淺析航空攝影測量助力山水林田湖草生態(tài)修復(fù)調(diào)查

馬 迪

(貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局測繪院，貴州 貴陽 550018)

0 引言

隨著現(xiàn)代測量技術(shù)的飛速發(fā)展，無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)開始廣泛普及，在測繪領(lǐng)域及其他行業(yè)里逐步大放異彩。作為全數(shù)字?jǐn)z影測量的一種全新方式，無人機(jī)航空攝影測量在小區(qū)域測繪、大比例尺地圖制作等方面顯示出其獨(dú)特的優(yōu)勢，利用無人機(jī)航空攝影測量助力山水林田湖草生態(tài)修復(fù)調(diào)查將擁有廣闊的發(fā)展前景。無人機(jī)航空攝影測量是一種全新的數(shù)字?jǐn)z影測量方式，近幾年來得到了飛速發(fā)展，其具有機(jī)動靈活性高、精確性高、作業(yè)成本低、適用范圍廣、生產(chǎn)周期短等多種優(yōu)點(diǎn)，生產(chǎn)產(chǎn)品精準(zhǔn)度高，作用于各類項(xiàng)目上可以大幅度提高生產(chǎn)效率。

通過無人機(jī)航空攝影測量得到調(diào)查區(qū)域的數(shù)字正射影像、數(shù)字高程模型和傾斜攝影測量實(shí)景三維模型等內(nèi)容，本文基于以上三項(xiàng)技術(shù)，分別分析和闡述無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)在山水林田湖草生態(tài)修復(fù)調(diào)查中多方面的應(yīng)用情況。

1 數(shù)字正射影像的應(yīng)用

數(shù)字正射影像(Digital Orthophoto Map,簡稱DOM)是利用數(shù)字高程模型(DEM)對經(jīng)掃描處理的數(shù)字化航空影像,經(jīng)逐像元進(jìn)行投影差改正處理、鑲嵌,按國家基本比例尺地形圖圖幅范圍剪裁生成的數(shù)字影像數(shù)據(jù)集[1]。DOM擁有信息量豐富、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性強(qiáng)、數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度高、數(shù)據(jù)易讀性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。DOM作用于山水林田湖草項(xiàng)目生態(tài)修復(fù)調(diào)查項(xiàng)目有如下應(yīng)用情況。

1.1 地物預(yù)判讀

外業(yè)調(diào)查人員可事先在DOM上進(jìn)行地物判讀，預(yù)先了解調(diào)查區(qū)域地理環(huán)境具體情況，并對重點(diǎn)調(diào)查地物進(jìn)行預(yù)先判讀與勾繪，對無法在DOM上進(jìn)行判讀的地物，再到實(shí)地進(jìn)行調(diào)繪，從而極大的減少外業(yè)調(diào)查工作量，縮短工作周期，提高工作效率。例如調(diào)查人員想調(diào)查區(qū)域內(nèi)的土壤污染源的具體情況，可先在DOM上對可能成為污染源的地物進(jìn)行預(yù)讀并標(biāo)注，了解其具體位置等大致情況，針對性的設(shè)計(jì)調(diào)查路線，再逐一到現(xiàn)場核實(shí)，從而縮短搜索時(shí)間，提高效率。對于一些地表地形復(fù)雜或相對較危險(xiǎn)以至于外業(yè)調(diào)查人員難以到達(dá)現(xiàn)場勘查的區(qū)域，利用無人機(jī)代替人員進(jìn)行實(shí)地勘查，從DOM上獲取實(shí)地物信息，降低外業(yè)調(diào)查工作的危險(xiǎn)性與數(shù)據(jù)獲取的精準(zhǔn)性。

1.2 矢量數(shù)據(jù)分析

可通過DOM對各項(xiàng)地物進(jìn)行矢量化，利用DOM的實(shí)時(shí)性獲取調(diào)查區(qū)域地物的矢量數(shù)據(jù)，將獲取的數(shù)據(jù)與地理信息系統(tǒng)相結(jié)合，用于對地物矢量數(shù)據(jù)的處理與分析，如分析調(diào)查區(qū)域內(nèi)的林地與耕地分布情況，從多方面掌握調(diào)查區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)情況與重要數(shù)據(jù)。

1.3 建立遙感監(jiān)測系統(tǒng)

基于多時(shí)態(tài)DOM建立遙感監(jiān)測系統(tǒng)，用于監(jiān)測調(diào)查區(qū)域范圍內(nèi)的地表地物變化情況。利用DOM實(shí)時(shí)性強(qiáng)、信息量大等特點(diǎn)，在不同時(shí)間結(jié)點(diǎn)獲取調(diào)查區(qū)域DOM，通過對不同時(shí)態(tài)DOM進(jìn)行多項(xiàng)對比分析，得到調(diào)查區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境變化監(jiān)測數(shù)據(jù)，從宏觀上把控調(diào)查區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的變化。如在每年的同一時(shí)段對調(diào)查區(qū)域進(jìn)行DOM數(shù)據(jù)獲取，再利用監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行對比分析，可知該季節(jié)下該區(qū)域年度生態(tài)變化情況。

無人機(jī)遙感監(jiān)測系統(tǒng)為調(diào)查區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域調(diào)查、受災(zāi)面積及損失評估、土地資源調(diào)查、土地復(fù)墾與農(nóng)用地整治[2]、森林資料調(diào)查、大氣污染與水污染等環(huán)境監(jiān)測提供科學(xué)依據(jù)[3]，擴(kuò)展了在生態(tài)修復(fù)調(diào)查中對資源觀測的廣度與深度。

2 數(shù)字高程模型的應(yīng)用

數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，簡稱DEM)，是通過有限的地形高程數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對地面地形的數(shù)字化模擬(即地形表面形態(tài)的數(shù)字化表達(dá))，它是用一組有序數(shù)值陣列形式表示地面高程的一種實(shí)體地面模型，是地表形態(tài)的數(shù)字化表達(dá)，蘊(yùn)含了豐富的地學(xué)應(yīng)用分析所必須的地形地貌信息。DEM具有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡潔、表達(dá)方式直觀、對地形因子的解譯簡單高效等諸多優(yōu)點(diǎn)。隨著我國測繪技術(shù)的發(fā)展，近年來對DEM的研究逐漸深入，基于DEM的數(shù)字地形分析技術(shù)已愈發(fā)成熟，在水文地質(zhì)、測繪制圖、地質(zhì)災(zāi)害、土地利用與規(guī)劃等方向的應(yīng)用中發(fā)揮著重大作用[3]。DEM作用于山水林田湖草項(xiàng)目生態(tài)修復(fù)調(diào)查項(xiàng)目有如下應(yīng)用情況。

2.1 地形分析

數(shù)字高程模型是實(shí)際地形特征的空間分布模型，其直觀且清晰地反映了調(diào)查區(qū)域內(nèi)的地形地勢特征，包括地貌形態(tài)空間格局與地形空間分布特征等，利用DEM數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn)，獲取區(qū)域最新地形地貌數(shù)據(jù)。DEM是地形分析的基礎(chǔ)，從DEM中可提取地表特征信息進(jìn)行分析，包括生成等高線、地形曲面擬合、多比例尺地形圖與斷面圖制作[6]等。除了進(jìn)行地貌特征的空間分析之外，還可通過對多時(shí)態(tài)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析，進(jìn)行調(diào)查區(qū)域內(nèi)地形演化模擬，分析調(diào)查區(qū)域內(nèi)地貌演化的繼承性特征[4]，加深對調(diào)查區(qū)域的地貌演化機(jī)理與發(fā)育態(tài)勢的研究。

2.2 流域水文分析

基于DEM構(gòu)建模擬水域河流徑流的流域水文模型，提取流域水系特征信息，包括計(jì)算水系流向、確定排水方向、流域水利特征值(面積、長度等)計(jì)算、劃分子流域和計(jì)算子流域面積、確定河網(wǎng)結(jié)構(gòu)、計(jì)算流域參數(shù)[8]等方面，主要用于進(jìn)行地形分析以及將流域進(jìn)行參數(shù)化，為水文模擬和分析提供有效的數(shù)據(jù)支撐。在GIS技術(shù)的支持下，數(shù)字高程模型能夠自動提取相應(yīng)的流域水文信息，使得DEM在構(gòu)建流域水文模型中得到廣泛的應(yīng)用，為調(diào)查區(qū)域的水文研究提供科學(xué)依據(jù)，提高流域水文研究效率。

2.3 土地與氣候研究

坡度、坡向與高程等是研究土地與氣候的重要地形因子，對山地生態(tài)分析與研究起著重要的作用。因坡度、坡向和高程等地形因子影響太陽輻射在表面的差異性分布，不僅影響著局部區(qū)域內(nèi)土地利用的空間分布，還影響著局部區(qū)域內(nèi)氣象氣候要素的空間分布。以DEM為核心數(shù)據(jù)進(jìn)行空間分析，對多種地形因子進(jìn)行提取與分析，為調(diào)查區(qū)域內(nèi)的土壤侵蝕研究、坡耕地分布與土地利用現(xiàn)狀分析、農(nóng)作物分布特征與生物多樣性研究、森林資源調(diào)查與研究等方面的研究和分析提供科學(xué)支持。

2.4 地質(zhì)災(zāi)害研究

眾多地質(zhì)災(zāi)害(滑坡、崩塌、地震等)的發(fā)生均與地形地貌構(gòu)造息息相關(guān)，研究調(diào)查區(qū)域內(nèi)的地形因子對掌握調(diào)查區(qū)域內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的情況有著重要的作用。以滑坡為例，坡度是眾多地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的重要內(nèi)在因素之一，發(fā)生滑坡的區(qū)域大多數(shù)坡度較高。坡向影響著自然要素的規(guī)律性分異，從而影響滑坡發(fā)育方向[11]。地表曲率影響土壤侵蝕和沉積的速度，從而影響滑坡發(fā)育速度[12]。綜上所述，基于高精度DEM的地形因子提取分析與監(jiān)測，對滑坡的發(fā)育及分布情況研究提供科學(xué)依據(jù)與數(shù)據(jù)支撐。同時(shí)可基于多時(shí)態(tài)DEM數(shù)據(jù)對調(diào)查區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育與發(fā)生進(jìn)行連續(xù)的監(jiān)測與分析，更進(jìn)一步加深對環(huán)境變化與地質(zhì)災(zāi)害的研究。

3 傾斜攝影測量三維模型的應(yīng)用

傾斜攝影測量技術(shù)是近幾年來新興發(fā)展的一項(xiàng)測繪技術(shù)，其特點(diǎn)是利用搭載多個傳感器的無人機(jī)進(jìn)行低空攝影作業(yè)，從多個角度同時(shí)對某一地物進(jìn)行同步曝光采集影像[13]，獲取不同角度的地物信息，在對航攝原始影像進(jìn)行處理后得到實(shí)景三維模型，還原最真實(shí)的地物。傾斜攝影測量擁有分辨率高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、作業(yè)靈活、顏色真實(shí)、精準(zhǔn)度高、三維模型真實(shí)還原度強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，作為一項(xiàng)高新測繪技術(shù)，其出現(xiàn)改變了傳統(tǒng)航空攝影測量不能獲取地物立體表面的局限性。傾斜攝影測量已在許多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，其實(shí)景三維模型以超高的還原度和超高的數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度為多個領(lǐng)域的項(xiàng)目提供了新興的解決方案。傾斜攝影測量作用于山水林田湖草項(xiàng)目生態(tài)修復(fù)調(diào)查項(xiàng)目有如下應(yīng)用情況。

3.1 地表信息獲取

傾斜攝影測量實(shí)景三維模型由于其多角度進(jìn)行同步拍攝，使得其彌補(bǔ)了數(shù)字正射影像圖中由于地物過高導(dǎo)致圖中地物失真的情況，使用實(shí)景三維模型對地表物進(jìn)行矢量化時(shí)，精準(zhǔn)度較DOM更高。以圖1對建筑物觀測為例，由于拍攝角度的問題，DOM僅能以垂直角度拍攝，對建筑物的觀測僅能捕捉輪廓，甚至存在部分建筑因拍攝角度引起變形等情況，而在傾斜攝影測量實(shí)景三維模型中，可從不同角度對建筑物輪廓進(jìn)行勾繪，從而提高數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度。圖1中可看出傾斜測量模型可以觀測到建筑物的高度、層數(shù)、結(jié)構(gòu)與材質(zhì)等各項(xiàng)屬性，獲取到的信息較DOM豐富。

同樣的問題在山體測量中更加突出，如礦山環(huán)境調(diào)查等，由于DOM垂直拍攝無法展示山體環(huán)境全貌，傾斜攝影測量實(shí)景三維模型則彌補(bǔ)了這項(xiàng)不足，真實(shí)且立體的還原山體環(huán)境。

3.2 礦山環(huán)境與地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查

以調(diào)查區(qū)域?qū)嵕叭S模型為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，可獲取包括山體表面積、體積、邊坡高度與長度、礦坑面積與挖填方量等相關(guān)礦山地質(zhì)信息[14]。也可通過旋轉(zhuǎn)與縮放等功能多角度的對礦山環(huán)境進(jìn)行觀測，結(jié)合獲取的地質(zhì)信息開展礦山環(huán)境分析。

以調(diào)查區(qū)域?qū)嵕叭S模型為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，對滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生點(diǎn)進(jìn)行多角度觀測，可直接于三維模型上沿滑坡體邊緣勾繪滑坡體輪廓，估計(jì)其土方量。同樣可對斷層及周邊地理環(huán)境進(jìn)行觀測與研究。使用實(shí)景三維模型對地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行觀測能在很大程度上代替調(diào)查人員到現(xiàn)場進(jìn)行作業(yè)，不僅避免了再次滑坡或崩塌造成意外，同時(shí)提高了觀測的效率。

4 結(jié)語

目前無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)已較為成熟，在多個領(lǐng)域中都有著不錯的表現(xiàn)和廣泛的應(yīng)用，將無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)應(yīng)用于山水林田湖草生態(tài)修復(fù)調(diào)查中，能大幅縮短調(diào)查周期，提升調(diào)查精度，提高作業(yè)效率，為山水林田湖草提供新的調(diào)查方案。但無人機(jī)航空攝影測量仍有其局限性，如何與其他調(diào)查方式相結(jié)合，整合多學(xué)科資源與信息，更加助力山水林田湖草調(diào)查，將是未來研究的重要方向。