低空無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在淤地壩水土資源監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

王彥武，周 波，馬 濤，田晉華，高雅玉

(甘肅省水土保持科學(xué)研究所，甘肅 蘭州 730020)

淤地壩作為黃土高原地區(qū)溝道治理的主要措施之一，發(fā)揮著阻控溝道侵蝕與攔沙淤地的重要作用。在氣候與下墊面變化耦合影響下，近年來(lái)黃土高原地區(qū)極端洪水事件頻發(fā)，水土下泄，影響了壩控區(qū)域水土資源的利用效率。受到自然條件和人類活動(dòng)的影響，壩控區(qū)域水土資源的量和面積處于動(dòng)態(tài)的變化過(guò)程中，并且淤地壩溝道地形破碎，水土流失嚴(yán)重，在水力侵蝕和重力侵蝕的作用下，溝道兩岸淹水區(qū)常年受暴雨山洪沖刷容易發(fā)生滑坡和崩塌，在溝道狹窄處易產(chǎn)生堰塞湖，對(duì)壩系的安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生不利影響，因此對(duì)壩控區(qū)域水土資源變化進(jìn)行及時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤監(jiān)測(cè)就顯得尤為重要。但是，采用傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法，受地形和積水的影響，不能及時(shí)、有效、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)新增滑坡體和水域面積，制約了壩系安全預(yù)警和管理維護(hù)的發(fā)展?？焖?、準(zhǔn)確、高效地監(jiān)測(cè)壩控區(qū)域水土資源動(dòng)態(tài)變化，成為淤地壩水土資源監(jiān)測(cè)亟待解決的問(wèn)題。低空無(wú)人機(jī)遙感是國(guó)家航空遙感監(jiān)測(cè)體系的重要補(bǔ)充，是航空遙感未來(lái)發(fā)展的方向。它能夠利用遙控飛行器、小型高分辨率數(shù)碼相機(jī)、遙感傳感器、無(wú)線通信技術(shù)、衛(wèi)星定位導(dǎo)航技術(shù)和遙感應(yīng)用技術(shù)實(shí)時(shí)對(duì)地觀測(cè)和快速獲取淤地壩壩控區(qū)域地面影像數(shù)據(jù)[1-2]。本研究以渭源縣橋子溝小流域水泉灣骨干壩壩控區(qū)為例，通過(guò)分析傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法中存在的問(wèn)題，探討如何利用低空無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)對(duì)壩控區(qū)域水土資源動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行快速監(jiān)測(cè)，希望能為相關(guān)部門(mén)淤地壩系安全管理工作提供技術(shù)支持[3]。

1 淤地壩水土資源監(jiān)測(cè)方法

1.1 傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法

傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法主要是利用人工手持GPS進(jìn)行實(shí)地丈量和地形圖實(shí)地調(diào)繪，對(duì)于面積小、地形規(guī)整的區(qū)域較為適用，但是對(duì)于淤地壩壩控區(qū)域面積大于0.5 km2且地形破碎、溝壑縱橫的區(qū)域，采用該方法會(huì)耗費(fèi)大量的人力、物力、財(cái)力[4]。受地形及壩控區(qū)積水的影響，尤其是對(duì)人工不能到達(dá)的區(qū)域，經(jīng)常采用對(duì)坡勾繪的方法進(jìn)行調(diào)繪或利用經(jīng)驗(yàn)估計(jì)，得出的數(shù)據(jù)通常帶有主觀性、片面性和隨機(jī)性，并且不能及時(shí)地反映壩控區(qū)域水土資源的動(dòng)態(tài)變化情況。

1.2 衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)方法

受搭載平臺(tái)及傳感器的限制，衛(wèi)星遙感方法在獲取小范圍監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)存在成本高、性價(jià)比低等問(wèn)題。同時(shí)，該方法受環(huán)境影響較大，有時(shí)效限制，對(duì)特定時(shí)間的遙感數(shù)據(jù)不能及時(shí)獲取，并且經(jīng)常被云層遮擋而無(wú)法獲取影像。此外，由于衛(wèi)星距離地面較遠(yuǎn)，遙感影像局限于正射影像的常規(guī)產(chǎn)品，且分辨率較低，精度較差，對(duì)淤地壩水土資源量的動(dòng)態(tài)變化不敏感，因此在獲取小流域的坡面治理動(dòng)態(tài)、溝道工程建設(shè)動(dòng)態(tài)、壩地利用情況及壩系安全監(jiān)測(cè)等方面的應(yīng)用存在較大局限性。

1.3 低空無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)方法

無(wú)人機(jī)遙感是近年來(lái)航測(cè)繪圖發(fā)展形成的新技術(shù)，其操作簡(jiǎn)單，外業(yè)飛行智能高效，基本不用人工干預(yù)，極大地節(jié)約了外業(yè)的人工成本。低空無(wú)人機(jī)體形小，維修保養(yǎng)簡(jiǎn)便，用戶可以自主管理。相比衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)，無(wú)人機(jī)可以超低空飛行，不受云層遮擋干擾，得到高分辨率影像的代價(jià)較小，當(dāng)成像效果不滿意時(shí)可以隨時(shí)進(jìn)行重復(fù)測(cè)量[5]。另外，低空無(wú)人機(jī)遙感對(duì)地形和地物的適應(yīng)能力強(qiáng)，可以得到多角度的實(shí)物影像和三維景觀模型。相比傳統(tǒng)的野外監(jiān)測(cè)方法，低空無(wú)人機(jī)遙感方法具有周期短、效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，它將大量的野外工作轉(zhuǎn)換為內(nèi)業(yè)工作，既能減輕外業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，又能提高數(shù)據(jù)成果的精度。低空無(wú)人機(jī)遙感測(cè)量能在小范圍內(nèi)快速獲取高質(zhì)量遙感影像，是淤地壩水土資源監(jiān)測(cè)體系中重要的技術(shù)手段。

2 低空無(wú)人機(jī)遙感在淤地壩水土資源監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

2.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本研究以渭源縣橋子溝小流域水泉灣骨干壩壩控區(qū)為監(jiān)測(cè)區(qū)域，測(cè)量范圍為溝道及溝道兩側(cè)坡面集水區(qū)域，面積約為0.8 km2。測(cè)區(qū)范圍內(nèi)地形復(fù)雜，但地物比較簡(jiǎn)單，如圖1所示。

圖1 測(cè)區(qū)范圍概況

2.2 無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)及遙感系統(tǒng)

本研究采用的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)是D1000 RTK飛馬智能航測(cè)系統(tǒng)。它采用旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)，支持正射、條帶、傾斜、環(huán)繞、全景等多種作業(yè)模式的專業(yè)航線設(shè)計(jì)與全自動(dòng)飛行控制功能，可隨時(shí)對(duì)目標(biāo)區(qū)域圖像進(jìn)行高頻率、多時(shí)相的掃描拍攝，并能全自動(dòng)地采集高分辨率原始數(shù)字圖像，且每條航帶上的數(shù)字圖像都具有GPS位置與飛行姿態(tài)信息，中小區(qū)域測(cè)圖的地面采樣間隔(GSD)可達(dá)到2 cm，能夠進(jìn)行自動(dòng)化數(shù)字圖像處理，并提供正射影像(DOM)、數(shù)字表面模型(DSM)、真正射影像(TDOM)、3D模型等多種測(cè)繪級(jí)別成果。旋翼平臺(tái)全自動(dòng)化設(shè)計(jì)，一鍵式操作，飛行安全、穩(wěn)定、可靠，測(cè)量結(jié)果滿足測(cè)繪級(jí)精度要求。其主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 D1000 RTK技術(shù)參數(shù)

無(wú)人機(jī)系統(tǒng)軟件包括外業(yè)操作控制軟件與數(shù)據(jù)后處理軟件。外業(yè)操作控制軟件可根據(jù)任務(wù)區(qū)域的地形起伏和影像要求實(shí)現(xiàn)飛行任務(wù)設(shè)計(jì)、飛行規(guī)劃、飛行操作與控制、可視化飛行監(jiān)控與狀態(tài)修改、飛行成果質(zhì)量檢查與分析，以保證全航程獲取數(shù)據(jù)的一致性，提高后期影像處理的可靠性。數(shù)據(jù)后處理軟件包括ContextCapture Center Master和SV360，使用ContextCapture Center Master軟件可以生成三維影像圖及二維正射影像圖，后續(xù)處理線劃使用SV360軟件，最終獲得各種成果數(shù)據(jù)，如DOM、數(shù)字高程模型(DEM)、DSM、數(shù)字線劃地圖(DLG)、KML格式數(shù)據(jù)、3D模型數(shù)據(jù)、等高線及點(diǎn)云數(shù)據(jù)等。使用SV360可以360°全方位旋轉(zhuǎn)視圖，等高線可以切割生成，并能直接在三維視圖中顯示高程點(diǎn)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方便。航飛影像處理軟件能夠完成無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)的正射空三和傾斜空三、自適應(yīng)特征點(diǎn)匹配、控制點(diǎn)量測(cè)、正射糾正、勻色鑲嵌、全像素高密度點(diǎn)云匹配、真正射、三維重建等處理，可在三維地球場(chǎng)景上加載目前通用的OSGB格式三維產(chǎn)品，并支持瀏覽、距離量測(cè)、面積量測(cè)、體積量測(cè)、模型加載等功能。

2.3 無(wú)人機(jī)遙感作業(yè)流程

無(wú)人機(jī)遙感作業(yè)的基本內(nèi)容包括：系統(tǒng)組件連接與安裝、飛行任務(wù)設(shè)計(jì)、外業(yè)數(shù)據(jù)采集(圖像數(shù)據(jù)與飛行軌跡數(shù)據(jù)獲取)、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理(圖像數(shù)據(jù)解算處理、成果數(shù)據(jù)提取)等。飛行前準(zhǔn)備工作完成后，通過(guò)地面控制平臺(tái)來(lái)制定飛行作業(yè)計(jì)劃，包括測(cè)區(qū)范圍、起飛降落位置、飛行航高、影像重疊率及風(fēng)向等參數(shù)的確定。系統(tǒng)中的飛行任務(wù)設(shè)計(jì)軟件根據(jù)上述參數(shù)可自動(dòng)設(shè)計(jì)出飛行航線及起飛降落的位置，然后利用無(wú)線通信模塊將飛行計(jì)劃上傳至自備的電子控制裝置中，通過(guò)無(wú)線通信模塊與電子控制裝置協(xié)同操縱飛行平臺(tái)來(lái)完成圖像數(shù)據(jù)采集。

2.3.1 資料的收集和準(zhǔn)備

測(cè)量前對(duì)所測(cè)區(qū)域的地形進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，確保滿足無(wú)人機(jī)低空測(cè)量條件，并掌握所測(cè)區(qū)域當(dāng)時(shí)的天氣情況；外出作業(yè)前首先檢查儀器是否正常運(yùn)行，檢查電池電量是否充足，材料設(shè)備配件是否齊全；確定測(cè)量坐標(biāo)系統(tǒng)為CGCS2000坐標(biāo)系統(tǒng)，并在現(xiàn)場(chǎng)布置控制點(diǎn)進(jìn)行無(wú)人機(jī)低空測(cè)量。

2.3.2 像控點(diǎn)布置

像控點(diǎn)布置選擇在航測(cè)照片清晰、附近較為空曠且有明顯標(biāo)志物的位置，對(duì)有遮擋或陰影等存在明顯高差的地點(diǎn)不宜布設(shè)像控點(diǎn)。壩控區(qū)域地形復(fù)雜，受淤地壩內(nèi)積水影響無(wú)法進(jìn)入布控像控點(diǎn)，故采用測(cè)區(qū)內(nèi)均勻布控像控點(diǎn)的方式進(jìn)行布置，對(duì)無(wú)人機(jī)測(cè)量的重疊測(cè)區(qū)通過(guò)添加連接點(diǎn)的方式來(lái)提高成圖精度。本次測(cè)量共布置像控點(diǎn)12個(gè)，對(duì)淤地壩壩體特定區(qū)域進(jìn)行特定像控點(diǎn)布控，進(jìn)一步提高了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精度。地面布置的像控點(diǎn)采用白色醒目的十字形或L形標(biāo)志，長(zhǎng)度為80～100 cm，寬度為12～20 cm，并在每一個(gè)像控點(diǎn)旁標(biāo)記點(diǎn)號(hào)。GNSS(Global Navigation Satellite System)采點(diǎn)時(shí)均以十字形中心點(diǎn)或L形內(nèi)角點(diǎn)作為像控點(diǎn)，像控點(diǎn)采用GNSS連接甘肅省測(cè)繪局CORS(Continuously Operating Reference Station)站進(jìn)行測(cè)量，水平殘差與垂直殘差均在2 cm以內(nèi)。

2.3.3 無(wú)人機(jī)測(cè)量

本次測(cè)量測(cè)區(qū)航向重疊度為80%，旁向重疊度為80%，所測(cè)區(qū)域海拔2 050～2 350 m，無(wú)人機(jī)飛行高度約為125 m，拍照時(shí)飛行速度為14 m/s，成圖比例尺大于1∶500。本次測(cè)量共采集相片1 000多張，每張照片都自帶有POS數(shù)據(jù)。受天氣和光線因素影響，測(cè)量中對(duì)相機(jī)的光圈和曝光度等參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，產(chǎn)生了不同亮度的照片，但對(duì)成果精度沒(méi)有影響。無(wú)人機(jī)拍攝精度較高，在淤地壩水土資源遙感監(jiān)測(cè)中采用正射拍攝方式的效果較好，中誤差可以控制在20 cm以內(nèi)，符合無(wú)人機(jī)測(cè)量后期數(shù)據(jù)處理的要求。

2.4 數(shù)據(jù)成果應(yīng)用

傳統(tǒng)淤地壩流域外業(yè)監(jiān)測(cè)多采用人工的方式進(jìn)行，監(jiān)測(cè)人員通過(guò)GPS實(shí)地丈量和地形圖實(shí)地調(diào)繪等方式對(duì)壩控區(qū)域溝道兩側(cè)的土地利用情況進(jìn)行測(cè)量，對(duì)壩控區(qū)的積水面積和水深通過(guò)乘坐橡皮艇的方式進(jìn)行人工測(cè)量。此種方法不僅效率低、成本高、耗時(shí)長(zhǎng)，還增加了監(jiān)測(cè)人員的風(fēng)險(xiǎn)。利用低空無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)淤地壩流域水土資源，可以充分發(fā)揮無(wú)人機(jī)攜帶方便、操作簡(jiǎn)單、反應(yīng)迅速、起飛降落對(duì)環(huán)境的要求低、自主飛行的特點(diǎn)，通過(guò)空中大范圍快速巡查，對(duì)所需監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行低空航拍，第一時(shí)間掌握淤地壩水土資源的現(xiàn)狀信息。通過(guò)航拍測(cè)繪和后期制作實(shí)現(xiàn)壩控區(qū)域影像的數(shù)字化，生成壩控區(qū)域的空間遙感信息和數(shù)字高程模型，不僅可以直接量取壩系坡面區(qū)域的面積變化，了解坡面治理及土地利用的動(dòng)態(tài)變化，還可以直接測(cè)量溝道水域面積的變化和溝道兩側(cè)滑坡體的體積大小，為分析壩地水土資源量及其來(lái)源提供數(shù)據(jù)支持，極大地提高了淤地壩流域水土資源的監(jiān)測(cè)效率和精度。

淤地壩溝道地形條件復(fù)雜，受短時(shí)強(qiáng)降雨和長(zhǎng)期的重力侵蝕影響，溝道兩岸極易發(fā)生滑坡和崩塌?；麦w體積和堰塞湖面積監(jiān)測(cè)對(duì)壩系的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的影響，但是受滑坡處惡劣地形條件限制，人員通常無(wú)法進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在這種情況下，利用無(wú)人機(jī)機(jī)動(dòng)快速、使用成本低、維護(hù)操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)無(wú)人機(jī)空中懸停實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)堰塞湖和周邊流域動(dòng)態(tài)信息，掌握堰塞湖的分布狀況與動(dòng)態(tài)變化等，之后地面工作站可根據(jù)無(wú)人機(jī)遙感影像直接量測(cè)出溝道堰塞湖的面積和堰塞體的體積。利用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)開(kāi)展的試驗(yàn)區(qū)某溝道堰塞湖水域面積測(cè)量和某溝道滑坡體體積量測(cè)影像見(jiàn)圖2、3。

圖2 某溝道堰塞湖水域面積測(cè)量

圖3 某溝道滑坡體體積測(cè)量