無人機(jī)傾斜攝影輔助遙感技術(shù)在水土保持動態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用潛力分析

文雄飛，張 穗，張 煜，李 喆

(長江科學(xué)院 空間信息技術(shù)應(yīng)用研究所，武漢 430010)

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無人機(jī)傾斜攝影輔助遙感技術(shù)在水土保持動態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用潛力分析

文雄飛，張 穗，張 煜，李 喆

(長江科學(xué)院 空間信息技術(shù)應(yīng)用研究所，武漢 430010)

針對我國當(dāng)前水土流失嚴(yán)重的實(shí)際情況，以我國資源三號、高分一號等新一代高分辨率衛(wèi)星影像為主要數(shù)據(jù)源，并配合無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行野外采樣，在長江流域三峽庫區(qū)開展了水土保持動態(tài)監(jiān)測遙感解譯實(shí)驗性研究。實(shí)踐發(fā)現(xiàn)水田、坡耕地、果園、茶園、林地等水土保持相關(guān)的各種土地利用類型在我國國產(chǎn)高分辨率遙感影像上都有比較明顯的特征，資源三號、高分一號能夠有效應(yīng)用于水土保持遙感動態(tài)監(jiān)測，而無人機(jī)技術(shù)作為輔助監(jiān)測手段可以作為衛(wèi)星影像的有效補(bǔ)充，在水土保持行業(yè)及其他相關(guān)領(lǐng)域有很大的應(yīng)用潛力。

遙感影像解譯；資源三號衛(wèi)星；高分一號衛(wèi)星；無人機(jī)技術(shù)；水土保持；動態(tài)監(jiān)測

1 研究背景

我國是當(dāng)今世界水土流失最嚴(yán)重的國家之一。水土流失導(dǎo)致土地退化、泥沙淤積、生態(tài)惡化等一系列的問題，對人類社會生存發(fā)展造成嚴(yán)重的威脅[1]。

水土保持監(jiān)測是以土壤侵蝕及其治理為對象，利用地面觀測、調(diào)查、遙感解譯和模擬計算等技術(shù)手段，在坡面、小流域和區(qū)域尺度上，周期性、連續(xù)采集土壤侵蝕因子(模型參數(shù))、類型(包括沉淀)、強(qiáng)度和治理狀況(措施和效益)等方面信息的工作[2]。傳統(tǒng)的監(jiān)測方法主要采用人工調(diào)查的方式，費(fèi)時費(fèi)力，而且只能對小范圍的水土流失狀況進(jìn)行監(jiān)測，難以對大范圍區(qū)域進(jìn)行定量監(jiān)測[3]。使用遙感技術(shù)進(jìn)行水土保持監(jiān)測能夠克服傳統(tǒng)監(jiān)測方法存在的缺陷，通過遙感影像解譯，制作土壤侵蝕因子、類型及侵蝕強(qiáng)度分布圖，從而達(dá)到水土保持監(jiān)測目的，成為目前針對大范圍區(qū)域進(jìn)行水土保持監(jiān)測的主要方法[4]。

2 資源三號和高分一號衛(wèi)星簡介

資源三號(ZY-3)是中國第1顆自主的民用高分辨率立體測繪衛(wèi)星，于2012年1月9日成功發(fā)射，可以測制1∶50 000比例尺地形圖，為國土資源、農(nóng)業(yè)、林業(yè)等領(lǐng)域提供服務(wù)[5]。高分一號(GF-1)是中國高分辨率對地觀測系統(tǒng)的第1顆衛(wèi)星，于2013年4月26日成功發(fā)射。該衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了高空間分辨率與高時間分辨率的結(jié)合，突破了多載荷圖像拼接融合等多項關(guān)鍵技術(shù)，對于推動我國衛(wèi)星工程水平提升和遙感應(yīng)用具有重大戰(zhàn)略意義[6]。

資源三號和高分一號衛(wèi)星的主要有效載荷技術(shù)指標(biāo)如表1[5]和表2[6]所示。

表1 資源三號衛(wèi)星有效載荷技術(shù)指標(biāo)[5]

3 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)概況

無人機(jī)遙感系統(tǒng)是一種以無人機(jī)為飛行平臺，以各種成像與非成像傳感器為主要載荷，飛行高度在幾千米以內(nèi)，能夠獲取遙感影像、視頻等信息的無人航空遙感與攝影測量系統(tǒng)[7]。無人機(jī)遙感系統(tǒng)相比基于載人飛行器和航天飛行器的遙感系統(tǒng)，具備靈活性高、成本低、時效性強(qiáng)等優(yōu)勢，適合作為小范圍高精度的信息采集平臺。

表2 高分一號衛(wèi)星有效載荷技術(shù)指標(biāo)[6]

傾斜攝影技術(shù)是國際測繪領(lǐng)域近些年發(fā)展起來的一項高新技術(shù)，它顛覆了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限，通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從一個垂直、4個傾斜等5個不同的角度采集影像，獲取大量不同角度的影像，將用戶引入了符合人眼視覺的真實(shí)直觀世界[8]。傾斜攝影技術(shù)能夠真實(shí)地反映地物情況，而且還通過采用先進(jìn)的定位技術(shù)，嵌入精確的地理信息、更豐富的影像信息、更高級的用戶體驗，極大地擴(kuò)展了遙感影像的應(yīng)用領(lǐng)域，并使遙感影像的行業(yè)應(yīng)用更加深入，該技術(shù)目前在歐美等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)廣泛應(yīng)用于應(yīng)急指揮、國土安全、城市管理、房產(chǎn)稅收等行業(yè)。

現(xiàn)階段，傾斜攝影一般是通過機(jī)載的多鏡頭傾斜攝影相機(jī)進(jìn)行航拍獲取，多鏡頭傾斜相機(jī)將多臺(一般為5臺)相機(jī)，以一臺下視、多臺側(cè)視的方式組合在一起，在飛機(jī)沿航線方向飛行過程中，每經(jīng)過一個攝站點(diǎn)，所有相機(jī)同時進(jìn)行拍攝，從而獲取一張下視的正射影像與多張側(cè)視的傾斜影像，通過按照一定的攝影基線進(jìn)行間隔拍攝，獲取覆蓋整個測區(qū)范圍的具備足夠重疊度的傾斜攝影航片影像，如圖1所示。

圖1 傾斜攝影中各個攝影角度示意圖Fig.1 Schematic diagram of oblique photography

已有一些研究人員從多種角度對無人機(jī)傾斜攝影進(jìn)行了探索。Bertram等[9]使用搭載GoPro 3相機(jī)的四旋翼無人機(jī)為獨(dú)棟建筑進(jìn)行了側(cè)面傾斜影像采集，并使用AutoDesk軟件進(jìn)行自動化三維重建；曲林等[10]使用搭載自制5鏡頭傾斜相機(jī)和POS系統(tǒng)的多旋翼無人機(jī)進(jìn)行影像采集，使用Inpho軟件進(jìn)行空三匹配和畸變差修正，并將結(jié)果導(dǎo)入街景工廠軟件進(jìn)行三維建模，直接生成DSM，得到了滿意的結(jié)果；Xie等[11]設(shè)計了一臺由4臺廣角相機(jī)組合的傾斜航攝儀，對校園內(nèi)的建筑群進(jìn)行了航拍，能夠制作1∶500的大比例尺影像。

本文采用的電動多旋翼無人機(jī)適用于100～120 m高度層的航空攝影飛行任務(wù)，基于該高度的拍攝可準(zhǔn)確還原近地面的水土保持建設(shè)工程項目細(xì)節(jié)，尤其適合對局部重點(diǎn)目標(biāo)的監(jiān)測與建模任務(wù)。

4 水土保持遙感動態(tài)監(jiān)測技術(shù)方案

本文以“3S”技術(shù)為主要手段，采用遙感解譯和抽樣調(diào)查相結(jié)合的方法，利用高分辨率遙感影像結(jié)合無人機(jī)影像，監(jiān)測區(qū)域土地利用情況、植被狀況、水土保持措施等，并根據(jù)區(qū)域地形地貌成果，采取綜合評價法，分析水土流失狀況，進(jìn)而對水土保持措施及其防治效益進(jìn)行分析與評價。

主要工作步驟和技術(shù)路線為：

(1) 資料準(zhǔn)備。根據(jù)研究區(qū)的實(shí)際情況，系統(tǒng)性搜集研究區(qū)內(nèi)衛(wèi)星遙感、地形地貌、測量控制、氣象水文、土壤、土地利用、水土保持工程措施等數(shù)據(jù)。

(2) 水土流失遙感解譯軟硬件工作環(huán)境搭建。硬件設(shè)備主要包括高配置計算機(jī)工作站，以及筆記本電腦、平板電腦、GPS RTK設(shè)備等；軟件設(shè)備主要包括ARCGIS軟件、ERDAS軟件、eCognition軟件、FeatureStation軟件、四維數(shù)碼地理信息基本統(tǒng)計軟件等。

(3) 數(shù)據(jù)處理。在軟硬件工作環(huán)境的支持下，進(jìn)行水土流失遙感解譯數(shù)據(jù)預(yù)處理。衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)處理主要包括輻射糾正、幾何糾正、外業(yè)控制點(diǎn)測量、正射影像制作、影像標(biāo)準(zhǔn)分幅處理(鑲嵌、裁剪)等。氣象水文數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)和水土保持工程措施數(shù)據(jù)處理主要是數(shù)據(jù)分類篩選、數(shù)據(jù)庫建庫、空間插值等。

(4) 野外采樣與遙感解譯標(biāo)志建立。以水土流失相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，建立土地利用現(xiàn)狀分類指標(biāo)、植被覆蓋度分類指標(biāo)、土壤侵蝕類型及強(qiáng)度(含人工侵蝕)分類指標(biāo)體系和水土保持措施分類指標(biāo)四大體系，并結(jié)合資源三號、高分一號等遙感影像，從光譜、色調(diào)、紋理等方面構(gòu)建土地利用現(xiàn)狀遙感解譯標(biāo)志、植被覆蓋度遙感解譯標(biāo)志，對應(yīng)典型的水土保持工程措施，利用無人機(jī)獲取項目所在區(qū)域的高分辨率航空影像建立遙感解譯標(biāo)志。

(5) 遙感影像室內(nèi)解譯。在軟硬件工作環(huán)境的支持下，以外業(yè)建立的遙感解譯標(biāo)志為依據(jù)，進(jìn)行遙感影像室內(nèi)解譯。以衛(wèi)星遙感影像為主要數(shù)據(jù)源，并結(jié)合無人機(jī)航空影像，采用人工目視判讀和計算機(jī)自動解譯相結(jié)合的方法，形成土地利用現(xiàn)狀遙感解譯圖、植被覆蓋度遙感解譯圖和水土保持措施遙感解譯圖。

(6) 遙感影像成果復(fù)核。組織開展解譯成果的內(nèi)業(yè)復(fù)核工作，通過遙感影像圖面檢查，確定圖斑定位準(zhǔn)確性(采集精度)、圖斑定性準(zhǔn)確性(屬性精度)、拓?fù)潢P(guān)系建立等；組織開展解譯成果的外業(yè)復(fù)核工作，以遙感影像室內(nèi)解譯成果為基礎(chǔ)，制作野外復(fù)核工作底圖；在工作底圖上挑選若干個樣本點(diǎn)(隨機(jī)樣本或典型樣本)，將遙感解譯成果與實(shí)地復(fù)核照相相比對，采用百分率指標(biāo)評定解譯成果的準(zhǔn)確性。

(7) 成果修改完善。根據(jù)遙感影像野外復(fù)核發(fā)現(xiàn)的主要問題，進(jìn)行全圖修改與整理，逐條加以處理，直至滿足成果驗收指標(biāo)為止。

5 典型區(qū)域應(yīng)用

本文以三峽庫區(qū)為例，分析三峽庫區(qū)各種典型土地利用類型在遙感影像上各自的特征，包括光譜、幾何形狀、紋理等方面。果園、草地、林地、綠地等植被在遙感衛(wèi)星影像上一般呈深灰色色調(diào)，可以通過其顏色、分布及位置來輔助識別；由于有植被生長其中，田地形狀規(guī)則較易判讀；而沙地、灘涂在遙感影像上一般呈淺灰色調(diào)，無人為破壞的沙地及灘涂、紋理平滑，色調(diào)均勻過渡；建設(shè)用地、居民用地等在遙感影像上一般色調(diào)均勻，紋理清晰，形狀規(guī)則，建筑與建筑之間有一定的間距，較易判識。

遙感影像解譯示例樣本有利于對遙感信息做出正確的判讀和采集，這對于用人機(jī)交互從遙感影像上采集基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)十分必要。尤其是在作業(yè)區(qū)范圍很大，土地利用分布復(fù)雜的情況下，可以使作業(yè)人員迅速適應(yīng)待解譯區(qū)的自然地理環(huán)境。在構(gòu)建遙感解譯標(biāo)志的過程中建立遙感影像和實(shí)際地面要素的關(guān)聯(lián)非常關(guān)鍵。選用的遙感影像解譯部分示例樣本如表3所示。

根據(jù)《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T 21010—2007)和《水土保持遙感監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(SL 592—2012)等相關(guān)文件，針對工作區(qū)水田、水澆地、石坎梯田、土坎梯田、坡耕地、坪地、高/中/低覆蓋果園、高/中/低覆蓋茶園、高/中/低覆蓋其他園地、高/中/低覆蓋有林地、高/中/低覆蓋灌木林地、高/中/低覆蓋其他林地、高/中/低覆蓋天然牧草地、高/中/低覆蓋人工牧草地、高/中/低覆蓋其他草地等多種地表類型，選擇范圍適中并能夠反映各個類別典型特征的樣本區(qū)域，要求對于每一個類別的樣本盡可能多地包含該類地貌中的各種基礎(chǔ)地理信息要素類且影像質(zhì)量好。樣本選取完成后，尋找標(biāo)志區(qū)內(nèi)包含的所有基礎(chǔ)地理信息要素類，然后選擇各類典型圖斑作為采集標(biāo)志。并通過手持GPS、紙質(zhì)版衛(wèi)星影像圖、iPad、鉛筆等各種調(diào)查工具，開展野外調(diào)查，對各種土地利用類型樣本的地理位置、屬性信息進(jìn)行確認(rèn)，通過對野外調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，修改完善土地利用類型遙感解譯標(biāo)志，對不合理的部分進(jìn)行修改，同時拍攝各類土地利用類型圖斑地面實(shí)地照片，以便于影像和實(shí)際地面要素建立關(guān)聯(lián)，表達(dá)遙感影像解譯標(biāo)志的真實(shí)性和直觀性，加深使用者對解譯標(biāo)志的理解，為后繼解譯提供基礎(chǔ)。采集解譯樣本標(biāo)志數(shù)據(jù)，樣本分布應(yīng)基本均勻合理，并具有一定的典型性和代表性。

長江科學(xué)院當(dāng)前具備了傾斜攝影技術(shù)，在建立解譯標(biāo)志過程中，基于無人機(jī)遙感平臺，利用傾斜攝影測量技術(shù)，相比傳統(tǒng)的野外采樣方法，能夠更快捷高效地獲取大量的采樣點(diǎn)信息，對于普通地物所在區(qū)域可以快速獲取其二維平面信息，對于有水土保持措施項目所在區(qū)域，可以獲取該區(qū)域的三維立體信息，更全面地獲取采樣點(diǎn)附近的各種高精度的土地利用現(xiàn)狀信息、植被覆蓋信息以及水土保持措施信息，為后續(xù)解譯提供輔助信息。

采用無人機(jī)進(jìn)行傾斜攝影測量可以深入并靠近到水土保持工程措施項目進(jìn)行低空航攝，由此獲取水土保持工程措施各個角度的影像信息，并通過計算機(jī)視覺算法對該工程措施進(jìn)行精細(xì)的三維建模。重建出的高真實(shí)度的三維模型有助于實(shí)現(xiàn)水土保持措施項目的可視化查詢、管理和決策支持，圖2是利用無人機(jī)對典型目標(biāo)建立的三維模型例圖。

表3 土地利用類型部分采樣信息

圖2 無人機(jī)建立的典型三維模型例圖Fig.2 Typical 3D models constructed by UAV (unmanned aerial vehicle)

6 討論與展望

本文以探索更高效合理的水土保持動態(tài)監(jiān)測方法為出發(fā)點(diǎn)，以國產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星資源三號和高分一號為主要數(shù)據(jù)源，并對局部區(qū)域的水土保持措施區(qū)域采用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)輔助，通過野外采樣，建立基于高分辨率衛(wèi)星影像和無人機(jī)影像的遙感解譯標(biāo)志，基于eCognition軟件和ArcGIS軟件進(jìn)行內(nèi)業(yè)解譯，以長江流域三峽庫區(qū)為例，分析了該區(qū)域的土地利用現(xiàn)狀分布圖，為三峽庫區(qū)水土保持動態(tài)監(jiān)測提供了關(guān)鍵基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

高分辨率遙感影像和無人機(jī)影像的有機(jī)結(jié)合能夠?qū)λ帘３植煌叨鹊挠^測對象進(jìn)行有效觀測和采樣，能夠在宏觀角度掌握水土流失動態(tài)監(jiān)測情況。通過建立基于ArcGIS移動端的軟件開發(fā)能夠有效減少水土保持監(jiān)測野外作業(yè)的工作量，實(shí)驗發(fā)現(xiàn)我國資源三號、高分一號/二號衛(wèi)星數(shù)據(jù)相比以前的國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，影像質(zhì)量有明顯改善，無人機(jī)技術(shù)作為新興監(jiān)測手段可以作為水土保持動態(tài)監(jiān)測的有效補(bǔ)充，在水土保持行業(yè)及其他涉及到野外作業(yè)的相關(guān)領(lǐng)域都有很大的應(yīng)用潛力。

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(編輯：黃 玲)

Potential of Remote Sensing Technology Assisted by UAVOblique Photography Applied to Dynamic Monitoring ofSoil and Water Conservation

WEN Xiong-fei, ZHANG Sui, ZHANG Yu, LI Zhe

(Spatial Information Technology Application Department, Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China)

In view of China’s current serious water loss and soil erosion, the Unmanned Aerial Vehicle (UAV) oblique photography technique was introduced as an auxiliary monitoring method in land use field sampling in the Three Gorges Reservoir area of Yangtze River Basin to carry out remote sensing dynamic monitoring of soil and water conservation. High resolution remote sensing images obtained by satellite ZY-3 and GF-1 were selected as the main data source in soil and water conservation dynamic monitoring. Practice showed that China’s domestic satellite image quality has improved significantly by obviously reflecting the characteristics of land use types such as rice paddy field，slope farmland, orchard,tea garden, and forest land. Satellite ZY-3 and GF-1 can be effectively applied to the remote sensing dynamic monitoring of soil and water conservation. Moreover, as an auxiliary monitoring method, UAV technology has great potential in soil and water conservation and other related fields.

interpret of remote sensing image; ZY-3 satellite; GF-1 satellite; unmanned aerial vehicle (UAV); soil and water conservation； dynamic monitoring

2016-10-11

中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項目(CKSF2016006/KJ,CKSF2015019/KJ)

文雄飛(1984-)，男，湖北仙桃人，高級工程師，博士，研究方向為3S技術(shù)在水利行業(yè)中的應(yīng)用，(電話)027-82926550(電子信箱)xfwen19@163.com。

10.11988/ckyyb.20161049

2016,33(11):93-98

TP79

A

1001-5485(2016)11-0093-06