大疆精靈4在水土保持監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

劉鵬

（廣東博源建設(shè)工程有限公司，廣東 汕頭 515041）

1 項(xiàng)目概況

在該項(xiàng)目中，使用的小型無人機(jī)型號(hào)為大疆精靈4無人機(jī)Phantom4，屬于四旋翼飛行器。飛行載重為1 380 g，飛行時(shí)間為28 min，最大上升速度為6 m/s，最大下降速度為4 m/s。若處于運(yùn)動(dòng)模式，其飛行速度為20 m/s，螺旋槳為9 450 s 快拆槳。其有效像素為1 240 萬左右，圖片分辨率為4 000×3 000，具有較強(qiáng)的操作性，可以有效滿足該生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土監(jiān)測(cè)的需求。

2 數(shù)據(jù)采集

2.1 收集相關(guān)資料

在實(shí)際進(jìn)行該生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土監(jiān)測(cè)時(shí)，主要根據(jù)檢測(cè)區(qū)域的實(shí)際情況，合理確定測(cè)區(qū)范圍，并提前搜集監(jiān)測(cè)區(qū)域的天氣、水源以及植物生長(zhǎng)情況，確保對(duì)該區(qū)域有充足的了解。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)勘查

在對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域有了初步認(rèn)識(shí)之后，應(yīng)前往現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地勘查。調(diào)查周圍地面的相應(yīng)物體情況，找出比較適合無人機(jī)起降的區(qū)域，應(yīng)確保起降場(chǎng)地具有一定的空間，不存在較大的障礙物，并且地形比較平坦，從而確保飛行器起降的安全性。

2.3 選擇航拍時(shí)間

為了確保飛行器的安全性以及得到精確的航拍圖像，要合理選擇航拍時(shí)間。由于使用的是大疆精靈4多旋翼無人機(jī)，具有較小的體積，沒有穩(wěn)定的抗風(fēng)性能，所以在選擇航拍時(shí)間時(shí)，應(yīng)確保天氣不會(huì)出現(xiàn)大風(fēng)。另外，其他惡劣天氣也會(huì)影響拍攝質(zhì)量，所以應(yīng)盡量選擇晴天進(jìn)行拍攝。同時(shí)，為了防止航拍圖像出現(xiàn)陰影，應(yīng)在白天開展航拍作業(yè)，最好太陽高度角超過45°，這樣才能保障充足的光照，最大程度上減小陰影面積。

2.4 布設(shè)控制點(diǎn)

根據(jù)水土保持監(jiān)測(cè)的要求，并結(jié)合航拍區(qū)域的實(shí)際情況，應(yīng)在地面布設(shè)多個(gè)控制點(diǎn)，以校準(zhǔn)整體精度，使處理結(jié)果符合精度要求。在實(shí)際操作過程中，并沒有對(duì)控制點(diǎn)材料作出強(qiáng)制要求，可以根據(jù)區(qū)域內(nèi)的實(shí)際情況選擇控制點(diǎn)材料的顏色，只要能夠在航拍圖像上能夠明顯分辨出來。如：在綠色植被覆蓋區(qū)域，可以選擇白色材料控制點(diǎn)，這樣就能與其形成強(qiáng)烈的色彩反差，不會(huì)出現(xiàn)混淆的情況?？刂泣c(diǎn)的尺寸大小應(yīng)是地表分辨率的10倍左右，最好使用十字形。在實(shí)際操作過程中，航線起點(diǎn)和終點(diǎn)這兩個(gè)控制點(diǎn)的布設(shè)，不僅要與方位線保持垂直，而且要通過航拍圖像的中心點(diǎn)。

2.5 校準(zhǔn)工作

在使用一段時(shí)間后，無人機(jī)會(huì)出現(xiàn)一定的誤差，可能是受到運(yùn)輸晃動(dòng)的影響，也有可能是內(nèi)部元件的影響，所以要想保障其安全性，需要在起飛前進(jìn)行校準(zhǔn)工作，如：校準(zhǔn)指南針以及電調(diào)等。在校準(zhǔn)時(shí)要注意，不能在具有較強(qiáng)磁場(chǎng)的區(qū)域進(jìn)行校準(zhǔn)，如：金屬礦場(chǎng)等區(qū)域。另外，在完成相應(yīng)校準(zhǔn)工作后，如果無人機(jī)仍然出現(xiàn)飛行問題，如：云臺(tái)嚴(yán)重晃動(dòng)等，這時(shí)需要將其送到專業(yè)的校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行校準(zhǔn)。

2.6 航線規(guī)劃

在設(shè)計(jì)無人機(jī)航線時(shí)，要考慮到諸多因素的影響，如能否覆蓋整個(gè)目標(biāo)區(qū)域，以及無人機(jī)的續(xù)航時(shí)間是否充足等。在實(shí)際規(guī)劃航線的過程中，要滿足這兩點(diǎn)要求：其一航向的重疊率要滿足相關(guān)要求；其二是要盡量覆蓋整個(gè)目標(biāo)區(qū)域，并且由于目標(biāo)區(qū)域成像時(shí)，邊緣地帶會(huì)出現(xiàn)模糊的問題，所以應(yīng)將目標(biāo)區(qū)域拓展80 m左右的范圍。因此，可以將航線設(shè)計(jì)為“S”形。

2.7 起飛航拍

利用無人機(jī)煙感技術(shù)進(jìn)行航拍，其飛行航拍過程可以設(shè)定為自動(dòng)飛行，也可以手動(dòng)操作飛行；如：在此次航拍過程中，一共拍攝將近200張圖像，航向重疊率為80%，飛行時(shí)間為17 min左右，旁向重疊率為60%。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 處理工具

計(jì)算機(jī)配置應(yīng)基于一下要求：4GB 容量的顯卡，8GB 的內(nèi)存容量，CPU三級(jí)緩存等。另外，還要合理選擇處理軟件，在當(dāng)前的市場(chǎng)上，存在諸多類型的無人機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件。通過大量實(shí)踐證實(shí)，Agisoft Photoscan軟件具有良好的使用性能，便于操作、沒有對(duì)計(jì)算機(jī)配置有較高的要求、具有良好的出圖效果等。

3.2 處理對(duì)象

小型無人機(jī)在飛行的過程中，比較容易受到外界環(huán)境的影響，導(dǎo)致相鄰圖像的重疊度不夠理想。因此，為了保障數(shù)據(jù)的精度，應(yīng)選址拍攝質(zhì)量較好的圖片，并且格式為JPG。

3.3 處理過程

在對(duì)無人機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，由于比較復(fù)雜，并且具有較強(qiáng)的專業(yè)性，應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行操作，才能保障處理結(jié)果的精度符合水土保持設(shè)計(jì)要求。在使用Agisoft Photoscan軟件的過程中，需要改正圖像的畸變差，因?yàn)槌霈F(xiàn)這種情況會(huì)使得實(shí)際地面景物位置改變。

3.4 處理成果與精度檢驗(yàn)

在使用上述軟件對(duì)航拍數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，可以得到連接點(diǎn)、三維動(dòng)漫、Tield Model等數(shù)據(jù)。對(duì)于得到的這些影像，需要進(jìn)行精度檢驗(yàn)，確保其滿足相關(guān)規(guī)范要求，這樣才能保障水土保持監(jiān)測(cè)信息的實(shí)用性，能夠真實(shí)反映出實(shí)際情況。若精度較低，那么該圖像就不夠準(zhǔn)確。由于經(jīng)過大量研究，已經(jīng)證實(shí)無人機(jī)拍攝影像的水平精度符合相應(yīng)要求，所以該項(xiàng)目主要對(duì)數(shù)據(jù)的高程精度進(jìn)行檢驗(yàn)。此次檢驗(yàn)的實(shí)測(cè)檢驗(yàn)值，是對(duì)明顯地物點(diǎn)的高程值的采集，而無人機(jī)測(cè)算值，是DEM上同名地物點(diǎn)的高程值，并選取具有代表性的多個(gè)明顯同名地物點(diǎn)，檢驗(yàn)高程精度，其高程誤差計(jì)算公式如下：

其中：n 為檢測(cè)點(diǎn)的個(gè)數(shù)；mp 為點(diǎn)位中誤差；zi 為i 點(diǎn)的縱坐標(biāo)檢測(cè)值；Zi為i點(diǎn)的縱坐標(biāo)原測(cè)值。

在此次高程檢驗(yàn)過程中，將其分行高度設(shè)定在150 m，飛行17 min，從拍攝圖像中選出優(yōu)質(zhì)圖像196 張，經(jīng)過軟件處理后得出最終的高程精度檢驗(yàn)對(duì)象。在處理成果上選取了多個(gè)檢驗(yàn)點(diǎn)，對(duì)其高程精度進(jìn)行檢驗(yàn)，并通過對(duì)比得出殘差，最終得出高程中誤差，如表1 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，高程精度基本滿足水土保持監(jiān)測(cè)需求。

表1 高程精度檢驗(yàn)表

4 分析對(duì)比疊加及成果輸出

4.1 數(shù)據(jù)提取

在對(duì)航拍照片處理后，并生成三維模型等影像后，應(yīng)采取人際交互的方式對(duì)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目的相關(guān)情況進(jìn)行獲取，如：項(xiàng)目位置、水土流失情況以及施工情況等。首先，對(duì)位置和面積信息，利用相應(yīng)的空間信息提取軟件可獲取該信息，然后對(duì)水土保持方案進(jìn)行對(duì)比，確保項(xiàng)目的規(guī)范性。其次，對(duì)于取棄土渣量，可以根據(jù)堆渣高度，以及量測(cè)的面積進(jìn)行計(jì)算。在實(shí)際操作過程中，由于很多土渣場(chǎng)為坡地，所以需要進(jìn)行差值分析才能得到相應(yīng)數(shù)據(jù)。最后是水土保持措施，通過三維模型，可以直接看到項(xiàng)目水土保持措施類型，并通過量測(cè)，判斷現(xiàn)有措施是否需要進(jìn)一步完善，并判斷是否存在水土流失隱患。

4.2 體積測(cè)定和土壤侵蝕量計(jì)算

通過無人機(jī)數(shù)據(jù)對(duì)廢土渣量進(jìn)行提取，比較容易出現(xiàn)偏差，一旦原始地貌改變，那么使用無人機(jī)技術(shù)提取的數(shù)據(jù)也會(huì)比較容易出現(xiàn)偏差。因此，在實(shí)際進(jìn)行航拍之前，應(yīng)對(duì)所獲取的相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，之后再計(jì)算差值，才能得到準(zhǔn)確的堆渣量。另外，在生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持檢測(cè)工作中，土壤侵蝕量的計(jì)算是重點(diǎn)內(nèi)容。要對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，首先應(yīng)獲取某一時(shí)期的項(xiàng)目的三維模型，然后按照相應(yīng)方法計(jì)算出土壤流失的控制比，雖然得出的結(jié)果是估算，不能保障數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，但在一定程度上可以體現(xiàn)出生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目的水土流失情況。

5 結(jié)語

總之，大疆精靈4 無人機(jī)Phantom4 在生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)工作中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)采集，并能夠?qū)ο鄳?yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提高了水土保持監(jiān)測(cè)工作的效率和精準(zhǔn)度，不僅有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的弊端，也使得生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持相關(guān)情況的獲取更加縝密，有利于國民經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定發(fā)展。