無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在水土保持監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

王金虎 張麗娟

摘要：傳統(tǒng)水土保持監(jiān)測(cè)技術(shù)手段存在費(fèi)用高、效率低、時(shí)間長(zhǎng)、計(jì)算復(fù)雜等問(wèn)題。以一處點(diǎn)狀生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目為典型案例，引入無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)和三維建模技術(shù)，客觀再現(xiàn)了工程地物的結(jié)構(gòu)、外觀、高度等屬性，快速提取了工程空間地物信息，精準(zhǔn)測(cè)量了工程總占地面積、擾動(dòng)地表面積、臨時(shí)堆土場(chǎng)面積和堆土體積，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了精度分析。無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)能夠高效、精確地提取空間地物信息，且空中作業(yè)受地形因素影響小、自動(dòng)化高，大大減少了水土保持監(jiān)測(cè)的人工成本與工作量，十分適合用于測(cè)量水土保持監(jiān)測(cè)中的地物面積與堆土體積。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī);遙感技術(shù);水土保持監(jiān)測(cè);地物面積

無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的出現(xiàn)為水土保持行業(yè)開(kāi)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。

采用無(wú)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(cè)的重要數(shù)據(jù)，為水土保持監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了巨大的促進(jìn)作用。

1 無(wú)人機(jī)水土保持監(jiān)測(cè)流程

1.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(wú)人機(jī)多視角采集地表數(shù)據(jù)，通過(guò)搭載GPS獲取飛行過(guò)程中的實(shí)時(shí)位置信息。

1.2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

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

利用Riscan Pro軟件精確提取堆土點(diǎn)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(jì)算臨時(shí)堆土的測(cè)量體積。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

該工程為小型點(diǎn)狀生產(chǎn)項(xiàng)目，設(shè)計(jì)總占地面積為10 929 m2，其中永久占地5 336 m2，臨時(shí)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(cè)主要任務(wù)是快速掌握項(xiàng)目的總占地面積、擾動(dòng)地表面積、棄土堆放體積等。

2.2 數(shù)據(jù)采集

本次實(shí)驗(yàn)依據(jù)工程項(xiàng)目實(shí)況，采用無(wú)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(duì)工程地面進(jìn)行拍攝，總飛行時(shí)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(cè)量

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

2.3.2 空間分塊處理

利用Context Capture 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(cè)量模型中多余部分，并對(duì)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(shí)間為275 min。三維點(diǎn)云模型如圖1所示。

2.3.4 堆土網(wǎng)格模型建立

利用Riscan Pro軟件切割三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，提取堆土點(diǎn)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(jì)算堆土網(wǎng)格模型的體積即可得到堆土的測(cè)量體積。

2.4 水土保持監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理

2.4.1 防治情況的監(jiān)測(cè)

三維點(diǎn)云模型可真實(shí)地反映工程施工本來(lái)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(diǎn)狀工程的進(jìn)展和水土保持防治大致情況可通過(guò)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(cè)需求，利用Context Capture Viewer軟件的測(cè)量工具在三維模型中選取待測(cè)區(qū)域，即可完成對(duì)施工占地總面積、擾動(dòng)地表面積和臨時(shí)堆土場(chǎng)面積的快速提取。

2.4.3 堆土模型體積的計(jì)算

利用Geomagic Spark軟件，在堆土網(wǎng)格模型中建立一個(gè)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(wú)人機(jī)低空遙感地物面積如表1所示。

3 精度分析

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

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

4 總結(jié)

本文通過(guò)工程實(shí)例，利用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)對(duì)一點(diǎn)狀工程進(jìn)行水土保持監(jiān)測(cè)，該技術(shù)全面地反應(yīng)了施工過(guò)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(dòng)地表面積、臨時(shí)堆土場(chǎng)面積和堆土體積等重要水土保持?jǐn)?shù)據(jù)，大大降低了點(diǎn)狀工程水土保持監(jiān)測(cè)的人工成本與工作量。

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