廖凱濤，宋月君，張金生， 車騰騰

(1.江西省土壤侵蝕與防治重點實驗室，330029，南昌；2.江西省水土保持科學(xué)研究院，330029，南昌)

無人機(jī)遙測技術(shù)在水土保持生態(tài)果園改造監(jiān)測中的應(yīng)用

廖凱濤，宋月君，張金生， 車騰騰

(1.江西省土壤侵蝕與防治重點實驗室，330029，南昌；2.江西省水土保持科學(xué)研究院，330029，南昌)

以江西水土保持生態(tài)科技園為研究區(qū)，通過無人機(jī)遙測技術(shù)以及地理信息系統(tǒng)，對生態(tài)果園水土保持措施進(jìn)行圖斑化、信息化管理研究。結(jié)果表明：無人機(jī)遙測技術(shù)獲取的不同階段的航飛影像可用于生態(tài)果園改造的動態(tài)監(jiān)測；利用Agisoft photoscan軟件處理航飛影像可生成高分辨的數(shù)字正射影像(DOM)以及數(shù)字地表模型(DSM)數(shù)據(jù)；利用生成的DOM，結(jié)合地理信息系統(tǒng)，可獲取生態(tài)果園水土保持措施的分布、數(shù)量、長度等信息，建立生態(tài)果園水土保持措施數(shù)據(jù)庫，并輸出報表和專題圖。經(jīng)與實際量測長度驗證，基于DOM提取的長度平均精度為97.99%；與實測坡度驗證，基于DSM數(shù)據(jù)提取的坡度平均精度為88.91%。無人機(jī)遙測技術(shù)能夠快速、準(zhǔn)確、自動獲取地物的面積、長度、坡度等指標(biāo)數(shù)據(jù)，可滿足當(dāng)前水土保信息化的要求，提升綜合治理項目實施監(jiān)測的信息化水平，提高施工監(jiān)測的質(zhì)量和效率。

無人機(jī)遙測； 水土保持； 動態(tài)監(jiān)測； 信息化； 數(shù)字地表模型； 數(shù)字正射影像

隨著經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，特別是工業(yè)化和城市化進(jìn)程的加快，生產(chǎn)建設(shè)活動造成的人為水土流失大量增加，水土保持工作任重而道遠(yuǎn)[1-2]。大規(guī)模的農(nóng)林綜合開發(fā)作為一種典型的生產(chǎn)建設(shè)活動，合理布設(shè)水土保持措施對防控水土流失尤為重要[3]；然而由于重規(guī)劃、輕施工、弱管理，水土保持措施難以充分發(fā)揮作用。全國水土保持信息化規(guī)劃(2013—2020)中提到要采用地理信息技術(shù)，將水土保持措施落實到電子地塊圖斑上，完成繪制以地形圖為底圖的小流域水土保持措施布局圖、典型水土保持措施模式圖和設(shè)計圖等，實現(xiàn)綜合治理項目水土保持措施類型、數(shù)量和分布的統(tǒng)計和報表輸出，提升綜合治理項目規(guī)劃監(jiān)測的信息化水平[4]。無人機(jī)低空遙感具備高精度、實時性和全面性的特點，相關(guān)學(xué)者已經(jīng)將無人機(jī)遙感應(yīng)用到水土保持學(xué)科。研究[5-8]表明無人機(jī)技術(shù)能用于區(qū)域水土流失監(jiān)測，但未運用于水土保持工程監(jiān)測。松遼水利委員會[9]利用無人機(jī)遙測系統(tǒng)完成國家級水土保持重點治理工程的監(jiān)管；梁志鑫等[10]分析了無人機(jī)遙感技術(shù)在生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測中的應(yīng)用，認(rèn)為無人機(jī)技術(shù)可以提高生成監(jiān)測項目水土保持監(jiān)測的效率、精度以及自動化程度；王志良等[11]在新建重慶至萬州鐵路(簡稱“渝萬鐵路”)水土保持監(jiān)測過程中，引入無人機(jī)低空遙感技術(shù)對重點區(qū)段進(jìn)行水土保持監(jiān)測，提取水土保持措施的長度、面積信息；但是二者均未對水土保持圖斑化、信息化做相關(guān)研究。筆者以江西省水土保持生態(tài)科技園的低山丘陵集雨自灌+提灌模式的生態(tài)果園為研究區(qū)，將無人機(jī)遙測技術(shù)應(yīng)用于水土保持生態(tài)果園改造的施工監(jiān)測，并結(jié)合地理信息系統(tǒng)，對各項水土保持措施圖斑化管理，對水土保持信息化進(jìn)行了探索，旨在提升水土流失綜合治理項目監(jiān)測管理的信息化水平。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江西水土保持生態(tài)科技園西北角的技術(shù)推廣區(qū)，為低山丘陵集雨自灌+提灌模式生態(tài)果園改造工程。江西水土保持生態(tài)科技園開始建設(shè)于2000年，位于江西省九江市德安縣城郊燕溝小流域，E 115°42′38″～115°43′06″，N 29°16′37″～29°17′40″，總面積80 hm2，園區(qū)按其功能分為科研實驗區(qū)、生態(tài)建設(shè)區(qū)、科普推廣區(qū)以及推廣示范區(qū)。地貌類型以構(gòu)造剝蝕低丘為主，海拔一般在30～90 m之間，坡度多在5°～25°之間。該低山丘陵原種植果樹為桃樹，集雨自灌+提灌模式主要由集雨面、截水溝渠、沉砂池、蓄水池組成，提灌系統(tǒng)由水泵房、水泵、100 m3提灌蓄水池等組成，面積約為1.1 hm2[12]。

2 研究方法

2.1 無人機(jī)遙測的參數(shù)設(shè)定

2.1.1 參考規(guī)范 CH/Z 3003—2010《低空數(shù)字航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》；CH/Z 3004—2010《低空數(shù)字航空攝影測量外業(yè)規(guī)范》；CH/Z 3005—2010《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》。

2.1.2 設(shè)備配置 無人機(jī): 采用大疆精靈3 Professional 四旋翼無人機(jī)，硬件主要包括發(fā)動機(jī)引擎、螺旋槳、GPS模塊，機(jī)身，云臺。云臺相機(jī)為20 mm(35 mm格式等效)低畸變廣角相機(jī)，可拍攝1 200萬像素JPEG以及無損的RAW格式照片。

機(jī)載飛行和地面站控制系統(tǒng)：遙控器內(nèi)置全新一代的Lightbridge高清圖傳地面端，與飛行器機(jī)身內(nèi)置的Lightbridge機(jī)載端配合，通過DJI GO App在移動設(shè)備上實時顯示高清畫面，DJI GO App可實現(xiàn)大疆四旋翼Phantom 3 Professional無人機(jī)的模擬飛行、路線規(guī)劃、影像管理、實時監(jiān)控等。

地面控制點采集設(shè)備是Trimble GEOXT2008手持GPS，精度達(dá)到亞米級(0.5～1 m)。

無人機(jī)獲取的遙感影像處理采用俄羅斯Agisoft公司開發(fā)的三維建模軟件Agisoft photoscan，水土保持監(jiān)測數(shù)據(jù)提取和信息化主要采用地圖繪制軟件ArcMap。

2.2 無人機(jī)遙測流程

2.2.1 飛行前準(zhǔn)備 了解項目區(qū)的天氣狀況、項目區(qū)范圍內(nèi)的最高與最低點的絕對和相對高程、是否存在禁飛區(qū)等。

2.2.2 地面控制點布設(shè) 地面控制點采集按照項目區(qū)實際情況和精度要求，共采集15個地面控制點，總體分布均勻，用于提高正射影像的精度。

2.2.3 無人機(jī)航攝 根據(jù)實驗設(shè)計，在改造前后共進(jìn)行7次飛行，其中：改造前1次，時間為2014年9月16日；改造中4次，時間分別為2015年10月12日、13日、14日、21日；改造后2次，時間為2015年12月10日。前6次飛行高度設(shè)置為100 m，每次航飛獲取研究區(qū)的單景影像；第7次航飛，飛行高度設(shè)置為50 m，飛行速度為5 m/s，旁向重疊率為65%，航向重疊率為80%，共獲取176張航拍影像，飛行覆蓋面積為7.3 hm2。

2.2.4 數(shù)據(jù)處理 本次采用的無人機(jī)后處理軟件為Agisoft photoscan，一款基于影像自動生成高質(zhì)量三維模型的軟件[13]，它根據(jù)多視圖三維重建技術(shù)，無須設(shè)置初始值，無須相機(jī)檢校，可以快速的生成現(xiàn)高質(zhì)量的DOM和DSM數(shù)據(jù)，處理流程主要見圖1。最終獲取了研究區(qū)6個不同時期的單幅影像(圖2)以及2.35 cm分辨率的正射影像圖(圖3)。

圖1 數(shù)據(jù)處理流程Fig.1 Flowchart of processing data

圖2 不同時期的航拍影像Fig.2 Aerial images at different periods

圖3 研究區(qū)正射影像圖Fig.3 Digital orthophoto map (DOM) of the study area

3 結(jié)果與分析

3.1 工程監(jiān)測

無人機(jī)遙測獲取的單景航拍影像可以對施工進(jìn)度進(jìn)行監(jiān)測。對比2014年9月16日與2015年10月12日的航拍影像，施工任務(wù)有：清理完成原生態(tài)果園坡面上的桃樹；更換各蓄水池之間的地下輸水管道；清理階梯臺面上的部分明渠；完成大坡面的整地工作(圖4和圖5)。

圖4 果園坡面清理Fig.4 Cleaning orchard surface

圖5 新挖地下集水渠Fig.5 Newly-dug underground channels

對比2015年10月12日與13日的航拍影像，完成的施工任務(wù)是：新挖生態(tài)果園集水坡面左側(cè)集水溝渠(圖6a)并鋪設(shè)涵管；新挖10個溝渠沉沙池。

對比2015年10月13日與14日的航拍影像，完成的施工任務(wù)有：在生態(tài)果園坡地左側(cè)開墾出一條新的明渠與原有明渠相連；新挖生態(tài)果園坡地右側(cè)的集水溝渠以及6個沉沙池(圖6b)；管道設(shè)施也搬運到位；連接新挖的集水溝渠與生態(tài)果園坡地右側(cè)兩個20 m3的蓄水池；埋設(shè)完成部分集水溝渠的管道。

圖6 坡面新挖沉沙池Fig.6 Newly-dug sand chamber

對比2015年10月14日與21日的航拍影像，完成的施工任務(wù)有：在生態(tài)果園坡面左側(cè)新挖集水明渠，修葺了5個沉沙池；新挖的集水渠已經(jīng)全部鋪設(shè)了涵管并用泥土掩埋(圖7)，挖出20 m3蓄水池的出口，并對地下蓄水池的進(jìn)行了清淤(圖8)；完成坡面臺地上的水泥溝渠的清理。

圖7 修葺沉沙池Fig.7 Repairing desilting basin

圖8 清理蓄水池Fig.8 Cleaning reservoir

對比2015年10月21日與12月10日的航拍影像，完成的施工任務(wù)有：完成輸水管道更新，并重新使用泥土掩埋；完成滴灌主、分管道已經(jīng)布設(shè)，生態(tài)果園改造已經(jīng)完成(圖9)。

使用無人機(jī)獲取的單景研究區(qū)影像分辨率高，能直觀和全面的反映工程現(xiàn)狀，對比不同時期的影像，還能掌控不同階段的工程進(jìn)程，能為業(yè)主、施工、監(jiān)理等部門在施工管理、施工布局、進(jìn)度控制等方面提供支持。

圖9 鋪設(shè)滴灌Fig.9 Laying drip irrigation facility

3.2 水土保持信息化

結(jié)合地理信息系統(tǒng)和正射影像圖，將水土保持措施進(jìn)行信息化入庫，用于生態(tài)果園水土保持措施圖斑化、信息化管理。技術(shù)路線見圖10。

將正射影像加載至ArcMap，基于ArcMap的空間分析功能，利用矢量圖層，裁剪出研究區(qū)的影像：同時便于日后管理，新建水土保持措施項目數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫包括7個圖層，分別是點狀圖層沉沙池、線狀圖層集水渠、線狀圖層地下集水渠、線狀圖層輸水管道、線狀圖層滴灌主管道、線狀圖層滴灌分管道以及面狀圖層蓄水池。

圖10 技術(shù)路線圖Fig.10 Technology roadmap

在ArcMap中，分別對這7個圖層進(jìn)行數(shù)字化，轉(zhuǎn)為矢量數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中，并對數(shù)字化的圖層進(jìn)行屬性編輯，計算長度和面積，生成生態(tài)果園改造工程措施圖(圖11)，同時可以將水土保持措施屬性數(shù)據(jù)導(dǎo)出為Excel數(shù)據(jù)表，圖片可導(dǎo)出jpg、tif等常用圖片格式。水土保持措施信息化與數(shù)據(jù)庫建立，可實現(xiàn)水土保持監(jiān)督管理相關(guān)信息的分類查詢、統(tǒng)計、瀏覽和導(dǎo)出，實現(xiàn)水土保持措施圖斑化、信息化、精細(xì)化管理。

圖11 改造后的坡面工程措施分布圖Fig.11 Distribution map of engineering measures after slope transformation

3.3 地形因子提取

DSM數(shù)據(jù)由Photoscan軟件處理無人機(jī)影像生成，數(shù)據(jù)分辨率為4.7 cm，改造完的生態(tài)果園坡度圖由DSM數(shù)據(jù)生成(圖12和圖13)。DSM數(shù)據(jù)以及坡度數(shù)據(jù)可用于工程施工的規(guī)劃，工程挖方量、棄土量、擋墻工程量等體積數(shù)據(jù)計算。

圖12 改造后的大坡面DSMFig.12 Slope DSM (digital surface model) after transformation

圖13 改造后的生態(tài)果園坡度圖Fig.13 Slope of ecological orchard after transformation

3.4 精度分析

為了檢驗水土保持信息化的精度，將ArcMap中數(shù)字化后自動計算的水土保持措施的長度與實際利用皮尺測量和實際使用材料的長度進(jìn)行比較，精度超過95.43%，最高精度為99.73%(表1)。

表1 測量長度與實際長度比較

為了進(jìn)一步驗證地形因子提取的精度，將通過無人機(jī)遙測生成的DSM提取的坡度與實地測量坡度數(shù)據(jù)對比分析，選取8個坡位的坡度進(jìn)行對比，DSM提取的坡度精度最高為98.55%，平均提取精度為88.91%(表2)。

表2 提取坡度與實際坡度比較

從高精度的DOM與DSM數(shù)據(jù)中，結(jié)合ArcMap軟件，可直接提取水土保持措施的長度、面積信息，同時還可間接提取取土棄渣場等體積信息，為水土保持監(jiān)管部門提供參考數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論與討論

1)無人機(jī)遙測技術(shù)獲取不同階段的影像數(shù)據(jù)清晰，從影像中可目視判別出施工的進(jìn)度，用于果園改造的動態(tài)監(jiān)測；

2)Agisoft photscan軟件能處理無人機(jī)影像，并生成高精度的DOM以及DSM數(shù)據(jù)；

3)利用生成的DOM，結(jié)合地理信息系統(tǒng)，可獲取生態(tài)果園水土保持措施的分布、數(shù)量、長度等信息，構(gòu)建生態(tài)果園水土保持措施數(shù)據(jù)庫，并輸出報表和專題圖；

4)無人機(jī)遙測技術(shù)提取的數(shù)據(jù)精度高，長度平均精度為97.99%，坡度平均精度為88.91%。

無人機(jī)遙測技術(shù)能夠快速、準(zhǔn)確、自動地獲取地物的面積、長度、坡度等指標(biāo)數(shù)據(jù)，并輸出報表和專題圖，可滿足當(dāng)前水土保信息化的要求，提升綜合治理項目實施監(jiān)測的信息化水平，提高施工監(jiān)測的質(zhì)量和效率，節(jié)約大量成本；同時，通過搭載不同的傳感器，無人機(jī)遙測技術(shù)獲取的信息將更為豐富和直觀。無人機(jī)遙測技術(shù)應(yīng)用于水土保持信息化還處于初級階段，無人機(jī)獲取的影像數(shù)據(jù)量大，可配備高性能的圖形工作站縮短處理時間；DSM數(shù)據(jù)到DEM數(shù)據(jù)精度低，需進(jìn)一步優(yōu)化算法，祛除植被以及建筑物的影響，提高體積數(shù)據(jù)的精度；無人機(jī)遙測技術(shù)提取水土保持措施信息目前主要是人工提取，效率低，可深化機(jī)器深度學(xué)習(xí)算法，提高機(jī)器自動提取精度，以提高水土保持措施的自動提取的精度與效率。

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UAVremotesensingtechnologyintheapplicationoftheecologicalorchardconstructionofsoilandwaterconservation

LIAO Kaitao，SONG Yuejun，ZHANG Jinsheng, CHE Tengteng

(1.Jiangxi Institute of Soil and Water Conservation，330029，Nanchang，China； 2.Key Laboratory of Soil Erosion and Prevention of Jiangxi Province，330029，Nanchang，China)

BackgroundWith remote sensing technology developing, UAV remote sensing has been widely used in the domestic and varied international industries in recent years.SoilandWaterConservationInformatizationPlanningofChina(2013—2020), published by the Ministry of Water Resources of the People’s Republic of China, points out that it is necessary to improve the level of informatization on soil and water conservation. Jiangxi Eco-Science Park of Soil and Water Conservation is the first demonstration park of soil and water conservation ecological science and technology of China, and was selected as the study area.MethodsUAV, RS, and GIS technologies were introduced into monitoring soil and water conservation. Firstly, 182 images obtained by UAV remote sensing in 6 different stages in study area, including before transformation, in transformation and after transformation, were used for the process monitoring. And then Trimble GEOXT2008 handheld GPS was used to acquire 15 ground control points. Secondly, Agisoft photoscan was used to process the UAV images and generate digital surface model (DSM) and digital orthophoto map (DOM) of study area. The class, quantity and distribution of soil and water conservation measures were obtained from the DOM data by GIS software ArcMap. Finally, tape was used to measure the actual length of some soil and water conservation measures for validating the length accuracy extracted from DOM, and inclinometer was employed to measure the actual slope of eight points for validating the slope accuracy extracted of DSM.ResultsThe UAV images monitored the details of the transformation, and clearly showed the construction progress of different stages. We also explored a way to process the UAV image and build DOM and DSM by Agisoft photoscan. The image resolution of DOM was 2.35 cm and the resolution of DSM was 4.7 cm. Then information of extracted soil and water conservation measures included sand chamber, reservoir, master channel, water pipe, dropper main pipe, dropper branch pipe, and underground channel from DOM by GIS software ArcMap, and also the soil and water conservation measures database was established. Finally, we made the distribution map of soil and water conservation measures by DOM, and obtained the slope map of the study area by DSM. The average length accuracy of DOM data was 97.99%, length max accuracy was 99.73%, and the slope average accuracy of DSM data was 88.91%.ConclusionsBy UAV remote sensing system, the area, height, length, slope and some other attribute data of the observed objects may be obtained quickly, accurately and automatically, which may meet the requirements of current soil and water conservation information, and improve the information level of comprehensive management project monitoring and the construction monitoring quality and efficiency.

UAV; remote sensing; soil and water conservation; dynamic monitoring; informatization; digital orthophoto map; digital surface model

S157

A

2096-2673(2017)05-0135-07

10.16843/j.sswc.2017.05.017

2016-12-14

2017-08-08

項目名稱： 水利部“948”項目“激光與近景攝影測量技術(shù)在水土流失規(guī)律及動態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用”(201426)；江西省水利廳科技項目“移動式水土流失監(jiān)測試驗平臺的研究與開發(fā)”(KT201309)

廖凱濤(1990—)，男，碩士。主要研究方向：水土保持與遙感技術(shù)應(yīng)用。E-mail：liaokaitao@126.com