池和顯示設(shè)備后的全套價格不超過萬元，在飛行操縱方面足夠簡單，無需專業(yè)培訓(xùn)，上手即會，適合大范圍推廣應(yīng)用。

4 結(jié) 論

綜上所述，現(xiàn)有的微型旋翼無人機產(chǎn)品和攝影測量技術(shù)已經(jīng)可以滿足水土流失評價中水蝕外業(yè)調(diào)查工作的需求。與傳統(tǒng)外業(yè)調(diào)查方法相比，基于無人機的外業(yè)調(diào)查方法在以下各方面具有明顯優(yōu)勢：

(1) 簡化了工作流程，完全數(shù)字化的工作流程不再需要紙質(zhì)媒介的中間環(huán)節(jié)，提高了效率。

(2) 減輕了外業(yè)工作量，外業(yè)非常耗時的地塊勾繪工作被剝離，在室內(nèi)基于無人機高分辨率影像可以輕松完成。

(3) 延伸了信息采集工具的可到達(dá)范圍，人不再需要費時的到達(dá)調(diào)查單元區(qū)域內(nèi)。

(4) 保障了數(shù)據(jù)質(zhì)量，解決了現(xiàn)場難以準(zhǔn)確勾繪地塊邊界的問題，調(diào)查的信息有影像可追溯，質(zhì)量可控。由此可見，完善解決了傳統(tǒng)調(diào)查方法的兩大不利因素。

在全國第一次水利普查中，采用分層抽樣的方法，在全國范圍內(nèi)布設(shè)水蝕野外調(diào)查單元，開展了大量細(xì)致的外業(yè)調(diào)查工作，然后利用調(diào)查單元內(nèi)的計算結(jié)果，通過空間插值，來評估區(qū)域內(nèi)的水蝕情況，可見外業(yè)調(diào)查工作對區(qū)域水蝕評估的重要性。當(dāng)時全部依靠人員實地地塊調(diào)查，工作難度很大。水利部后續(xù)每年開展的全國水土保持動態(tài)監(jiān)測與公告項目中，在全國水土流失重點防治區(qū)選取抽樣縣，對其野外調(diào)查單元每年度進(jìn)行更新調(diào)查，基于無人機的調(diào)查方法得到了應(yīng)用，體現(xiàn)了其優(yōu)勢，而通過調(diào)查方式的改進(jìn)、成本的降低，將擴展抽樣調(diào)查在水土流失評價中的應(yīng)用范圍，對于評價方法的進(jìn)步和評價結(jié)果準(zhǔn)確性的提升，具有促進(jìn)作用。

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