基于無人機(jī)遙感技術(shù)的水土保持監(jiān)測(cè)信息數(shù)據(jù)管理方法

張李均

(福建省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，福建 福州 350001)

隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各國(guó)都在加快工業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程，對(duì)于土地資源的開發(fā)也與日俱增[1]。這會(huì)出現(xiàn)大量的土石方挖掘、棄土棄渣和過多的臨時(shí)土堆建筑等，導(dǎo)致地表、地貌和土壤植被受到嚴(yán)重破壞[2]。甚至?xí)a(chǎn)生嚴(yán)重水土流失，誘發(fā)泥石流山體滑坡等自然災(zāi)害，使生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重破壞[3]。

水土保持對(duì)于人文生態(tài)的保護(hù)具有重要意義，而現(xiàn)階段水土保持的信息化水平較低，不能滿足當(dāng)前環(huán)境檢測(cè)保護(hù)的需要。傳統(tǒng)的水土保持監(jiān)管更多基于人工監(jiān)測(cè)，效率低、精度差、信息反饋不及時(shí)，存在諸多問題[4]。通過高新技術(shù)的應(yīng)用，利用遙感技術(shù)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息管理，獲取數(shù)據(jù)精度高、可以對(duì)相關(guān)方面實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于水土保持工作的高效管理[5]。

傳統(tǒng)的水土保持信息主要通過野外勘測(cè)來收集，獲得地形地貌的一系列數(shù)據(jù)，容易出現(xiàn)大量數(shù)據(jù)誤差，對(duì)于數(shù)據(jù)的保護(hù)和管理方面，也會(huì)出現(xiàn)圖像更新不及時(shí)，數(shù)據(jù)資料缺乏等困難。利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和遙感測(cè)算，能夠提高水土保持的信息獲取效率，受到了研究人員的熱切關(guān)注[6]。無人機(jī)可以用來制作水土保持情況的影像圖，結(jié)合低空航測(cè)，可以快速獲取待測(cè)區(qū)域范圍內(nèi)的地形地貌數(shù)據(jù)、植被分布情況等信息。通過管理系統(tǒng)可以有效實(shí)現(xiàn)遙感數(shù)據(jù)的采集、處理和應(yīng)用[7]。

本文主要研究基于無人機(jī)遙感技術(shù)的水土保持監(jiān)測(cè)信息數(shù)據(jù)管理辦法，通過無人機(jī)獲得的數(shù)據(jù)影像，利用輔助軟件構(gòu)建水土保持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于地貌合規(guī)性和植被保護(hù)情況的動(dòng)態(tài)監(jiān)控，保證對(duì)于水土保持?jǐn)?shù)據(jù)的高效獲取和快速分析處理。

1 水土保持監(jiān)測(cè)

1.1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)內(nèi)容

根據(jù)2015年水利部辦公廳發(fā)布的《生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)規(guī)程(試行)》文件。對(duì)于水土保持監(jiān)測(cè)需要與開發(fā)建設(shè)同步開展[8]。監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括：

(1)施工區(qū)域水土流失狀況和開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目的相關(guān)防治效果；

(2)水土保持方案的設(shè)計(jì)和施工情況，相關(guān)工程的進(jìn)度情況；

(3)督查水土流失隱患，并進(jìn)行相關(guān)防治建議的提出和改進(jìn)；

(4)水土保持監(jiān)管以及公眾監(jiān)督技術(shù)支持。

1.2 監(jiān)測(cè)方法

土地資源的開發(fā)和利用，方式多種多樣，住宅建筑、公路鐵路、資源開發(fā)、管路鋪設(shè)等。盡管開發(fā)的項(xiàng)目情況不同，但是對(duì)于水土資源的破壞情況都有一定的相似性[9]。引發(fā)水土資源流失，擾動(dòng)范圍大等，而且水土的流失還會(huì)隨著時(shí)間的變化而變化。

對(duì)于水土保持的監(jiān)測(cè)方法有很多種，對(duì)于一些防治責(zé)任范圍較小的項(xiàng)目，可以采用實(shí)地測(cè)量、現(xiàn)場(chǎng)觀察、數(shù)據(jù)分析等方法和手段。而對(duì)于大范圍的項(xiàng)目就需要采用遙感監(jiān)測(cè)，主要依托衛(wèi)星監(jiān)測(cè)和無人機(jī)監(jiān)測(cè)等。利用遙感手段，全面了解相關(guān)項(xiàng)目進(jìn)行區(qū)域的地形地貌數(shù)據(jù)，獲取水土流失數(shù)據(jù)。

2 基于遙感影像的監(jiān)測(cè)方法

2.1 遙感影像數(shù)據(jù)的獲取

利用無人機(jī)的遙感影像獲取水土保持的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)需要3個(gè)步驟，分別為飛行路徑規(guī)劃設(shè)計(jì)、無人機(jī)原始圖像數(shù)據(jù)獲取和無人機(jī)原始圖像數(shù)據(jù)處理[10]。

對(duì)于原始數(shù)據(jù)的處理工作，需要通過專用的圖像處理軟件來完成[11]，諸如三維建模、數(shù)據(jù)分布等精細(xì)的目標(biāo)區(qū)域數(shù)據(jù)重建。對(duì)于同一個(gè)目標(biāo)位置的三維建模，需要的圖像不能低于2張。通過照片的陣列排布，軟件會(huì)自動(dòng)完成相關(guān)的影像命名匹配工作，并根據(jù)路徑規(guī)劃估算圖像拍攝時(shí)的相機(jī)角度，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)校正。根據(jù)上述信息構(gòu)建點(diǎn)云，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多邊形網(wǎng)格重建，再根據(jù)相應(yīng)的圖像效果添加完成數(shù)據(jù)的處理過程。

2.2 監(jiān)測(cè)信息的數(shù)字圖像提取

對(duì)于水土保持工作，需要監(jiān)測(cè)的信息主要包括土地類型、各地物的位置、監(jiān)測(cè)對(duì)象的尺度和位置信息、這些均可以在完成后的圖像處理信息中獲得[12]。

對(duì)于圖像中監(jiān)測(cè)對(duì)象的位置信息、尺寸信息和體積高度信息等均采用計(jì)算機(jī)微積分的形式進(jìn)行相應(yīng)處理[13]。利用網(wǎng)格的尺度估計(jì)對(duì)象的體積高度面積等信息，并可以利用時(shí)間差作積分，評(píng)估對(duì)象信息的變化速率情況。利用三維圖像效果，可以真實(shí)反映項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)的水土保持情況和處理細(xì)節(jié)，對(duì)于有誤差的信息可以采用局部修正來保證圖像數(shù)據(jù)的可靠性。

3 無人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)信息數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)原則

對(duì)于無人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)信息數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)，需要遵循一定的規(guī)則。

主要包括：

(1)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)技術(shù)性強(qiáng)、實(shí)用水平高。根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的發(fā)展，綜合考慮系統(tǒng)的普及性情況，可以利用成熟度高、綜合成本較低的Oracle作為數(shù)據(jù)庫(kù)開發(fā)工具，能夠有效滿足用戶的各種需求，且具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性[14]。

(2)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)穩(wěn)定性好、可靠性能佳。對(duì)于無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)來說，其數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)必須具備較強(qiáng)的數(shù)據(jù)恢復(fù)能力，Oracle系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)備份能力強(qiáng)，可以為系統(tǒng)提供良好的容錯(cuò)能力，有效保障遙感影像數(shù)據(jù)的完整性。為了保證數(shù)據(jù)的安全性，可以在系統(tǒng)中設(shè)置管理權(quán)限，通過授權(quán)加密設(shè)計(jì)保證核心數(shù)據(jù)的訪問安全。數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)同樣需要具備強(qiáng)大的抗干擾能力，對(duì)于操作錯(cuò)誤等，能夠及時(shí)提出處理方案和警告信息。

(3)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)需要具備一定的擴(kuò)展性和靈活性[15]。由于無人機(jī)遙感技術(shù)發(fā)展迅速，大量的升級(jí)功能正在開發(fā)，因此對(duì)于相關(guān)影像數(shù)據(jù)庫(kù)方面，就需要具備良好的開放性和擴(kuò)展性，能夠兼容各種類型的系統(tǒng)，對(duì)于用戶的功能需求可以在不影響原系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下迅速擴(kuò)展，數(shù)據(jù)的格式和數(shù)據(jù)的接口需要復(fù)合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

(4)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)具備一定的獨(dú)立性和良好的數(shù)據(jù)共享能力。保證影像數(shù)據(jù)庫(kù)能夠獨(dú)立于無人機(jī)而存在，同時(shí)能夠與其他用戶之間共享數(shù)據(jù)服務(wù)。

3.2 數(shù)據(jù)管理關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1地理參照。

作為元數(shù)據(jù)的一部分，地理參照是將柵格圖像與地面坐標(biāo)之間的進(jìn)行轉(zhuǎn)換，是兩者之間的一種對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過坐標(biāo)對(duì)應(yīng)，地理參照可以將無人機(jī)拍攝的圖像單位轉(zhuǎn)換成地面的直接坐標(biāo)。理論上可以認(rèn)為地面參照的原理就是在大點(diǎn)的坐標(biāo)系中將柵格圖像進(jìn)行坐標(biāo)定位，如圖1所示。

圖1 圖像坐標(biāo)系與地面坐標(biāo)系關(guān)系

地理參照的作用只是在于對(duì)圖像坐標(biāo)和地面位置坐標(biāo)之間建立一種關(guān)系，通過對(duì)應(yīng)將柵格中的點(diǎn)找到對(duì)應(yīng)的位置，但是對(duì)于柵格圖像的單元數(shù)據(jù)等并不會(huì)有所改變。

地理參照使用的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式為：

row=a+b×x+c×y
col=d+e×x+f×y

(1)

式中，row—圖像的行坐標(biāo)；col—圖像的列坐標(biāo)；x—大地坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)；y—大地坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)；a、b、c、d、e、f—對(duì)應(yīng)的參數(shù)。

3.2.2影像數(shù)據(jù)分塊與金字塔結(jié)構(gòu)。

(2)如果前頭有表示時(shí)點(diǎn)的時(shí)間詞語，：“就”表示早，“才”表示晚；如果有表示時(shí)段的時(shí)間詞語，“就”表示快，“才”表示慢。

在影像數(shù)據(jù)的管理中，由于影像數(shù)據(jù)量較大，對(duì)于其數(shù)據(jù)提取只是選擇其中的一部分，從而保證系統(tǒng)讀寫速率。

對(duì)于大量的柵格數(shù)據(jù)需要按照一定的規(guī)則進(jìn)行存儲(chǔ)，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。柵格數(shù)據(jù)一般按照正方形的分塊方法進(jìn)行劃分，根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)需要，對(duì)數(shù)據(jù)塊進(jìn)行劃分。

對(duì)于圖像長(zhǎng)寬比例不能滿足分塊整數(shù)倍的情況，需要對(duì)于圖像進(jìn)行補(bǔ)零操作，對(duì)圖像的數(shù)據(jù)的左右或者上下補(bǔ)上一定的零數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)圖像有效劃分。補(bǔ)充零數(shù)據(jù)的圖像如圖2所示。

圖2 圖像數(shù)據(jù)補(bǔ)0操作

對(duì)于柵格圖像的顯示，通常情況下并不需要顯示全部圖像，而是需要縮小的顯示效果，根據(jù)情況加載縮小化圖像可以提高系統(tǒng)顯示速率，尤其是在不需要詳細(xì)顯示的時(shí)候，顯示圖像的輪廓就能完成基本要求，圖像金字塔技術(shù)就是在柵格圖像顯示管理中一種提高顯示素的技術(shù)。

金字塔結(jié)構(gòu)是一種具有多種分辨率層級(jí)的模型，用一組柵格數(shù)據(jù)來代表同一個(gè)地理位置上的不同分辨率圖像，一般呈等比數(shù)列分布。

影像金字塔的構(gòu)建主要通過一次次對(duì)最高分辨率圖像進(jìn)行壓縮，得到一組尺寸逐級(jí)遞減的影像序列，如圖3所示。

圖3 影像顯示金字塔

影像金字塔可以有效提高用戶操作過程中的查詢效率，但是建立金字塔的層級(jí)越多，數(shù)據(jù)庫(kù)中需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)越多，復(fù)雜性也就越高。

如果金字塔的最下面一級(jí)為0級(jí)，則可以用r(0)，c(0)和h(0)表示其對(duì)應(yīng)的行尺寸、列尺寸和分辨率。對(duì)于第n級(jí)的影像來說，其對(duì)應(yīng)的尺寸數(shù)據(jù)如下式：

(2)

(3)

h(n)=h(0)×2×n

(4)

空間索引的建立，主要是為了在數(shù)據(jù)查詢過程中，可以通過數(shù)據(jù)庫(kù)快速定位到對(duì)象的位置，提高系統(tǒng)操作的效率和響應(yīng)速度。通過組織方式的改進(jìn)，有效減少數(shù)據(jù)響應(yīng)時(shí)間提高數(shù)據(jù)庫(kù)性能，是數(shù)據(jù)庫(kù)管理的核心和關(guān)鍵。主要包括四叉樹和R樹2種索引機(jī)制，可以單獨(dú)使用也可以混合作用。

(1)四叉樹索引主要適用于空間索引，包括各類點(diǎn)數(shù)據(jù)、區(qū)域數(shù)據(jù)和多維數(shù)據(jù)等。可以將其根據(jù)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度分成定長(zhǎng)索引和變長(zhǎng)索引。

定長(zhǎng)索引主要將空間數(shù)據(jù)進(jìn)行四等分劃分，并持續(xù)遞歸四等分劃分。直到所有元素均落入方格內(nèi)，根據(jù)莫頓編碼生成四叉樹。

變長(zhǎng)索引主要是在定長(zhǎng)索引的形成過程中，對(duì)于空間對(duì)象集中的區(qū)域，會(huì)過度劃分網(wǎng)格，造成整個(gè)空間內(nèi)的冗余數(shù)據(jù)增多。僅對(duì)于元素覆蓋密集的區(qū)域進(jìn)行繼續(xù)劃分，則可以有效降低冗余數(shù)據(jù)量，形成一般的四叉樹，對(duì)應(yīng)索引為變成索引。

(2)R樹索引是Oracle中默認(rèn)推薦使用的空間索引，通過最小矩形邊界來對(duì)幾何體進(jìn)行空間匹配。對(duì)于特定的幾何體圖層，R樹索引中包括該圖層上面的所有幾何體的最小矩形邊界索引。該索引的數(shù)據(jù)也同樣存儲(chǔ)于空間索引的數(shù)據(jù)表格中。

3.3 無人機(jī)遙感技術(shù)在水土保持中的應(yīng)用

無人機(jī)遙感技術(shù)是伴隨著無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展而來的，以無人機(jī)作為空中媒介，搭載各類型傳感器，獲取相關(guān)數(shù)據(jù)圖像信息。由計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理，結(jié)合特定數(shù)據(jù)需求完成數(shù)據(jù)收集和整理工作。

將無人機(jī)技術(shù)與水土保持監(jiān)測(cè)結(jié)合，使用方法簡(jiǎn)便，監(jiān)測(cè)效果良好，可以為各建設(shè)項(xiàng)目的水土保持提供更好的技術(shù)支持。

3.4 無人機(jī)遙感水土保持監(jiān)測(cè)信息數(shù)據(jù)管理

對(duì)于水土保持?jǐn)?shù)據(jù)的管理，主要通過元數(shù)據(jù)的管理形式，用于說明數(shù)據(jù)中的內(nèi)容、質(zhì)量、水土保持狀況和其他相關(guān)信息。

元數(shù)據(jù)可以對(duì)于收集到的水土監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行很好的說明，從而使得用戶在查詢過程中能夠快速了解數(shù)據(jù)的相關(guān)信息。

水土保持的元數(shù)據(jù)主要包括2大部分?jǐn)?shù)據(jù)信息，分別為目標(biāo)基本屬性信息和目標(biāo)附加屬性信息?；緦傩匀鐭o人機(jī)傳感器類型、數(shù)據(jù)獲取時(shí)間、獲得圖像分辨率、地圖坐標(biāo)位置、數(shù)據(jù)類型等，是關(guān)于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)影像的關(guān)鍵部分。附加信息主要是與數(shù)據(jù)應(yīng)用相關(guān)的一系列信息如信息記錄者、數(shù)據(jù)編寫日期、存放方式等，主要是對(duì)于相關(guān)水土保持?jǐn)?shù)據(jù)提供索引信息。

遙感影像數(shù)據(jù)的管理，可以采取結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式。通過同時(shí)存儲(chǔ)遙感影像數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)元數(shù)據(jù)，能夠快速發(fā)揮數(shù)據(jù)庫(kù)管理的效率和作用，是當(dāng)前水土保持監(jiān)測(cè)信息管理的主要存儲(chǔ)方式。

4 結(jié)語

無人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)提供了水土保持監(jiān)測(cè)技術(shù)的手段，大大提高了數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的效率，結(jié)合水土保持監(jiān)測(cè)的要求，可以從遙感數(shù)據(jù)獲取、監(jiān)測(cè)信息提取和數(shù)據(jù)庫(kù)管理等方面，構(gòu)建無人機(jī)遙感的水土保持監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于地貌合規(guī)性和植被保護(hù)情況的動(dòng)態(tài)監(jiān)控，保證水土保持?jǐn)?shù)據(jù)的高效獲取和快速分析處理。構(gòu)建水土保持的數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)水土保持?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行管理，通過元數(shù)據(jù)的管理形式，進(jìn)一步提升了信息監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)管理的效率。但是由于水土流失受自然現(xiàn)象影響嚴(yán)重，破壞情況無法實(shí)時(shí)獲取，需要研究人員在相關(guān)方面繼續(xù)研究，為水土保持提供更好的技術(shù)支持。