無人機低空遙測技術(shù)在水土保持監(jiān)測中的應(yīng)用研究

倪用鑫，呂錫芝，楊 二，鮑宏喆

(1.黃河水利委員會 黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州450003；2.河海大學(xué)，江蘇 南京 210098)

進入新世紀以來，水利部先后以水?！?009〕187號文、辦水?！?015〕139號文、水保監(jiān)便字〔2015〕72號文和水?！?016〕37號文要求對生產(chǎn)建設(shè)項目開展遙感監(jiān)測。隨著生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持“天地一體化”監(jiān)管的逐步推動，遙感監(jiān)測在生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測中的地位日益凸顯。利用無人機低空遙測技術(shù)對生產(chǎn)建設(shè)項目進行水土保持監(jiān)測，是實現(xiàn)項目區(qū)域水土流失防治的有效手段，很好地彌補了傳統(tǒng)監(jiān)測手段周期長、精度有限、受地形限制等不足[1]，同時滿足了生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測準確性、及時性和完整性的要求[2]，成為生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測新的技術(shù)手段。在上述研究背景下，本研究在前期調(diào)研的基礎(chǔ)上，利用無人機低空遙測技術(shù)對連霍高速公路洛陽至三門峽(豫陜界)段改擴建工程棄渣場項目進行水土保持監(jiān)測，分別引入Pix4Dmapper、PhotoScan和Pixel-Mosaic軟件對監(jiān)測影像進行處理，以獲取各項水土保持監(jiān)測指標，探討無人機低空遙測技術(shù)在水土保持監(jiān)測工作中的實際應(yīng)用情況。

1 無人機低空遙感監(jiān)測技術(shù)

無人機低空遙感監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用在水土保持監(jiān)測工作中，主要是利用無人機在目標區(qū)域內(nèi)飛行并航拍獲取低空范圍內(nèi)的地面影像數(shù)據(jù)，以遙感技術(shù)進行數(shù)據(jù)傳輸，結(jié)合配備的后臺處理軟件完成數(shù)據(jù)處理和分析建模，進而完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析對比工作。無人機低空遙感監(jiān)測能夠?qū)崟r獲取項目區(qū)影像，且影像分辨率高，通過后期影像拼接處理，可以直接提取工程的進展情況、水土流失防治情況，以及監(jiān)測所需的長度和面積數(shù)據(jù)，可以分析不同施工階段的無人機低空遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)，間接計算監(jiān)測所需的體積數(shù)據(jù)[3]，作為水土保持監(jiān)測季度報告和總結(jié)報告編制的基礎(chǔ)依據(jù)。此外，還可以通過CAD、GIS等軟件制圖，制作水土流失防治責(zé)任范圍圖、擾動土地面積圖、水土保持措施分布圖、林草覆蓋面積圖等監(jiān)測成果圖件[4]，提高水土保持監(jiān)測實施的效率和自動化程度。

2 應(yīng)用實例

以連霍高速公路洛陽至三門峽(豫陜界)段改擴建工程棄渣場項目為研究對象，該棄渣場位于陜縣張茅鄉(xiāng)丁家莊村張矛隧道進口主線右側(cè)100 m處，棄渣類型為溝頭棄渣，后期恢復(fù)利用情況為復(fù)耕。根據(jù)《水利水電工程水土保持技術(shù)規(guī)范》(SL 575—2012)中的水土保持工程級別劃分，棄渣場級別按堆渣量和最大堆渣高度中高級別執(zhí)行，為4級棄渣場。

2.1 影像數(shù)據(jù)獲取

無人機遙感影像數(shù)據(jù)通過規(guī)劃飛行路徑和空三攝影2個步驟獲取。根據(jù)項目區(qū)范圍大小和成果精度要求設(shè)計飛行路線、飛行高度、拍攝角度及旁向重疊度等。同時，布設(shè)滿足精度要求的地面控制點數(shù)量，控制點坐標的采集采用手持GPS獲取。

無人機上配置有全球定位系統(tǒng)(GPS)、慣性測量單元(IMU)及特定的傳感器等，當(dāng)設(shè)備配置完畢后，即可根據(jù)設(shè)計好的飛行路線，實施無人機飛行和拍攝，獲取原始的遙感影像數(shù)據(jù)[5]。利用大疆精靈4 pro無人機對棄渣場進行航拍作業(yè)，在航拍前對無人機進行調(diào)試，根據(jù)成果數(shù)據(jù)的精度要求設(shè)置一定的飛行高度，根據(jù)棄渣場的形狀和大小規(guī)劃航線，拍攝時保證航向重疊度大于75%，旁向重疊度大于60%[6]。

2.2 影像數(shù)據(jù)處理

目前用于無人機遙測影像的處理軟件較多，本研究選取在水土保持領(lǐng)域使用較為廣泛的瑞士的Pix4Dmapper、俄羅斯的PhotoScan及中國深圳的Pixel-Mosaic三款航拍處理軟件，這些軟件自動化程度高且處理流程簡單，無須專業(yè)培訓(xùn)即可快速上手，大大降低了在數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)上的人員要求。其中，PhotoScan軟件數(shù)據(jù)處理流程為：形成照片陣列，軟件自動搜索照片中的同名像點，并進行匹配，同時估算每張照片拍攝時相機的視角，并對相機參數(shù)進行校正；基于估測出的相機位置和照片，建立密集點云；基于密集點云或者是稀疏點云重建三維多邊形網(wǎng)格，基于該網(wǎng)格可進一步生成紋理[7]。Pixel-Mosaic數(shù)據(jù)處理工作流程為：添加影像，正射投影拼圖處理，正射校正拼圖處理，三維重建處理，根據(jù)精度需要設(shè)置控制點數(shù)量。Pix4Dmapper數(shù)據(jù)處理操作更為簡便，一鍵式進行初步處理、空三加密、數(shù)字表面模型和正射影像圖處理，處理完成后通過像控點編輯器進行校正。本研究分別應(yīng)用上述3款軟件進行影像數(shù)據(jù)處理，建立三維數(shù)據(jù)模型提取監(jiān)測數(shù)據(jù)，最后對成果精度進行對比分析。

2.3 成果數(shù)據(jù)應(yīng)用

利用軟件處理成果數(shù)據(jù)進行量測，可以獲取棄渣場最大堆渣高度、堆棄面積、堆渣量、擋渣墻長度及截排水溝長度等監(jiān)測指標，從而快速評價棄渣場的水土流失狀況。利用無人機低空遙感獲得的是當(dāng)前施工階段的實時數(shù)據(jù)，代表工程這一時段的狀況，成果數(shù)據(jù)可與施工前原地貌數(shù)據(jù)、不同施工進度數(shù)據(jù)及完工后自然恢復(fù)期數(shù)據(jù)進行對比分析，從而獲取工程水土流失動態(tài)變化情況[2]。

本研究分別應(yīng)用PhotoScan、Pix4dmapper、Pixel-Mosaic對無人機低空遙感影像進行處理，監(jiān)測棄渣場的各項指標和水土保持措施工程量。通過上述3個軟件處理分析，棄渣場堆棄面積與實測值的誤差分別為3.8%、-3.0%、1.7%，最大誤差絕對值為3.8%；棄渣場最大堆渣高度與實測值相差不大，最大誤差絕對值僅1.0%；擋渣墻長度與實測值的誤差最小，最大誤差絕對值不超過1.0%，均滿足生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測精度要求。棄渣場實測與處理數(shù)據(jù)結(jié)果詳見表1。

2.4 成果分析

在棄渣場的航測過程中，無人機飛行平均海拔為146 m，影像采集數(shù)量22張，建模覆蓋面積0.09 km2，地面分辨率達到4 cm。在未添加控制點的情況下，X

表1 數(shù)據(jù)提取結(jié)果對比分析

方向誤差為1.19 m，Y方向誤差為0.56 m，Z方向誤差為2.51 m，絕對精度和相對精度可以控制到米級，滿足棄渣場水土保持監(jiān)測的需要。

根據(jù)水保監(jiān)便字〔2016〕第20號《關(guān)于印發(fā)〈水利部水土保持設(shè)施驗收技術(shù)評估工作要點〉的通知》中對棄渣場的要求，對堆渣量超過50萬m3或者最大堆渣高度超過20 m的棄渣場，還應(yīng)查閱建設(shè)單位提供的穩(wěn)定性評估報告。通過無人機航片處理對棄渣場進行三維建模，以棄渣場渣體頂部到擋渣墻底部的垂直距離作為棄渣場的堆渣高度，框選棄渣場邊界確定棄渣場堆棄面積和堆渣量，從而為是否需要做穩(wěn)定性評估提供支撐和依據(jù)。根據(jù)實測與軟件處理結(jié)果，該棄渣場最大堆渣高度為41.50 m，超過了最大堆渣高度20 m的要求，需進行穩(wěn)定性評估分析。根據(jù)《水利部生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持方案變更管理規(guī)定(試行)》(辦水?！?016〕65號)第五條規(guī)定，該棄渣場堆棄位置不在水行政主管部門批復(fù)的水土保持方案設(shè)計位置，后期建設(shè)單位應(yīng)重新委托設(shè)計單位編制水土保持方案(棄渣場補充)報告書。由于缺乏棄渣前原始地形影像，無法進行三維建模并與棄渣后三維地形數(shù)據(jù)疊加對比分析，進而計算出有效堆渣總量，因此監(jiān)測的堆渣量數(shù)據(jù)按人工框選標定的渣體頂部與擋渣墻底部高程之間的切面體體積計算，故堆渣量數(shù)據(jù)和實際誤差較大。

3 結(jié)論與展望

隨著科技的不斷發(fā)展，水土保持監(jiān)測新技術(shù)的應(yīng)用也越來越廣泛，無人機低空遙感監(jiān)測在提高水土保持監(jiān)測效率和精度的同時，也提高了水土保持監(jiān)測的智能化水平，但應(yīng)用于實際項目仍存在以下幾個問題：①相關(guān)的技術(shù)規(guī)程和技術(shù)規(guī)范不夠完善，導(dǎo)致監(jiān)測成果有較大的差異，因此監(jiān)測技術(shù)規(guī)程須考慮制定和完善相關(guān)無人機遙感監(jiān)測部分技術(shù)規(guī)程專章，規(guī)范相關(guān)監(jiān)測流程和成果質(zhì)量要求，提高無人機監(jiān)測成果的可信度。②無人機低空遙測精度問題?？赏ㄟ^降低飛行高度、增加影像采集密度和均勻度，以及增設(shè)地面控制點等方式來提高精度。③棄渣場為水土保持監(jiān)測和水土流失監(jiān)管的重點區(qū)域，而部分工程存在“先堆棄后審批”的情況。在難以確定棄渣前原始地形數(shù)據(jù)的情況下，后期無人機遙感監(jiān)測的棄渣場最大堆渣高度和堆渣量數(shù)據(jù)可能與實際情況相差較大，無法準確判別是否需要做穩(wěn)定性分析評估。因此，未來的研究中，無人機低空遙感監(jiān)測應(yīng)重點研究在原始地形數(shù)據(jù)缺測的情況下，通過歷史遙感影像處理與解譯來準確計算棄渣場堆渣量和最大堆渣高度，以提高棄渣場監(jiān)測的實效性和準確性。