張雅文,許文盛,沈盛彧,王志剛,張平倉

(長江科學院水土保持研究所,430010,武漢)

無人機遙感技術在生產(chǎn)建設項目水土保持監(jiān)測中的應用
——方法構建

張雅文,許文盛?,沈盛彧,王志剛,張平倉

(長江科學院水土保持研究所,430010,武漢)

無人機遙感為水土保持監(jiān)測提供了新的技術支撐手段,但這一技術在水土保持監(jiān)測工作中的應用尚處于起步階段,還未形成統(tǒng)一、有效的方法與標準。研究將無人機遙感技術與水土保持監(jiān)測現(xiàn)行的規(guī)范規(guī)程相結合,從基礎數(shù)據(jù)獲取、監(jiān)測信息提取及信息在水土保持監(jiān)測中的應用等3方面,構建基于無人機遙感的生產(chǎn)建設項目水土保持監(jiān)測方法,并將其應用于工程實例?；A數(shù)據(jù)獲取包括飛行規(guī)劃設計、原始數(shù)據(jù)獲取及原始數(shù)據(jù)處理3個步驟,最終生成DEM和DOM成果;監(jiān)測信息提取可在DEM或DOM成果的基礎上進行,通常包括土地利用類型、監(jiān)測對象位置、長度、面積及體積等;信息應用主要是結合相關規(guī)程規(guī)范,將提取出的有效信息,逐一應用到生產(chǎn)建設項目水土保持監(jiān)測工作中。應用結果表明,研究構建的方法簡單實用,可提高無人機遙感在水土保持監(jiān)測中應用的技術水平,為生產(chǎn)建設項目水土流失防治提供技術支撐。

無人機遙感技術;水土保持監(jiān)測方法;生產(chǎn)建設項目;遙感數(shù)據(jù);信息提取

水土保持監(jiān)測是準確、及時和客觀地反映生產(chǎn)建設項目區(qū)水土流失狀況、水土保持措施實施情況的有效途徑,對水土流失綜合治理、生態(tài)環(huán)境建設宏觀決策以及科學、合理和系統(tǒng)地布設水土保持各項措施具有重要意義,通常包括實地量測、地面觀測和資料分析等監(jiān)測方法[1-2];而應用無人機遙感技術,進行生產(chǎn)建設項目水土保持監(jiān)測,是一種既便捷又準確的新技術手段。對于準確掌握水土流失的位置、強度和危害,推進水土保持監(jiān)測工作的定量化、精細化和信息化發(fā)展,具有重要引領作用[3]。

無人機遙感技術(Unmanned Aerial Vehicle Remote Sensing),是以無人機為空中平臺,通過搭載傳感器獲取信息,用計算機對數(shù)據(jù)進行處理,并結合特定需求制作成果[4]。這一技術來自于軍事領域[5],隨著可搭載的數(shù)據(jù)化探測設備及新型傳感器的研發(fā)成功,無人機遙感技術的應用領域得到迅速拓展[6]。與早期的衛(wèi)星遙感監(jiān)測手段相比,無人機遙感技術很好地解決了衛(wèi)星影像固定時空分辨率影響監(jiān)測精度的問題[5,7]。通過設置航跡、飛行高度等參數(shù),無人機遙感可以獲取滿足精度要求的高分辨率影像;同時,根據(jù)實際需求,設定飛行頻次,實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測。目前無人機遙感技術呈現(xiàn)出多用途、多機型、多種載荷能力和多種續(xù)航能力的發(fā)展態(tài)勢[8];然而,其在水土保持監(jiān)測工作中的應用,尚處于起步階段[9-10],還未形成統(tǒng)一有效的方法與標準。筆者在綜合分析無人機遙感技術特點的基礎上,結合生產(chǎn)建設項目水土保持監(jiān)測相關技術要求,以簡便實用為出發(fā)點,構建基于無人機遙感的水土保持監(jiān)測方法,以期提高水土保持無人機遙感監(jiān)測水平,為生產(chǎn)建設項目水土流失防治提供技術支撐。

1 方法構建

1.1 遙感影像基礎數(shù)據(jù)的獲取

無人機遙感影像基礎數(shù)據(jù)的獲取包括飛行規(guī)劃設計、原始數(shù)據(jù)獲取及原始數(shù)據(jù)處理3個步驟。

1.1.1 飛行規(guī)劃設計根據(jù)項目區(qū)范圍和成果精度要求(數(shù)字高程模型DEM、數(shù)字正射影像DOM),進行飛行規(guī)劃設計,包括設定飛行方向、飛行高度、角度、航向及旁向重疊度等;同時,布設一定數(shù)量的地面標識(圖1)作為控制點(ground control point, GCP),具體標識方法詳見文獻[7,11],其數(shù)量需滿足精度要求,一般精度都要達到亞米級(0.5～1.0 m)。控制點坐標的采集,一種是用手持GPS獲取,另一種是使用全站儀或差分GPS測量(精度可以達±10 mm)[6],后者精度更高。除了控制點外,還可布設一定數(shù)量的解譯標志,需覆蓋項目區(qū)的全部地物類型,為后續(xù)影像分類提供依據(jù)。

圖1 地面控制點的標識示意圖Fig.1 Schematic picture of marking surface control points

1.1.2 原始數(shù)據(jù)獲取無人機上配置全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)、慣性測量單元(Inertial Measurement Unit,IMU)以及特定的傳感器,如光學相機;同時,根據(jù)數(shù)據(jù)獲取的要求,還可搭載實時數(shù)據(jù)傳輸裝置。當設備配置完畢后,即可根據(jù)設計好的飛行路線,實施無人機飛行和拍攝,獲取原始的遙感影像數(shù)據(jù)。

1.1.3 原始數(shù)據(jù)處理使用Agisoft Photoscan Professional軟件來處理獲取的原始數(shù)據(jù),形成DEM和DOM成果。Agisoft Photoscan Professional是一個圖片三維重建的軟件,在有控制點和無控制點的條件下,都可基于原始靜態(tài)照片重建三維模型,可生成精度達5 cm的DOM成果和極其精細的DEM模型。針對同一個目標的三維重建,僅需要2張照片。該軟件數(shù)據(jù)處理流程包括3步:首先,形成照片陣列, Photoscan會自動搜索照片中的同名像點,并進行匹配,同時,也會估算出每張照片拍攝時相機的視角,并對相機參數(shù)進行校正;然后,基于估測出的相機位置和照片,建立密集點云;最后,基于密集點云或者是稀疏點云,Photoscan會重建三維多邊形網(wǎng)格,基于該網(wǎng)格,可進一步制作DEM和DOM成果。

1.2 基本監(jiān)測信息的提取

水土保持監(jiān)測的基本信息一般包括土地利用類型、監(jiān)測對象位置、監(jiān)測對象長度與面積以及監(jiān)測對象體積等,可在DEM和DOM成果的基礎上進行提取。

1.2.1 土地利用類型土地利用類型的識別有2種方法:一種是目視識別及勾畫,另一種是計算機分類。第1種方法針對特定類型的地物,如取土場、棄土場、截排水溝和植被等,可通過人工目視判讀,直接繪制矢量,勾畫出特定類型的地物;第2種方法針對較大的項目區(qū)域,此時直接進行人工判讀,耗時很長,可利用計算機分類技術?；谇捌诮⒌牡孛娼庾g標志,采用面向對象的方法,利用多尺度分割生成影像對象,運用模糊邏輯方法,計算出對象的形狀信息、紋理信息以及對象間的拓撲關系信息,通過特征參數(shù)組合,建立規(guī)則集,實現(xiàn)影像分類[12]。

1.2.2 監(jiān)測對象位置在ArcGIS中,利用DEM和DOM成果,直接獲取特定對象的位置信息,包括經(jīng)緯度(或者自定義坐標系內的空間坐標)和高程。

1.2.3 監(jiān)測對象長度與面積利用人工勾畫或者計算機自動分類結果,在ArcGIS中,測量監(jiān)測對象的長度,并計算其面積。

1.2.4 監(jiān)測對象體積基于DEM成果,利用微分思想,用高程乘以柵格大小,累加起來可近似得到監(jiān)測對象的體積。體積差的計算,需用2個時間點量得的高程差乘以大小,累加起來即可得到該時間段內監(jiān)測對象體積的變化。

1.2.5 三維模型構建根據(jù)DEM和DOM成果,在ArcGIS中,完成項目區(qū)三維模型的構建,實現(xiàn)3D效果下的虛擬漫游,客觀真實地呈現(xiàn)項目區(qū)的全貌與細節(jié),并可據(jù)此對提取的基本信息進行局部修正。

1.3 基本信息在生產(chǎn)建設項目水土保持監(jiān)測中的應用

無人機遙感技術在生產(chǎn)建設項目水土保持監(jiān)測工作中的一項重要應用是從DEM和DOM的成果中,提取出有效信息,然后結合水土保持監(jiān)測相關的規(guī)程規(guī)范,逐一應用到生產(chǎn)建設項目水土保持監(jiān)測相關工作中,對于綜合評價生產(chǎn)建設項目水土流失和保持情況,建立水土流失本底數(shù)據(jù)庫,以及撰寫相關的監(jiān)測季報和年報總結等,提供有力支撐。

1.3.1 擾動土地狀況監(jiān)測

1)監(jiān)測內容:包括擾動范圍、面積、土地利用類型及其變化情況等。土地利用類型參照GB/T 2010土地利用類型一級類。

2)信息應用:通過DOM成果,結合項目區(qū)平面布置圖,勾畫各分區(qū)的邊界線;基于AcrGIS,計算各分區(qū)擾動面積,并標注其土地利用類型。擾動土地的變化情況,可通過對比不同時間的監(jiān)測成果得到。

1.3.2 取土(石、料)棄土(石、渣)監(jiān)測

1)監(jiān)測內容:包括取土(石、料)場、棄土(石、渣)場及臨時堆放場的數(shù)量、位置、方量、表土剝離和防治措施的落實情況等。

2)信息應用:通過DOM成果,勾畫出項目區(qū)內的取土場、棄土場及臨時堆土場,標識出詳細位置,并計算其數(shù)量。利用DEM成果依據(jù)體積的計算方式計算方量;同時,通過與前一時間監(jiān)測的方量對比,計算項目施工期間方量的變化量,如棄渣量的變化。表土剝離和防治措施的落實情況,反映在影像細節(jié)上,如是否采取苫蓋等措施,可從三維模型上直接觀察得到。

1.3.3 水土保持措施監(jiān)測

1)監(jiān)測內容:包括工程措施、植物措施和臨時防治措施。針對植物措施,監(jiān)測林草的生長發(fā)育情況(樹高、喬木胸徑和喬灌冠幅)、成活率、保存率及植被覆蓋率。

2)信息應用:通過DOM成果,勾畫矢量及測量計算,獲取各分區(qū)水土保持措施的實施情況。工程措施:取土場和棄土場的土地整治面積、截排溝水位置和長度、路基工程護坡位置和面積、植物護坡位置和面積等;植物措施:植被分布及占地面積、綠化面積等;臨時防治措施:臨時排水溝位置和長度、臨時攔擋位置和長度、防雨布位置和長度等。數(shù)量信息可統(tǒng)計得到,除了位置、長度和面積等信息,還可直接從三維模型上觀察到一些情況,如工程防護措施的完好程度、樹木的成活率等。針對項目區(qū)林草的生長發(fā)育情況,一方面,可利用計算機分類結果計算植被覆蓋率等指標,另一方面,還可通過提取樹木的位置和冠徑,計算不同樹木的三維綠量,反映其生長發(fā)育情況[13]。

1.3.4 土壤流失情況監(jiān)測

1)監(jiān)測內容:包括土壤流失面積、土壤流失量、取土(石、料)棄土(石、渣)潛在土壤流失量和水土流失危害等。

2)信息應用:土壤流失量的計算,有2種方法。其一,將無人機遙感技術與地面觀測相結合,前者獲取土壤流失面積,后者獲得各分區(qū)監(jiān)測點土壤侵蝕模數(shù),利用水土流失面積、侵蝕模數(shù)和侵蝕時段,計算出各分區(qū)水土流失量;其二,針對水蝕的情況,完全依靠無人機遙感技術,提取各分區(qū)植被覆蓋度、土地利用類型和坡度(DEM數(shù)據(jù)計算)等數(shù)據(jù),結合降水量等,根據(jù)土壤侵蝕方程及土壤侵蝕分類標準,計算得到項目區(qū)的水土流失量、強度及分布情況。

1.3.5 水土流失防治效果監(jiān)測

1)監(jiān)測內容:主要包括擾動土地整治率、水土流失總治理度、攔渣率與棄渣利用率、土壤流失控制比、林草植被恢復率和林草覆蓋率等6項指標。

2)信息應用:依據(jù)6項指標的計算公式,提取水土保持措施面積(3種措施面積之和)、永久建筑物占地面積、建設區(qū)擾動地表面積、土壤流失總面積、采取措施后實際攔擋的棄土量和棄土總量、項目區(qū)治理后平均土壤流失強度、項目區(qū)林草植被恢復面積、項目區(qū)林草面積和項目區(qū)總面積,然后直接用于計算,并檢驗其是否達標。

2 實例分析

依據(jù)筆者構建的基于無人機遙感的水土保持監(jiān)測方法,選取某生產(chǎn)建設項目一典型區(qū)域,利用大疆精靈3無人機實施航拍,獲取遙感觀測數(shù)據(jù),并進行監(jiān)測信息的提取及應用。

2.1 遙感基礎數(shù)據(jù)獲取

無人機選擇自動航跡設計,飛行高度設定為129 m,航拍覆蓋區(qū)域面積約7.15 hm2。針對航拍獲取的影像,使用Agisoft Photoscan Professional進行處理,制作成DOM和DEM成果,如圖2所示。從成果精度而言,DOM和DEM成果的水平分辨率分別是0.051和0.206 m。在DOM和DEM成果的基礎上,可進一步提取基本監(jiān)測信息。

2.2 基本監(jiān)測信息提取

首先,利用DOM成果,手動勾選出水土保持監(jiān)測區(qū)域,例如臨時堆土區(qū)、施工生產(chǎn)生活區(qū)等,如圖3所示。針對分區(qū),可在ArcGIS中確定其位置、量測其面積。其次,利用DEM成果,基于微分法思想,可估算臨時堆土場的體積。由此,提取本區(qū)域基本監(jiān)測信息見表1。

2.3 監(jiān)測信息應用

目前,本區(qū)域僅實施1次航拍,獲取的監(jiān)測信息有限,如果開展多次觀測,即可形成對比,并進行變化分析。本次獲取的監(jiān)測信息主要應用在:1)擾動土地狀況監(jiān)測。臨時堆土區(qū)、施工生產(chǎn)生活區(qū)1、施工生產(chǎn)生活區(qū)2和施工生產(chǎn)生活區(qū)3的擾動土地面積分別為7 414.23、1 818.57、2 371.8和1 851.94 m2。2)取土(石、料)棄土(石、渣)監(jiān)測。臨時堆土場所在的中心點位置是E 113.031°,N 32.05°,面積是7 414.23 m2,臨時堆土體積是72 626 m3,該堆土場未采取苫蓋措施。

表1 提取的基本監(jiān)測信息Tab.1 Extracted basic monitoring information

圖2 某生產(chǎn)建設項目典型區(qū)域DOM和DEM成果Fig.2 DOM and DEM results of a typical region in a practical construction project

圖3 手動勾選水土保持監(jiān)測不同分區(qū)Fig.3 Manual selection of soil and water conservation monitoring areas

根據(jù)《水土保持試驗規(guī)程》,針對施工生產(chǎn)生活區(qū)面積、臨時堆土場面積和體積的監(jiān)測,通常采用手持GPS、測距測高儀和皮尺等傳統(tǒng)工具進行量測,不僅耗時長,效率低,而且存在著巨大的偶然誤差;而本文方法的應用,不僅大大節(jié)省時間(針對本區(qū)域,相比于傳統(tǒng)量測,節(jié)省時間2/3以上),而且在精度上也避免了偶然誤差的影響。

3 結束語

無人機遙感改變了水土保持監(jiān)測技術手段,提高監(jiān)測效率。在分析無人機遙感技術特點的基礎上,結合水土保持監(jiān)測的相關要求,從遙感基礎數(shù)據(jù)獲取、水土保持基本信息提取及基本信息應用等方面,構建基于無人機遙感的生產(chǎn)建設項目水土保持監(jiān)測技術與方法,如圖4所示。結合一典型案例,對該方法進行實踐,獲取基本的監(jiān)測信息,并加以應用,結果表明筆者構建的方法簡單實用。

無人機遙感具有可靈活選擇傳感器、時效性好、數(shù)據(jù)精度高及可獲取三維模型等優(yōu)點,構建的方法可為無人機遙感在生產(chǎn)建設項目水土保持監(jiān)測工作中的應用,提供新的技術依據(jù);但由于無人機遙感因垂直精度誤差較大,存在影響監(jiān)測對象體積量精度的缺點,且在水土保持監(jiān)測工作的應用處于起步階段;因此,還需要通過不斷的實踐,對研究方法做進一步的探討與完善。

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Application of UAV remote sensing technology in monitoring of soil and water conservation for construction projects: The establishment of a method

ZHANG Yawen,XU Wensheng,SHEN Shengyu,WANG Zhigang,ZHANG Pingcang
(Division of Soil and Water Conservation,Changjiang River Scientific Research Institute,430010,Wuhan,China)

[Background]The Unmanned Aerial Vehicle(UAV)remote sensing provides a new supporting technique for soil and water conservation monitoring.However,for the practical use in soil and water conservation monitoring for construction projects,this technology is still at its beginning age and no uniform application methods or standards have been set up.The purpose of this work is to establish a method of soil and water conservation monitoring based on the UAV remote sensing technology,aiming at increasing the monitoring precision of UAV sensing technology and providing technical support for control soil loss in the construction projects.[Methods]The established method is divided into three parts:the acquisition of basic data,the extraction of monitoring information and the application of information in monitoring work.First,the acquisition of basic data was carried out by UAV with GPS,IMU and specific sensor,and the raw data processing was conducted by Agisoft Photoscan Professional to obtain the Digital Elevation Model(DEM)and Digital Orthophoto Map(DOM)results. ___Second,the extraction of monitoring information was based on the DEM and DOM results by softwareArcGIS.The information extracted from DEM and DOM results generally includes the land cover type, the location,length,area and volume for a specific object and the reconstruction of a 3D model for the project area.Finally,according to the criterion,extracted information,and specification,the practical monitoring work was proceeded,in which the data include the monitoring of land disturbance,the use and disposal of soil,soil and water conservation measures,soil loss and soil and water conservation effects.[Results]The established method was applied to a specific construction project for soil and water conservation monitoring test with a UAV of Phantom 4 Pro.In our test,the relative flight height was 129 m,and the aerial coverage area was 7.15 hm2.Horizontal resolution of the DEM and DOM results were 0.051 and 0.206 m,respectively.It was indicated that the areas of the typical temporary disposal area,production and living area 1,2 and 3 was 7 414.23 m2,1 818.57 m2,2 371.8 m2and 1 851.94 m2,respectively.The volume of the temporary disposal was 72 626 m3without temporary covers. Compared to the traditional monitoring methods,the established method not only saved time more than two third,but also avoided accident errors.[Conclusions]The established method can be used in practical soil and water conservation monitoring for construction projects,and it is simple and practical. More importantly,it can improve our technical skill to apply UAV remote sensing technology into real soil and water conservation monitoring work,as to give strong technical support for soil and water conservation in construction projects.

UAV remote sensing technology;soil and water conservation monitoring;construction projects;remote sensing data;information extraction

S157;V279

:A

:2096-2673(2017)01-0134-07

10.16843/j.sswc.2017.01.017

2016- 06- 19

2016- 12- 11

項目名稱:水利部“948”計劃“無人機載微型高光譜成像儀”(No.201507)

張雅文(1989—),女,碩士。主要研究方向:遙感數(shù)據(jù)處理及應用。E-mail:yawen1129@hotmail.com

?通信作者簡介:許文盛(1983—),男,博士,高級工程師。主要研究方向:土壤侵蝕與環(huán)境泥沙。E-mail:wenshengxu521@ aliyun.com