無人機(jī)遙感技術(shù)在水土保持監(jiān)測中的應(yīng)用＊

劉 越，萬程輝，陳玲玲，錢 鑠，楊瑞瑤

（南昌工程學(xué)院水利與生態(tài)工程學(xué)院，江西 南昌 330099）

無人機(jī)遙感技術(shù)的出現(xiàn)為水土保持行業(yè)開辟了一條新路，這種新型航空遙感手段，是衛(wèi)星遙感與載人航空遙感的有力補(bǔ)充[1]。

采用無人機(jī)遙感技術(shù)可拍攝高清晰度遙感圖像，且空中作業(yè)模式克服了復(fù)雜地形因素的影響，從而能準(zhǔn)確、高效地獲取工程中地物面積、堆土體積等水土保持監(jiān)測的重要數(shù)據(jù)[2-3]，為水土保持監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了巨大的促進(jìn)作用。

1 無人機(jī)水土保持監(jiān)測流程

1.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

根據(jù)現(xiàn)場勘察進(jìn)行航高預(yù)定并使用Altizure軟件進(jìn)行航線規(guī)劃，利用四翼無人機(jī)多視角采集地表數(shù)據(jù)，通過搭載GPS獲取飛行過程中的實時位置信息。

1.2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

利用ContextCapture Master軟件進(jìn)行空中三角測量，并對測區(qū)邊界多余影像數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，獲取測區(qū)數(shù)字高程三維模型（DEM）。利用ContextCapture Viewer軟件的測量工具在三維模型中選取待測區(qū)域，完成對施工占地總面積、擾動地表面積和臨時堆土場面積的快速提取。

利用Riscan Pro軟件精確提取堆土點云數(shù)據(jù)，導(dǎo)入Geomagic Spark軟件進(jìn)行封裝生成堆土網(wǎng)格模型，并計算臨時堆土的測量體積。

2 工程實例

2.1 工程概況

該工程為小型點狀生產(chǎn)項目，設(shè)計總占地面積為10929 m2，其中永久占地5 336 m2，臨時占地5 593 m2，工地附近有多處堆土，主要施工任務(wù)為建設(shè)一棟3層教學(xué)樓。本次水土保持監(jiān)測主要任務(wù)是快速掌握項目的總占地面積、擾動地表面積、棄土堆放體積等[4]。

2.2 數(shù)據(jù)采集

本次實驗依據(jù)工程項目實況，采用無人機(jī)悟1V2.0四軸航拍飛行器，利用GPS與谷歌地圖精準(zhǔn)定位，設(shè)定飛行范圍為100 m×80 m的矩形區(qū)域、飛行高度55 m、最大飛行速度5 m/s、航向重疊率85%、旁向重疊度設(shè)置85%、最短拍照間隔為2 s，從垂直角度對工程地面進(jìn)行拍攝，總飛行時間為13 min，獲取航片數(shù)據(jù)80余張。

2.3 數(shù)據(jù)處理

2.3.1 空中三角測量

添加高清影像數(shù)據(jù)至ContextCapture Master軟件中，選擇地理參考、空三計算模式、設(shè)置定位參考用于準(zhǔn)確估計每幅影像在空間的位置、角元素和相機(jī)屬性，計算生成簡單空間結(jié)構(gòu)。

2.3.2 空間分塊處理

利用ContextCapture Master軟件進(jìn)行空間分塊處理，調(diào)整模型空間坐標(biāo)值，剔除空中三角測量模型中多余部分，并對剩余模型進(jìn)行切塊處理。

2.3.3 三維模型建立

選取WGS 84/UTM zone 50N空間參考系，模型分為6塊瓦片，分辨率為2.5 cm，生成數(shù)字高程三維模型，建模時間為275 min。三維點云模型如圖1所示。

圖1 三維點云模型直觀圖

2.3.4 堆土網(wǎng)格模型建立

利用Riscan Pro軟件切割三維點云數(shù)據(jù)，提取堆土點云數(shù)據(jù)，導(dǎo)入Geomagic Spark軟件進(jìn)行封裝，生成堆土網(wǎng)格模型。計算堆土網(wǎng)格模型的體積即可得到堆土的測量體積。

2.4 水土保持監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理

2.4.1 防治情況的監(jiān)測

三維點云模型可真實地反映工程施工本來面貌，且客觀再現(xiàn)了地物地結(jié)構(gòu)、外觀、高度等屬性，該點狀工程的進(jìn)展和水土保持防治大致情況可通過三維模型直接展現(xiàn)。

2.4.2 地物面積的讀取

依據(jù)水土保持監(jiān)測需求，利用ContextCapture Viewer軟件的測量工具在三維模型中選取待測區(qū)域，即可完成對施工占地總面積、擾動地表面積和臨時堆土場面積的快速提取。

2.4.3 堆土模型體積的計算

利用Geomagic Spark軟件，在堆土網(wǎng)格模型中建立一個基礎(chǔ)水平平面，使水平面與堆土網(wǎng)格模型底面重合，即可快速生成堆土模型的體積。

無人機(jī)低空遙感地物面積如表1所示。

表1 無人機(jī)低空遙感地物面積表

3 精度分析

為了檢驗無人機(jī)遙感影像測量的精度，本文根據(jù)實際需求，在之前數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上測量了該點狀工程中幾處相對規(guī)則物體的面積和建筑物的體積，并實地勘測精準(zhǔn)測量這些地物的面積與體積，進(jìn)行對比分析后最終結(jié)果如表2所示。遙感測量體積精度檢驗如表3所示。

表2 遙感測量面積精度檢驗表

表3 遙感測量體積精度檢驗表

相對誤差為測量所造成的絕對誤差與被測量真值之比乘以100%所得的數(shù)值，在此認(rèn)為實地測量值為真值，即δ1=△1/L1×100%，δ2=△2/L2×100%?？梢姡敬螣o人機(jī)遙感測量地物體積的相對誤差平均值為3.56%，測量地物面積的相對誤差平均值為3.05%，均可滿足水土保持監(jiān)測需求。

4 總結(jié)

本文通過工程實例，利用無人機(jī)遙感技術(shù)對一點狀工程進(jìn)行水土保持監(jiān)測，該技術(shù)全面地反應(yīng)了施工過程中的水土保持情況，而且能夠高效率、高精度地提取工程總占地面積、擾動地表面積、臨時堆土場面積和堆土體積等重要水土保持?jǐn)?shù)據(jù)，大大降低了點狀工程水土保持監(jiān)測的人工成本與工作量。