基于無人機遙感技術的崩崗快速調(diào)查方法

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(長江科學院 水土保持研究所，武漢　430010)

1　研究進展

崩崗是我國南方紅壤地區(qū)特有的一種土壤侵蝕現(xiàn)象。在《中國水利百科全書》中，崩崗的定義為“在水力和重力的綜合作用下，山坡土體受破壞而崩塌和沖刷的侵蝕現(xiàn)象”[1]。崩崗的顯著特點就是侵蝕量大、爆發(fā)性強，并且發(fā)展速度快、突發(fā)性強[2]。崩崗在南方紅壤地區(qū)分布非常廣泛，主要涉及廣東、廣西、湖南、江西、湖北、安徽、福建7省(自治區(qū))的70個地(市)、362個縣(市、區(qū))，總面積48.34萬km2，約占我國國土面積的5.0%，涉及人口1.62億，約占我國總?cè)丝诘?2.8%[3]。

崩崗調(diào)查，是崩崗防治的關鍵環(huán)節(jié)之一，需要周期性重復，傳統(tǒng)調(diào)查方法所需人力、物力和時間成本都非常高，在一定程度上限制了該工作的廣泛開展。近年來，遙感與攝影測量技術已經(jīng)廣泛應用于地形地貌信息的采集。尤其是無人機技術的飛速發(fā)展，這種高分辨率信息采集技術已經(jīng)越來越多地應用于水土保持行業(yè)，逐漸成為水土保持方案編制和監(jiān)測等工作的重要手段，同時也為崩崗防治的探索提供了一種新的解決思路。

本文在分析總結(jié)傳統(tǒng)崩崗調(diào)查方法的基礎上，提出一種基于無人機遙感技術的崩崗快速調(diào)查方法，再通過3組崩崗調(diào)查實驗驗證本方法的可行性和高效性，最后討論本方法的適用條件和局限性。

2　崩崗測量方法分析

2.1　傳統(tǒng)崩崗測量方法

崩崗的形態(tài)大小各異，面積最小的可能只有幾十平方米，最大的可能高達數(shù)十萬平方米[4]。崩崗崩壁高度一般為1～8 m，也有>15 m的。當前，對崩崗進行調(diào)查的主要方法有人工調(diào)查法、插樁法、實時差分定位(RTK)測量法、三維激光掃描法、航片解譯監(jiān)測法5種。

其中人工調(diào)查法是最為簡單但有效的方法。此方法是在大比例尺地形圖上現(xiàn)場勾繪崩崗和崩崗群的位置與形態(tài)，并調(diào)查崩崗所發(fā)生的位置、面積、形態(tài)及發(fā)育程度等信息[5]。但此方法周期長、人力物力消耗大、成本高，測量數(shù)據(jù)準確度不高、全面性還有待驗證。

插樁法[6]是一組采用測量技術量測土壤侵蝕(或沉積)的方法，主要包括侵蝕針、測平儀、土壤發(fā)生和樹根出露等方法。以侵蝕針法為例，為了測量崩崗中溝頭、溝壁的發(fā)育速率，將侵蝕針固定在溝頭和溝壁的附近，分別定期監(jiān)測溝頭和溝壁到侵蝕針的距離，從而估算出溝頭和溝壁的侵蝕速率。但這些技術受人為因素、客觀條件限制，所采集的數(shù)據(jù)在空間和時間維度上都是離散不連續(xù)的，而且其典型性和完整性也無法保證。

差分全球定位系數(shù)(GPS)是當前最為常用的監(jiān)測方法，其定位量測精度可達到厘米級。杜贇等[7]利用CORS-RTK測量技術采集了崩崗基本形態(tài)、后退量以及坡度等信息，再通過GIS空間分析方法對比不同時刻的采集數(shù)據(jù)獲得該時段崩崗侵蝕的變化量。但實現(xiàn)操作中外業(yè)人員需逐點測量，再加上崩崗地形陡峭，作業(yè)危險性大，有些關鍵點無法獲取，不適合大范圍的崩崗監(jiān)測。

2.2　崩崗測量新方法

三維激光掃描儀是1990年后出現(xiàn)的一種高精度測繪設備。與傳統(tǒng)測量技術相比，三維激光掃描儀的工作效率和精度都有大幅提升，最高掃描精度可達2 mm，非常適用于對小區(qū)域進行高精度數(shù)字高程模型(DEM)采集[8]。劉希林等[9-10]使用三維激光掃描儀進行了一系列崩崗侵蝕的定位監(jiān)測，對所采集的點云數(shù)據(jù)進行了深入的崩崗侵蝕時空分析。但三維激光掃描儀存在掃描面積小，且容易因地形地物遮擋，出現(xiàn)信息黑洞的問題，對崩崗頂部或側(cè)面的采集效果不太理想。

航片解譯監(jiān)測法[11]是通過立體衛(wèi)星遙感影像進行攝影測量分析，三維重建生成DEM，再通過相減計算得出兩時刻的DEM之差，獲得該時段發(fā)生的侵蝕量。該方法雖然高效、簡便、易于周期監(jiān)測，但是當前民用衛(wèi)星影像的水平分辨率最高是0.41 m(GeoEye-1)，三維重建后高程精度誤差至少在5 m以上。對于發(fā)育緩慢、形態(tài)上變化小的崩崗，如每年溝頭前進速度只有幾十厘米的，航片解譯監(jiān)測法就無法滿足崩崗測量對于空間尺度的需求。

綜上所述，上述傳統(tǒng)崩崗調(diào)查方法，在空間(時間)分辨率、監(jiān)測范圍、效率、成本等方面各有不足。無人機航拍可在短時間內(nèi)獲得大范圍厘米級的地表影像，并通過攝影測量技術完成三維重建，可以將大部分外業(yè)測量工作轉(zhuǎn)化到室內(nèi)，極大地降低了作業(yè)成本。本文將嘗試采用無人機遙感技術結(jié)合人機交互判讀進行崩崗調(diào)查工作，為崩崗調(diào)查提供了一種新的思路。

3　基于無人機遙感技術的崩崗調(diào)查方法

3.1　基本原理

根據(jù)早期崩崗調(diào)查項目資料、相關文獻及標準，崩崗作為一種嚴重的水土流失侵蝕地貌，調(diào)查主要以其整體和各組成部分的長度、坡度、面積、體積等一系列可量測的空間信息內(nèi)容為主，如崩崗發(fā)生的位置、類型、形態(tài)特征、崩崗面積、影響崩崗發(fā)育的諸因素等。而其他非空間信息調(diào)查內(nèi)容，如崩崗危害和防治現(xiàn)狀等，則通過從相關部門和當?shù)卣占嚓P統(tǒng)計資料和工作報告填寫。

基于無人機遙感技術的崩崗調(diào)查方法的關鍵步驟是對指定區(qū)域的崩崗進行規(guī)劃航線的無人機航拍，再將所采集的影像通過攝影測量學中的空中三角測量和測量平差方法解算出空間點云，進而三維重建出該崩崗地貌，生成數(shù)字正射影像圖(DOM)、數(shù)字表面模型(DSM)和三維模型，最后模型量測和人機交互判讀完成崩崗調(diào)查表(圖1)。

圖1　基于無人機遙感技術的崩崗快速調(diào)查步驟Fig.1　Steps of rapid investigation on slope collapse byunmanned aerial vehicle remote sensing

本方法的優(yōu)勢是將野外的崩崗地貌通過無人機遙感技術和攝影測量學方法轉(zhuǎn)化為虛擬的三維模型數(shù)據(jù)，將野外繁重的測量工作轉(zhuǎn)移到室內(nèi)使用計算機軟件測量完成。

3.2　適用范圍

本方法采用無人機航拍，安全飛行和拍攝效果是兩大關鍵問題。限制條件主要包括軍事設施范圍和機場不得飛行，降雨、降雪、雷電、起霧、大風等惡劣天氣不得飛行。

本方法不適用于崩壁過于陡峭狹窄的、植被非常茂盛的和已是平衡趨穩(wěn)期、植被恢復很好的崩崗。

3.3　技術要點

3.3.1控制點布設

利用無人機記錄的GPS信息可以完成三維重建計算，但由于無人機GPS定位誤差高達10 m級以上，虛擬三維模型的絕對精度將不會太高，但相對精度還比較高。如果為了提高三維重建精度，可適當布設一定數(shù)量的高精度控制點，將其作為空中三角測量和測量平差的基礎數(shù)據(jù)。如果精度要求不高，或野外條件不允許，可不布設控制點。

3.3.2影像重疊度和航拍高度設定

影像重疊度和航拍高度也是直接影響三維模型精度的因素。影像重疊度越高，模型精度和三維效果越好。其中，航向重疊度只與快門曝光間隔有關，不影響航線范圍，建議可以設置為75%及以上。旁向重疊度，將影響2條相鄰航線的距離和整條航線的航拍范圍面積，建議航向重疊度不低于60%即可。航拍高度決定影像的空間分辨率，應該根據(jù)任務要求和無人機相機參數(shù)綜合確定。

3.3.3三維模型重建

利用無人機影像拼接建模軟件，首先基于影像的GPS信息形成粗略的影像空間陣列，并將控制點導入標繪到每張影像，然后搜索與匹配影像中同名像點，平差解算精確的外方位元素，接著利用空中三角測量和測量平差生成空間密集點云數(shù)據(jù)，構建不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)表達崩崗地形，最后通過點云的顏色生成紋理重建崩崗模型。本過程中控制點標繪精度要高，處理過程中的精度選擇最好選擇“高”。

3.3.4人機交互判讀與模型量測

對于崩崗地貌定性方面的調(diào)查內(nèi)容，如崩崗類型、發(fā)育情況等，可直接通過目視判讀崩崗三維模型完成。而對于定量測量方面的調(diào)查內(nèi)容，如崩崗面積、崩塌量、匯水面積、主溝長度等，就得通過計算機軟件在三維空間里對崩崗進行量測或使用從三維模型導出的DOM或DSM進行勾繪再計算統(tǒng)計獲得。

3.4　方法步驟

3.4.1航線制定

針對崩崗調(diào)查任務，首先收集所在區(qū)域的高分辨率衛(wèi)星遙感影像或直接從谷歌地球查看需調(diào)查崩崗或航拍區(qū)域的大概地形地貌及交通情況，預設航線范圍、航拍高度、飛行起降點等。然后，在無人機地面站軟件或者航線規(guī)劃APP里，設計并保存制定的航線。最后，查看天氣預報，選擇合適的天氣，確定具體航拍時間。

3.4.2設備準備

設備包括硬件和軟件2類。其中，硬件設備包括無人機、IPAD、GPS RTK或手持高精度GPS、高配置筆記本工作站等。軟件包括Dji GO、航線規(guī)劃APP Altizure、無人機影像拼接軟件Agisoft Photoscan、ArcGIS等。在航拍出發(fā)前，適當?shù)卣{(diào)試硬軟件，確保硬件設備電量充足，存儲空間足夠，軟件使用正常。

3.4.3外業(yè)航拍

在確定的航拍范圍內(nèi)或附近，現(xiàn)場選擇視野開闊的無人機飛行起降點，特別要注意樹木和山體遮擋、高壓線、水域等情況。避免在雨、雪、霧、雷電等惡劣天氣作業(yè)。打開無人機地面站軟件或者航線規(guī)劃APP中的預設航線，調(diào)整參數(shù)，確定實際飛機航線。安裝調(diào)試好無人機硬軟件后，執(zhí)行全自動航線拍攝任務，并隨時注意無人機位置和狀態(tài)，直到整個飛行任務結(jié)束。同時，根據(jù)精度要求，在航拍范圍以內(nèi)采集一定數(shù)據(jù)的控制點，一般不得少于4個。

3.4.4數(shù)據(jù)處理

①將航拍影像和控制點整理歸類，再按拼接區(qū)域?qū)霟o人機影像拼接軟件Photoscan進行處理。自動拼接前，需手動在航拍影像上標注控制點，以提高拼接建模精度；②形成照片陣列，對齊照片，自動搜索和匹配照片中的同名像點，同時估算出每張照片拍攝時的姿態(tài)，并對相機參數(shù)進行校正；③基于估測出的相機位置和照片，通過空中三角測量，建立照片像素密集點云；④基于密集點云，重建三角網(wǎng)，并生成紋理，還原崩崗地貌模型。對此虛擬三維模型可導出DSM和DOM。

3.4.5計算坡度和對象勾繪

利用ArcGIS軟件將崩崗范圍內(nèi)DSM進行坡度計算，生成坡度圖。

對DOM中崩崗區(qū)域進行矢量化，用線狀符號勾繪出各條切溝和主溝道的長和寬，用多邊形勾繪出崩崗區(qū)域、匯水區(qū)域、沖積扇區(qū)域以及植被。

3.4.6人機交互判讀填寫表格

根據(jù)前面處理得到的坡度圖、勾繪出的各類對象以及虛擬三維模型，可人機交互綜合解譯，判讀出崩崗形態(tài)、崩崗類型，估算出崩崗面積、崩塌量、匯水面積、沖積扇面積等信息，完成崩崗調(diào)查表的填寫。

4　案例分析

本文以通城縣大坪鄉(xiāng)坪山村的3處崩崗為例，驗證本方法的可行性和有效性，該崩崗大致位于113°48′E，29°18′N附近。

4.1　研究區(qū)概況

通城縣地處湖北省東南端，湘、鄂、贛交界部位，114°E，29°10′N附近。地形為北面開闊，東、西、南環(huán)山，屬于丘陵盆地。通城縣位于北半球中緯度,屬亞熱帶季風氣候，四季分明，氣候溫和，雨量充沛。年平均氣溫15.5 ～16.7 ℃，無霜期為258 d，年平均降水量為1 450～1 600 mm。通城縣區(qū)域土壤大多為花崗巖母質(zhì)發(fā)育的紅壤，土壤結(jié)構松散，水土流失情況嚴重，特別是崩崗侵蝕廣泛。

4.2　工作過程

內(nèi)業(yè)準備工作花費3 d，主要收集崩崗危害和防治現(xiàn)狀等相關資料，根據(jù)崩崗調(diào)查范圍在谷歌地球上查看的地形地貌，計劃行程路線，并在航線規(guī)劃APP Altizure上選擇航拍區(qū)域、預設航線及相關參數(shù)，調(diào)試軟硬件設備完成充電工作等等。

野外航拍工作耗時1 d，時間為2016年9月6日，天氣晴朗。本次實驗使用四旋翼無人機——大疆精靈3 Pro。大疆精靈3 Pro質(zhì)量小、攜帶方便，單兵作戰(zhàn)能力強，故采用該設備獨自一人便可開展野外作業(yè)。

為保證飛行安全，綜合考慮影像精度和航拍覆蓋范圍，3個架次航線均設計為長500 m左右，寬200 m左右，飛行高度150 m左右，來回2次航向重疊率70%，旁向重疊率60%，航拍參數(shù)與成果信息如表1所示。航拍影像為4 000×3 000 px，帶GPS信息。通過Photoscan v1.2.6拼接和重建花費3 d，生成的DOM、DSM和三維模型等數(shù)據(jù)成果如表2所示。其中，匯水面積范圍標記在DOM上，主溝位置標記在三維模型上。

利用Photoscan的DOM、DSM和三維模型查看和量測功能，可人機交互式放大、縮小和旋轉(zhuǎn)，從任意角度和尺度直接觀察崩崗對象，并對長度、面積和體積等信息進行測量，完成表3的填寫。

表1　航拍參數(shù)與成果信息Table 1　Parameters and results of aerial photography

表2　數(shù)據(jù)處理成果Table 2　Data processing results

表3　崩崗調(diào)查成果Table 3　Results of slope collapse investigation

4.3　分析討論

通過上面3組實驗處理獲得了崩崗區(qū)域高精度的DOM、DSM和虛擬三維模型，通過人機交互式判讀可完成崩崗調(diào)查表中空間信息內(nèi)容的填寫，能夠滿足當前大部分資料中對崩崗調(diào)查的要求。

從帶紋理的三維虛擬模型判讀空間對象，就如同從上帝視角觀察看世界，不需要像解譯遙感平面影像一樣建立解譯標識庫，就可以非常直觀地進行判讀，甚至比在野外實地調(diào)查還要方便、簡單。

4.3.1信息量

通過DOM、DSM和虛擬三維模型，可以定量地量測出崩崗及各組成部分的長度、坡度、面積、體積等，也可以定性地判讀出崩崗發(fā)生的位置、類型、形態(tài)特征，提取調(diào)查所需的空間信息內(nèi)容。

4.3.2精度

從3組實驗可以看出，在航拍高度為150 m左右時，DOM精度可達7 cm左右，DSM精度可達14 cm左右，三維模型的精度可達7 cm左右，足以滿足崩崗調(diào)查數(shù)據(jù)量測精度的要求。

4.3.3效率

本方法對人員需求少，工作效率高。外業(yè)航拍時，大疆精靈3Pro質(zhì)量輕，一次可帶4塊電池，一個背包可裝整套設備，攜帶方便?？蓡伪袆?，效率高，野外實施一個架次航拍從準備到完成收拾設備不超過半小時。

4.3.4成本

傳統(tǒng)崩崗調(diào)查主要成本在于外業(yè)，包括儀器設備攜帶和運輸費用、調(diào)查人員的差旅費。本方法將大部分測量和判讀工作轉(zhuǎn)化到室內(nèi)，在計算機軟件上進行，外業(yè)只進行航拍獲得影像，極大地降低了成本，同時也避免了野外測量的危險性。

5　結(jié)論與展望

本文在分析總結(jié)傳統(tǒng)崩崗測量方法的基礎上，提出了一種基于無人機遙感技術的崩崗快速調(diào)查方法，通過3組崩崗調(diào)查實驗驗證本方法的可行性和高效性。與傳統(tǒng)崩崗調(diào)查方法相比，本方法在保證任務質(zhì)量和數(shù)據(jù)精度的情況下，能將大部分的外業(yè)測量和調(diào)查工作轉(zhuǎn)化到內(nèi)業(yè)完成，并只需要一個人去外業(yè)即可，且所需時間短，效率高，極大地降低了崩崗調(diào)查工作的成本，具有明顯的優(yōu)勢，值得推廣應用。

下一步工作將考慮機載激光雷達技術去除地面植被影像開展更深入的研究，并結(jié)合控制點進行崩崗形態(tài)變化監(jiān)測。

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