無(wú)人機(jī)遙感數(shù)據(jù)處理模型的計(jì)算精度分析
——以引黃入冀補(bǔ)淀工程水土保持監(jiān)測(cè)為例

閻世煜， 王秀茹?， 王 霄， 韓曉亮

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，100083，北京; 2.河北省保定市一中577班，071000，河北保定)

生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)是準(zhǔn)確及時(shí)地反映項(xiàng)目區(qū)內(nèi)水土流失狀況的一項(xiàng)工作，對(duì)水土流失綜合治理以及科學(xué)合理地布設(shè)水土保持措施具有重要意義[1-2]。棄土場(chǎng)面積和棄土量的監(jiān)測(cè)是生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)工作中的重要內(nèi)容[3]。傳統(tǒng)方法基于全站儀或其他測(cè)量?jī)x器進(jìn)行面積測(cè)算，誤差約為5%[4]；使用等高線法進(jìn)行棄土量的計(jì)算，誤差約為6%[5]。無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)為棄土場(chǎng)監(jiān)測(cè)提供了新的技術(shù)手段[6]；但目前市場(chǎng)上有諸多無(wú)人機(jī)遙感數(shù)據(jù)處理軟件，基于這些軟件可以構(gòu)建不同的無(wú)人機(jī)遙感數(shù)據(jù)處理模型，其計(jì)算精度存在差異，并且建模和使用成本差別較大，因此有必要對(duì)模型的精度和實(shí)用性進(jìn)行比較分析，進(jìn)而為推薦適宜在生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目中推廣使用的模型提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

引黃入冀補(bǔ)淀工程的主輸水線路總長(zhǎng)482 km，自河南省濮陽(yáng)市渠村引黃閘引水，途經(jīng)河南省濮陽(yáng)市、河北省邯鄲市、邢臺(tái)市、衡水市、滄州市、保定市最終進(jìn)入白洋淀[7]。本研究選取河南省濮陽(yáng)市內(nèi)的5個(gè)平地棄土場(chǎng)為研究對(duì)象，棄土場(chǎng)的位置及輸水線路如圖1所示。

圖1 濮陽(yáng)市內(nèi)5個(gè)棄土場(chǎng)位置圖Fig.1 Location map of 5 disposal grounds in Puyang city

研究區(qū)位于華北平原，黃河下游北岸，地貌類(lèi)型為平原，氣候?qū)倥瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，年平均氣溫13.4 ℃，年均降水量626 mm。研究區(qū)內(nèi)土壤成土母質(zhì)主要是黃河沖積物，土壤可蝕性較高，屬于河南省水土流失重點(diǎn)預(yù)防區(qū)，土壤侵蝕類(lèi)型主要是水力侵蝕，容許土壤流失量為200 t/(km2·a)，土壤侵蝕強(qiáng)度屬微度。

2 材料與方法

2.1 獲取無(wú)人機(jī)遙感數(shù)據(jù)

本研究選取了渠首段1號(hào)棄土場(chǎng)，河南一標(biāo)段2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)棄土場(chǎng)，河南二標(biāo)段2號(hào)棄土場(chǎng)為研究對(duì)象，并依次編號(hào)為1、2、3、4和5棄土場(chǎng)，它們位置相近、自然條件基本相同，并且在棄土前均為平地。無(wú)人機(jī)為大疆精靈4，搭載FC330鏡頭，符合《無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)技術(shù)要求》中的相關(guān)規(guī)定。

依據(jù)航空攝影技術(shù)規(guī)范：航向重疊度不低于53%，一般應(yīng)為60%～65%；旁向重疊度不低于13%，一般要求為30%～35%。本研究中設(shè)置航高為100 m，航向重疊度為80%，旁向重疊度為40%，采用“Z”字型航線，拍攝正攝影像，得到分辨率為5 472×3 078的無(wú)人機(jī)遙感數(shù)據(jù)。

如圖2所示，采用光盤(pán)作為標(biāo)記，在每個(gè)棄土場(chǎng)布設(shè)控制點(diǎn)和檢查點(diǎn)。

使用差分式GPS采集地面控制點(diǎn)和檢查點(diǎn)的經(jīng)緯度及高程數(shù)據(jù)，控制點(diǎn)精度符合《低空數(shù)字航空攝影測(cè)量外業(yè)規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定。航圖獲取情況見(jiàn)表1。

圖2 棄土場(chǎng)上的控制點(diǎn)和檢查點(diǎn)Fig.2 Control point and checkpoint on the disposal ground

表1 航圖獲取情況Tab.1 Acquisition of aeronautical chart

2.2 構(gòu)建數(shù)據(jù)處理模型

2.2.1 理論基礎(chǔ) 本研究在試用和篩選多種相關(guān)軟件后，采用PhotoScan和Pix4D對(duì)無(wú)人機(jī)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，得到棄土場(chǎng)的DOM和DSM影像，采用Global Mapper、LocaSpaceViewer和Context Capture對(duì)DOM和DSM影像進(jìn)行提取信息，得到棄土場(chǎng)的面積和棄土量[8]。軟件特點(diǎn)詳見(jiàn)表2。

2.2.2 模型構(gòu)建 基于以上理論基礎(chǔ)，構(gòu)建出Pho-Glo、 Pho-Loc、 Pho-Con、 Pix-Glo、 Pix-Loc和Pix-Con 6組數(shù)據(jù)處理模型[9]。構(gòu)建過(guò)程如圖3所示。

2.2.3 數(shù)據(jù)處理 將無(wú)人機(jī)航拍獲取的原始影像代入模型，在影像中找到控制點(diǎn)，輸入GPS記錄的控制點(diǎn)實(shí)際經(jīng)緯度及高程[10]，即可進(jìn)行初步處理，得到棄土場(chǎng)的DOM和DSM影像。將DOM影像和DSM影像疊加進(jìn)行信息提取，通過(guò)DOM影像判斷棄土場(chǎng)邊界并進(jìn)行勾畫(huà)，利用數(shù)據(jù)處理模型即可提取出每個(gè)棄土場(chǎng)的面積和棄土量。

2.3 精度分析

2.3.1 DOM影像精度分析 DOM影像是計(jì)算棄土場(chǎng)面積、棄土量時(shí)的背景參考影像，這里采用外業(yè)實(shí)際檢測(cè)的方法進(jìn)行精度分析[11]。在拼接成的DOM影像上找到檢查點(diǎn)，讀取、記錄它的經(jīng)緯度，作為其影像值，把GPS實(shí)測(cè)檢查點(diǎn)的經(jīng)緯度作為其實(shí)測(cè)值，代入以下公式進(jìn)行計(jì)算：

(1)

(2)

(3)

表2 軟件特點(diǎn)對(duì)比Tab.2 Comparison of the software characteristics

Pho-Glo model refers to UAV remote sensing data processed by PhotoScan and area and volume extracted by Global Mapper, Pix-Glo model correspondingly refers to Pix4D and Global Mapper, Pho-Loc model correspondingly refers to PhotoScan and LocaSpace Viewer, Pix-Loc model correspondingly refers to Pix4D and LocaSpace Viewer, Pho-Con model correspondingly refers to PhotoScan and Context Capture, Pix-Con model correspondingly refers to Pix4D and Context Capture. The same below.圖3 無(wú)人機(jī)遙感數(shù)據(jù)模型精度分析流程圖Fig.3 Framework of the accuracy analyses of UAV remote sensing data models

式中：Xi,Yi為檢查點(diǎn)影像坐標(biāo)，cm；Xi0,Yi0為檢查點(diǎn)的實(shí)測(cè)坐標(biāo)，cm；mx為X方向的精度，my為Y方向的精度，cm；mxy為影像的平面位置精度，cm；n為檢查點(diǎn)個(gè)數(shù)。

2.3.2 棄土場(chǎng)面積、棄土量計(jì)算精度分析 6組模型計(jì)算面積的原理都是通過(guò)地物的地理位置信息確定兩點(diǎn)之間的距離，再把需要量測(cè)的區(qū)域概化為多邊形來(lái)計(jì)算面積；計(jì)算棄土量的原理是基于DOM和DSM影像將棄土場(chǎng)的表面概化成三角形(圖4)。通過(guò)下式計(jì)算若干個(gè)三棱柱的體積(圖5)并求和，從而得到棄土量[12]，

Vi=Si(h1+h2+h3)/3；

(4)

(5)

(6)

式中：Vi為每個(gè)三棱柱的體積，m3；Si為棄土場(chǎng)被劃分成n個(gè)三棱柱后每個(gè)三棱柱的底面面積，m2；h1、h2和h3為三棱柱底面到各頂點(diǎn)的高，m；S0為棄土場(chǎng)的面積，m2；V0為棄土量，m3。

圖4 棄土場(chǎng)表面概化為三角形Fig.4 The surface of disposal ground is generalized to triangle

圖5 計(jì)算三棱柱體積示意圖Fig.5 Calculation of the tri-prism volume

在計(jì)算棄土量時(shí)，不同數(shù)據(jù)處理模型將棄土場(chǎng)劃分為三棱柱的密度不同，因此得到的結(jié)果也不同。本研究分別采用6組無(wú)人機(jī)遙感數(shù)據(jù)處理模型對(duì)5個(gè)棄土場(chǎng)的面積和棄土量進(jìn)行計(jì)算，以施工單位計(jì)量值為基準(zhǔn)值，分析每組模型計(jì)算結(jié)果的誤差，得出精度最高的模型。之后使用R語(yǔ)言進(jìn)行t值檢驗(yàn)，可進(jìn)一步分析得出構(gòu)建模型過(guò)程中使用的每個(gè)軟件精度情況。

3 結(jié)果分析

本次航拍5個(gè)棄土場(chǎng)得到的所有DOM影像精度達(dá)0.05 m，DSM影像精度達(dá)0.20 m，滿足無(wú)人機(jī)在水土保持監(jiān)測(cè)中應(yīng)用的要求，模型計(jì)算棄土場(chǎng)面積結(jié)果如表3所示，計(jì)算棄土場(chǎng)棄土量的結(jié)果如表4所示。

3.1 DOM、DSM影像精度分析

對(duì)比5個(gè)棄土場(chǎng)的DSM影像可以發(fā)現(xiàn)：2和5棄土場(chǎng)高程變化最小，棄土場(chǎng)內(nèi)高差僅為2 m，使用PhotoScan和Pix4D得到的影像也最接近；1、3和4棄土場(chǎng)高程變化大，不同軟件得到的DSM影像差別也大，說(shuō)明棄土場(chǎng)高程變化越大，使用不同軟件得到的DSM影像差別也越大。棄土場(chǎng)影像特征詳見(jiàn)表5。

采用外業(yè)實(shí)際檢測(cè)的方法對(duì)DOM影像進(jìn)行精度分析，計(jì)算各個(gè)DOM影像中3個(gè)檢查點(diǎn)的誤差均值如圖6所示，并計(jì)算所有DOM影像中檢查點(diǎn)誤差的箱線圖(圖7)。

從箱線圖中可以看出，Pix4D處理得到的DOM影像誤差低于PhotoScan產(chǎn)生的誤差，這一結(jié)果和柱狀圖中表現(xiàn)出的信息相吻合。

參考《1∶500 1∶1 000 1∶2 000 地形圖航空攝影測(cè)量數(shù)字化測(cè)圖規(guī)范》中的規(guī)定，在平地和丘陵地中，地物點(diǎn)的位置誤差不能超過(guò)0.6 m。計(jì)算每個(gè)棄土場(chǎng)中3個(gè)檢查點(diǎn)的誤差均值，并將其作為該棄土場(chǎng)的位置誤差?？梢钥闯?，PhotoScan和Pix4D處理得到的DOM影像精度均符合相關(guān)規(guī)范中的要求。

3.2 棄土場(chǎng)面積計(jì)算結(jié)果

基于表3的計(jì)算結(jié)果做出箱線圖如圖8所示。

計(jì)算棄土場(chǎng)面積精度最高的模型為Pix-Con，誤差為1.23%，精度最低的模型為Pho-Glo，誤差為5.57%；使用Pix4D進(jìn)行初步處理的模型誤差較小，并且誤差分布較為集中，計(jì)算結(jié)果較為穩(wěn)定;使用PhotoScan進(jìn)行初步處理的模型誤差較大，且分布較為離散，計(jì)算結(jié)果不穩(wěn)定。

基于R語(yǔ)言對(duì)誤差進(jìn)行t值檢驗(yàn)。針對(duì)初步處理時(shí)使用的PhotoScan和Pix4D 2款軟件產(chǎn)生的誤差進(jìn)行分析，經(jīng)計(jì)算得到，二者產(chǎn)生誤差的均值分別為1.82%和5.15%，并且2組數(shù)據(jù)差異顯著(P<0.05)；因此Pix4D軟件產(chǎn)生的誤差顯著低于PhotoScan產(chǎn)生的誤差。

同理，針對(duì)數(shù)據(jù)處理模型中用以提取信息的Global Mapper、 LocaSpace Viewer、 Context Capture 3款軟件產(chǎn)生的誤差進(jìn)行分析。計(jì)算得到三者產(chǎn)生的誤差均值分別為3.37%、4.05%和3.03%，對(duì)這3組數(shù)據(jù)兩兩進(jìn)行t值檢驗(yàn)，結(jié)果表明每2組數(shù)據(jù)之間差異均不顯著(P>0.05)，因此不能判定3種軟件在計(jì)算面積時(shí)精度有顯著不同。

3.3 棄土場(chǎng)棄土量計(jì)算結(jié)果

基于表4的計(jì)算結(jié)果做出箱線圖如圖9所示。

基于R語(yǔ)言對(duì)棄土量誤差進(jìn)行t值檢驗(yàn)，原理、過(guò)程同3.2，結(jié)果如下：PhotoScan和Pix4D產(chǎn)生的誤差分別為5.07%和8.03%，P<0.05，說(shuō)明用數(shù)據(jù)處理模型計(jì)算棄土量時(shí)，使用Pix4D的模型精度顯著高于使用PhotoScan的模型。Global Mapper、LocaSpace Viewer和Context Capture產(chǎn)生的誤差分別為7.4%、8.4%和3.86%，對(duì)3組數(shù)據(jù)兩兩進(jìn)行t值

表3 棄土場(chǎng)面積計(jì)算結(jié)果Tab.3 Calculated results of the disposal grounds’ areas

表4 棄土場(chǎng)棄土量計(jì)算結(jié)果Tab.4 Calculated results of the disposal grounds’ volumes

表5 棄土場(chǎng)影像特征Tab.5 Image characteristics of each disposal ground

圖6 檢查點(diǎn)誤差均值圖Fig.6 Map of mean error in checkpoints

圖7 檢查點(diǎn)誤差箱線圖Fig.7 Box plot of error in checkpoints

檢驗(yàn)，使用Global Mapper的模型和使用LocaSpace Viewer的模型計(jì)算棄土量的精度沒(méi)有顯著區(qū)別，使用Context Capture的模型計(jì)算棄土量的精度顯著高于其他模型。

4 討論

1)在計(jì)算面積時(shí)，使用Pix4D的模型精度顯著高于使用PhotoScan的模型；但是Global Mapper、 LocaSpace Viewer、 Context Capture三者提取信息的差別不顯著。這是因?yàn)檎`差主要來(lái)源于初步處理這一步驟，在獲取DOM和DSM影像后，提取面積的技術(shù)已經(jīng)較為成熟，因此提取信息時(shí)使用的3款軟件并沒(méi)有表現(xiàn)出顯著差異。

2)在計(jì)算棄土量時(shí)，使用Pix4D的模型精度顯著高于使用PhotoScan的模型，這是因?yàn)镻ix4D得到的影像精度較高、畸變較??；而Context Capture提取信息的精度也顯著高于Global Mapper和LocaSpace Viewer，這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)DSM影像計(jì)算棄土量的技術(shù)尚未足夠成熟，不同模型提取信息的差別顯著。

3)采用不同模型處理得到的1、3和4號(hào)棄土場(chǎng)DSM影像高程差別較大，但在這種差別下最終計(jì)算結(jié)果也較為準(zhǔn)確。這是因?yàn)闊o(wú)人機(jī)成像的特點(diǎn)是相對(duì)誤差較小、絕對(duì)誤差較大[13]，這種誤差相當(dāng)于棄土場(chǎng)整體在空間中傾斜，因此對(duì)棄土量計(jì)算結(jié)果影響較小。

4)PhotoScan對(duì)拍攝區(qū)域的水面處理更準(zhǔn)確，得到的DSM影像與實(shí)際情況更相符。

圖8 6組模型面積計(jì)算誤差對(duì)比Fig.8 Area calculation error by the 6 models

圖9 6組模型棄土量計(jì)算誤差對(duì)比Fig.9 Volume calculation error by the 6 models

5)由于本研究中采用單“Z”字型航線拍攝項(xiàng)目區(qū)，當(dāng)項(xiàng)目區(qū)內(nèi)高差較大時(shí)，主航線兩側(cè)高程將會(huì)呈現(xiàn)從一側(cè)向另一側(cè)逐漸增大或減小的趨勢(shì)，如果采用雙“Z”字型航線，即可消除這種誤差。

6)前人在2個(gè)棄土場(chǎng)基礎(chǔ)上，利用微分法估算棄土量，以施工單位計(jì)量值為參考值計(jì)算誤差，得到棄土量誤差分別為10%和7.5%[14]。本研究通過(guò)構(gòu)建無(wú)人機(jī)遙感數(shù)據(jù)處理模型，可以更準(zhǔn)確地計(jì)算棄土場(chǎng)的棄土量，控制誤差在3%左右。

7)由于棄土場(chǎng)的空間尺度較為特殊，介于坡面尺度和流域尺度之間，因此傳統(tǒng)的地面觀測(cè)不是監(jiān)測(cè)棄土場(chǎng)面積及棄土量的最佳方法。無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)相比于傳統(tǒng)地面監(jiān)測(cè)具有準(zhǔn)確、快捷、高效等優(yōu)勢(shì)，又能彌補(bǔ)傳統(tǒng)遙感監(jiān)測(cè)中高分影像成本過(guò)高且難以在第一時(shí)間獲取所需影像的缺陷[15-16]；因此，將無(wú)人機(jī)應(yīng)用在棄土場(chǎng)監(jiān)測(cè)中，可以快捷地獲取棄土場(chǎng)高精度的遙感數(shù)據(jù)[17-18]，進(jìn)而應(yīng)用數(shù)據(jù)處理模型，準(zhǔn)確地得到棄土場(chǎng)的面積、棄土量[19-20]。

5 結(jié)論

1)采用無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理模型計(jì)算棄土場(chǎng)的面積、棄土量時(shí)，Pix-Con模型的計(jì)算結(jié)果精度最高。

2)如實(shí)際工作中只需獲取項(xiàng)目區(qū)的DOM和DSM影像，則使用Pix4D得到的影像精度最高；但項(xiàng)目區(qū)內(nèi)如有坑塘等水域，使用PhotoScan得到的DOM和DSM影像精度最高。

3)如已經(jīng)獲取了項(xiàng)目區(qū)的DOM和DSM影像，只需計(jì)算棄土場(chǎng)的面積和棄土量，則使用Context Capture 得到的結(jié)果精度最高。

4)參考目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)價(jià)格，構(gòu)建文中的6組數(shù)據(jù)處理模型：Pho-Glo、 Pix-Glo、 Pho-Loc、 Pix- Loc、 Pho-Con和 Pix-Con，費(fèi)用分別為2.3萬(wàn)、8萬(wàn)、2.3萬(wàn)、8萬(wàn)、29.3萬(wàn)和35萬(wàn)元。Pix-Con模型雖然價(jià)格最高，但計(jì)算結(jié)果的精度也最高，并且其很多功能本研究并未使用，其應(yīng)用潛力較大；因此推薦該模型在生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目中推廣使用。