王彥武，周 波，馬 濤，田晉華，高雅玉

(甘肅省水土保持科學(xué)研究所，甘肅 蘭州 730020)

淤地壩作為黃土高原地區(qū)溝道治理的主要措施之一，發(fā)揮著阻控溝道侵蝕與攔沙淤地的重要作用。在氣候與下墊面變化耦合影響下，近年來黃土高原地區(qū)極端洪水事件頻發(fā)，水土下泄，影響了壩控區(qū)域水土資源的利用效率。受到自然條件和人類活動的影響，壩控區(qū)域水土資源的量和面積處于動態(tài)的變化過程中，并且淤地壩溝道地形破碎，水土流失嚴(yán)重，在水力侵蝕和重力侵蝕的作用下，溝道兩岸淹水區(qū)常年受暴雨山洪沖刷容易發(fā)生滑坡和崩塌，在溝道狹窄處易產(chǎn)生堰塞湖，對壩系的安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生不利影響，因此對壩控區(qū)域水土資源變化進(jìn)行及時動態(tài)跟蹤監(jiān)測就顯得尤為重要。但是，采用傳統(tǒng)的監(jiān)測方法，受地形和積水的影響，不能及時、有效、準(zhǔn)確地監(jiān)測新增滑坡體和水域面積，制約了壩系安全預(yù)警和管理維護(hù)的發(fā)展。快速、準(zhǔn)確、高效地監(jiān)測壩控區(qū)域水土資源動態(tài)變化，成為淤地壩水土資源監(jiān)測亟待解決的問題。低空無人機(jī)遙感是國家航空遙感監(jiān)測體系的重要補(bǔ)充，是航空遙感未來發(fā)展的方向。它能夠利用遙控飛行器、小型高分辨率數(shù)碼相機(jī)、遙感傳感器、無線通信技術(shù)、衛(wèi)星定位導(dǎo)航技術(shù)和遙感應(yīng)用技術(shù)實(shí)時對地觀測和快速獲取淤地壩壩控區(qū)域地面影像數(shù)據(jù)[1-2]。本研究以渭源縣橋子溝小流域水泉灣骨干壩壩控區(qū)為例，通過分析傳統(tǒng)監(jiān)測方法中存在的問題，探討如何利用低空無人機(jī)遙感技術(shù)對壩控區(qū)域水土資源動態(tài)變化進(jìn)行快速監(jiān)測，希望能為相關(guān)部門淤地壩系安全管理工作提供技術(shù)支持[3]。

1 淤地壩水土資源監(jiān)測方法

1.1 傳統(tǒng)監(jiān)測方法

傳統(tǒng)監(jiān)測方法主要是利用人工手持GPS進(jìn)行實(shí)地丈量和地形圖實(shí)地調(diào)繪，對于面積小、地形規(guī)整的區(qū)域較為適用，但是對于淤地壩壩控區(qū)域面積大于0.5 km2且地形破碎、溝壑縱橫的區(qū)域，采用該方法會耗費(fèi)大量的人力、物力、財(cái)力[4]。受地形及壩控區(qū)積水的影響，尤其是對人工不能到達(dá)的區(qū)域，經(jīng)常采用對坡勾繪的方法進(jìn)行調(diào)繪或利用經(jīng)驗(yàn)估計(jì)，得出的數(shù)據(jù)通常帶有主觀性、片面性和隨機(jī)性，并且不能及時地反映壩控區(qū)域水土資源的動態(tài)變化情況。

1.2 衛(wèi)星遙感監(jiān)測方法

受搭載平臺及傳感器的限制，衛(wèi)星遙感方法在獲取小范圍監(jiān)測數(shù)據(jù)時存在成本高、性價(jià)比低等問題。同時，該方法受環(huán)境影響較大，有時效限制，對特定時間的遙感數(shù)據(jù)不能及時獲取，并且經(jīng)常被云層遮擋而無法獲取影像。此外，由于衛(wèi)星距離地面較遠(yuǎn)，遙感影像局限于正射影像的常規(guī)產(chǎn)品，且分辨率較低，精度較差，對淤地壩水土資源量的動態(tài)變化不敏感，因此在獲取小流域的坡面治理動態(tài)、溝道工程建設(shè)動態(tài)、壩地利用情況及壩系安全監(jiān)測等方面的應(yīng)用存在較大局限性。

1.3 低空無人機(jī)遙感監(jiān)測方法

無人機(jī)遙感是近年來航測繪圖發(fā)展形成的新技術(shù)，其操作簡單，外業(yè)飛行智能高效，基本不用人工干預(yù)，極大地節(jié)約了外業(yè)的人工成本。低空無人機(jī)體形小，維修保養(yǎng)簡便，用戶可以自主管理。相比衛(wèi)星遙感監(jiān)測，無人機(jī)可以超低空飛行，不受云層遮擋干擾，得到高分辨率影像的代價(jià)較小，當(dāng)成像效果不滿意時可以隨時進(jìn)行重復(fù)測量[5]。另外，低空無人機(jī)遙感對地形和地物的適應(yīng)能力強(qiáng)，可以得到多角度的實(shí)物影像和三維景觀模型。相比傳統(tǒng)的野外監(jiān)測方法，低空無人機(jī)遙感方法具有周期短、效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，它將大量的野外工作轉(zhuǎn)換為內(nèi)業(yè)工作，既能減輕外業(yè)人員的勞動強(qiáng)度，又能提高數(shù)據(jù)成果的精度。低空無人機(jī)遙感測量能在小范圍內(nèi)快速獲取高質(zhì)量遙感影像，是淤地壩水土資源監(jiān)測體系中重要的技術(shù)手段。

2 低空無人機(jī)遙感在淤地壩水土資源監(jiān)測中的應(yīng)用

2.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本研究以渭源縣橋子溝小流域水泉灣骨干壩壩控區(qū)為監(jiān)測區(qū)域，測量范圍為溝道及溝道兩側(cè)坡面集水區(qū)域，面積約為0.8 km2。測區(qū)范圍內(nèi)地形復(fù)雜，但地物比較簡單，如圖1所示。

圖1 測區(qū)范圍概況

2.2 無人機(jī)飛行平臺及遙感系統(tǒng)

本研究采用的無人機(jī)系統(tǒng)是D1000 RTK飛馬智能航測系統(tǒng)。它采用旋翼無人機(jī)平臺，支持正射、條帶、傾斜、環(huán)繞、全景等多種作業(yè)模式的專業(yè)航線設(shè)計(jì)與全自動飛行控制功能，可隨時對目標(biāo)區(qū)域圖像進(jìn)行高頻率、多時相的掃描拍攝，并能全自動地采集高分辨率原始數(shù)字圖像，且每條航帶上的數(shù)字圖像都具有GPS位置與飛行姿態(tài)信息，中小區(qū)域測圖的地面采樣間隔(GSD)可達(dá)到2 cm，能夠進(jìn)行自動化數(shù)字圖像處理，并提供正射影像(DOM)、數(shù)字表面模型(DSM)、真正射影像(TDOM)、3D模型等多種測繪級別成果。旋翼平臺全自動化設(shè)計(jì)，一鍵式操作，飛行安全、穩(wěn)定、可靠，測量結(jié)果滿足測繪級精度要求。其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 D1000 RTK技術(shù)參數(shù)

無人機(jī)系統(tǒng)軟件包括外業(yè)操作控制軟件與數(shù)據(jù)后處理軟件。外業(yè)操作控制軟件可根據(jù)任務(wù)區(qū)域的地形起伏和影像要求實(shí)現(xiàn)飛行任務(wù)設(shè)計(jì)、飛行規(guī)劃、飛行操作與控制、可視化飛行監(jiān)控與狀態(tài)修改、飛行成果質(zhì)量檢查與分析，以保證全航程獲取數(shù)據(jù)的一致性，提高后期影像處理的可靠性。數(shù)據(jù)后處理軟件包括ContextCapture Center Master和SV360，使用ContextCapture Center Master軟件可以生成三維影像圖及二維正射影像圖，后續(xù)處理線劃使用SV360軟件，最終獲得各種成果數(shù)據(jù)，如DOM、數(shù)字高程模型(DEM)、DSM、數(shù)字線劃地圖(DLG)、KML格式數(shù)據(jù)、3D模型數(shù)據(jù)、等高線及點(diǎn)云數(shù)據(jù)等。使用SV360可以360°全方位旋轉(zhuǎn)視圖，等高線可以切割生成，并能直接在三維視圖中顯示高程點(diǎn)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方便。航飛影像處理軟件能夠完成無人機(jī)數(shù)據(jù)的正射空三和傾斜空三、自適應(yīng)特征點(diǎn)匹配、控制點(diǎn)量測、正射糾正、勻色鑲嵌、全像素高密度點(diǎn)云匹配、真正射、三維重建等處理，可在三維地球場景上加載目前通用的OSGB格式三維產(chǎn)品，并支持瀏覽、距離量測、面積量測、體積量測、模型加載等功能。

2.3 無人機(jī)遙感作業(yè)流程

無人機(jī)遙感作業(yè)的基本內(nèi)容包括：系統(tǒng)組件連接與安裝、飛行任務(wù)設(shè)計(jì)、外業(yè)數(shù)據(jù)采集(圖像數(shù)據(jù)與飛行軌跡數(shù)據(jù)獲取)、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理(圖像數(shù)據(jù)解算處理、成果數(shù)據(jù)提取)等。飛行前準(zhǔn)備工作完成后，通過地面控制平臺來制定飛行作業(yè)計(jì)劃，包括測區(qū)范圍、起飛降落位置、飛行航高、影像重疊率及風(fēng)向等參數(shù)的確定。系統(tǒng)中的飛行任務(wù)設(shè)計(jì)軟件根據(jù)上述參數(shù)可自動設(shè)計(jì)出飛行航線及起飛降落的位置，然后利用無線通信模塊將飛行計(jì)劃上傳至自備的電子控制裝置中，通過無線通信模塊與電子控制裝置協(xié)同操縱飛行平臺來完成圖像數(shù)據(jù)采集。

2.3.1 資料的收集和準(zhǔn)備

測量前對所測區(qū)域的地形進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，確保滿足無人機(jī)低空測量條件，并掌握所測區(qū)域當(dāng)時的天氣情況；外出作業(yè)前首先檢查儀器是否正常運(yùn)行，檢查電池電量是否充足，材料設(shè)備配件是否齊全；確定測量坐標(biāo)系統(tǒng)為CGCS2000坐標(biāo)系統(tǒng)，并在現(xiàn)場布置控制點(diǎn)進(jìn)行無人機(jī)低空測量。

2.3.2 像控點(diǎn)布置

像控點(diǎn)布置選擇在航測照片清晰、附近較為空曠且有明顯標(biāo)志物的位置，對有遮擋或陰影等存在明顯高差的地點(diǎn)不宜布設(shè)像控點(diǎn)。壩控區(qū)域地形復(fù)雜，受淤地壩內(nèi)積水影響無法進(jìn)入布控像控點(diǎn)，故采用測區(qū)內(nèi)均勻布控像控點(diǎn)的方式進(jìn)行布置，對無人機(jī)測量的重疊測區(qū)通過添加連接點(diǎn)的方式來提高成圖精度。本次測量共布置像控點(diǎn)12個，對淤地壩壩體特定區(qū)域進(jìn)行特定像控點(diǎn)布控，進(jìn)一步提高了監(jiān)測數(shù)據(jù)的精度。地面布置的像控點(diǎn)采用白色醒目的十字形或L形標(biāo)志，長度為80～100 cm，寬度為12～20 cm，并在每一個像控點(diǎn)旁標(biāo)記點(diǎn)號。GNSS(Global Navigation Satellite System)采點(diǎn)時均以十字形中心點(diǎn)或L形內(nèi)角點(diǎn)作為像控點(diǎn)，像控點(diǎn)采用GNSS連接甘肅省測繪局CORS(Continuously Operating Reference Station)站進(jìn)行測量，水平殘差與垂直殘差均在2 cm以內(nèi)。

2.3.3 無人機(jī)測量

本次測量測區(qū)航向重疊度為80%，旁向重疊度為80%，所測區(qū)域海拔2 050～2 350 m，無人機(jī)飛行高度約為125 m，拍照時飛行速度為14 m/s，成圖比例尺大于1∶500。本次測量共采集相片1 000多張，每張照片都自帶有POS數(shù)據(jù)。受天氣和光線因素影響，測量中對相機(jī)的光圈和曝光度等參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，產(chǎn)生了不同亮度的照片，但對成果精度沒有影響。無人機(jī)拍攝精度較高，在淤地壩水土資源遙感監(jiān)測中采用正射拍攝方式的效果較好，中誤差可以控制在20 cm以內(nèi)，符合無人機(jī)測量后期數(shù)據(jù)處理的要求。

2.4 數(shù)據(jù)成果應(yīng)用

傳統(tǒng)淤地壩流域外業(yè)監(jiān)測多采用人工的方式進(jìn)行，監(jiān)測人員通過GPS實(shí)地丈量和地形圖實(shí)地調(diào)繪等方式對壩控區(qū)域溝道兩側(cè)的土地利用情況進(jìn)行測量，對壩控區(qū)的積水面積和水深通過乘坐橡皮艇的方式進(jìn)行人工測量。此種方法不僅效率低、成本高、耗時長，還增加了監(jiān)測人員的風(fēng)險(xiǎn)。利用低空無人機(jī)遙感監(jiān)測淤地壩流域水土資源，可以充分發(fā)揮無人機(jī)攜帶方便、操作簡單、反應(yīng)迅速、起飛降落對環(huán)境的要求低、自主飛行的特點(diǎn)，通過空中大范圍快速巡查，對所需監(jiān)測區(qū)域進(jìn)行低空航拍，第一時間掌握淤地壩水土資源的現(xiàn)狀信息。通過航拍測繪和后期制作實(shí)現(xiàn)壩控區(qū)域影像的數(shù)字化，生成壩控區(qū)域的空間遙感信息和數(shù)字高程模型，不僅可以直接量取壩系坡面區(qū)域的面積變化，了解坡面治理及土地利用的動態(tài)變化，還可以直接測量溝道水域面積的變化和溝道兩側(cè)滑坡體的體積大小，為分析壩地水土資源量及其來源提供數(shù)據(jù)支持，極大地提高了淤地壩流域水土資源的監(jiān)測效率和精度。

淤地壩溝道地形條件復(fù)雜，受短時強(qiáng)降雨和長期的重力侵蝕影響，溝道兩岸極易發(fā)生滑坡和崩塌?；麦w體積和堰塞湖面積監(jiān)測對壩系的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的影響，但是受滑坡處惡劣地形條件限制，人員通常無法進(jìn)入現(xiàn)場開展實(shí)時監(jiān)測。在這種情況下，利用無人機(jī)機(jī)動快速、使用成本低、維護(hù)操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，通過無人機(jī)空中懸停實(shí)時監(jiān)測堰塞湖和周邊流域動態(tài)信息，掌握堰塞湖的分布狀況與動態(tài)變化等，之后地面工作站可根據(jù)無人機(jī)遙感影像直接量測出溝道堰塞湖的面積和堰塞體的體積。利用無人機(jī)遙感技術(shù)開展的試驗(yàn)區(qū)某溝道堰塞湖水域面積測量和某溝道滑坡體體積量測影像見圖2、3。

圖2 某溝道堰塞湖水域面積測量

圖3 某溝道滑坡體體積測量