（湖南省水利水電勘測設計研究總院深圳分院）

在建筑開發(fā)施工過程中，地基的開挖產(chǎn)生大量廢土廢渣和臨時堆土，不僅擾動地表、破壞土壤與植被，且在不同外營力的作用下，極易造成嚴重的人為水土流失和滑坡、泥石流等水文地質(zhì)環(huán)境災害，同時也加劇了生態(tài)環(huán)境的不斷惡化，產(chǎn)生類似沙塵暴、揚塵等極端惡劣天氣現(xiàn)象。因此，從自然環(huán)境水土生態(tài)保護的角度出發(fā)，開展建筑施工工程對水土保持生態(tài)建設的監(jiān)測工作十分重要。通過水土保持監(jiān)測，及時掌握建設工程對水土資源的破壞情況，以便采取有效措施，防止人為水土流失等問題發(fā)生。目前，傳統(tǒng)的水土保持生態(tài)建設監(jiān)測方法，包括地面監(jiān)測、調(diào)查監(jiān)測、資料分析等。由于這些方法均是通過人工外業(yè)的形式進行測量，因此，常會出現(xiàn)由于人工操作不當、環(huán)境干擾等因素影響，使監(jiān)測結(jié)果產(chǎn)生較大的誤差。同時，傳統(tǒng)監(jiān)測方法在數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析等方面，也都存在著效率低、精度差等問題。隨著無人機技術(shù)的廣泛應用，針對這些問題，本項研究提出一種基于無人機遙感技術(shù)的水土保持生態(tài)建設監(jiān)測方法。無人機遙感技術(shù)，是通過低空航拍測量和遙感數(shù)據(jù)分析相結(jié)合的全新數(shù)據(jù)處理分析技術(shù)，可以在規(guī)定的范圍內(nèi)，更加快捷地完成對地形地貌以及高程、植被數(shù)據(jù)的采集，并在保證監(jiān)測速度的同時保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的精度。

1 基于無人機遙感技術(shù)的水土保持生態(tài)建設監(jiān)測方法

1.1 無人機飛行航線規(guī)劃

在對無人機飛行航線規(guī)劃前，首先，要對水土保持生態(tài)建設的監(jiān)測區(qū)域進行現(xiàn)場勘察與規(guī)劃，根據(jù)監(jiān)測區(qū)域所處的地理位置，考慮覆蓋整個監(jiān)測區(qū)域，并將其劃分為主體建筑施工區(qū)和基坑開挖區(qū)。其中，主體建筑施工區(qū)內(nèi)由于正在建設施工，通常分布著大量的吊塔，吊塔一般高度為55-65 m，因此需對無人機的飛行航線高度進行適當調(diào)整，從而保證其安全運行；基坑開挖區(qū)一般沒有影響無人機飛行航線的障礙物，因此不需要考慮其飛行航線高度問題。

其次，為了保證無人機遙感拍攝航片的質(zhì)量，以滿足監(jiān)測效果要求，按照相關規(guī)定：航向的重疊度在55%-75%范圍以內(nèi)，旁向的重疊度在13%-55%范圍以內(nèi)。同時，除了航拍過程中第一條航線的鏡頭角度為垂直向下外，其余幾條鏡頭的角度均保持在30°-45°之內(nèi)。

針對主體建筑施工區(qū)對無人機飛行航線高度的限制，其飛行高度計算公式如下：

式中：h——無人機飛行高度，m；

J——無人機鏡頭焦距，mm；

GSD——水土保持監(jiān)測區(qū)域地面分辨率，m；

c——單個像素點的尺寸，mm；

h0——無人機實際飛行高度，m；

L——監(jiān)測區(qū)域基準面高度，m。

無人機在實際航拍過程中，飛行高度會受到航拍重疊度的影響，但對于成像效果產(chǎn)生的誤差可以忽略不計。本項研究為了更加精準地獲取到無人機的成像效果，將通過降低無人機航拍高度，提升重疊度，并增加無人機的航拍數(shù)量，從而獲取到更多的空三驗算數(shù)據(jù)，以提高監(jiān)測數(shù)據(jù)精度。研究采用“S”型的航拍軌跡拍攝（圖1）。

圖1 無人機飛行航線軌跡示意圖

在水土保持生態(tài)建設實地監(jiān)測現(xiàn)場，可在保證無人機飛行航線對于監(jiān)測區(qū)域完全覆蓋的情況下，利用軟件開發(fā)工具包對無人機進行控制，并在設定的航拍路徑上采集圖像。其中，一條航線為默認的垂直拍攝航線，鏡頭角度為0；另外3-6條航線根據(jù)實際需要，設置對應的鏡頭角度和航線方向，從而獲取到多個角度的航拍影像資料。

1.2 原始航拍數(shù)據(jù)獲取及處理

基于航拍無人機中安裝的全球定位系統(tǒng)、觀星測量單元以及應用于水土保持生態(tài)建設監(jiān)測的特殊傳感器設備，利用這些裝置在飛行航拍過程中采集信息，進行數(shù)據(jù)獲取。同時，根據(jù)監(jiān)測要求，在無人機上安裝實時數(shù)據(jù)傳輸設備。當各個不同功能的設備完成配置后，即可通過無人機航拍獲取實時的遙感影像信息數(shù)據(jù)。除無人機獲取的遙感影像信息數(shù)據(jù)外，無人機的航拍高度、航拍數(shù)量、照片的分辨率、航拍時間等自身拍攝參數(shù)，也應當進行適當?shù)挠涗?，從而為遙感影像信息數(shù)據(jù)獲取提供依據(jù)。

無人機垂直航線拍攝的遙感影像處理流程為：

（1）無人機遙感影像畸變校正。主要通過調(diào)節(jié)無人機的坐標與糾正畸變參數(shù)對畸變差調(diào)節(jié)；（2）建立遙感影像金字塔結(jié)構(gòu)。通過對遙感影響的逐級細化處理，匹配對應的策略，獲取到更加精準的匹配點，有多個匹配點共同構(gòu)成金字塔結(jié)果；（3）特征匹配點定向。在相鄰的遙感影像中找出重疊度高的部分，并提取相似的特征匹配點，利用匹配算法獲得點云數(shù)據(jù)；（4）絕對定向。根據(jù)空三解算要求，在統(tǒng)一坐標系中對方位元素及地面坐標進行解算。

針對無人機傾斜航線拍攝的遙感影像，其處理流程如圖2所示。

圖2 無人機傾斜航線拍攝的遙感影像處理流程圖

本項研究選擇利用三維重建軟件Agisoft metashape，在控制點較少或沒有控制點的情況下，對無人機垂直和傾斜航線拍攝到的遙感影像進行空間驗算、點云生成處理，并獲取到水土保持生態(tài)建設監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的正射影像信息。

1.3 水土保持生態(tài)建設基本監(jiān)測信息提取

本項研究選擇的水土保持生態(tài)建設基本監(jiān)測信息，包括土地利用類型信息、監(jiān)測對象位置信息、監(jiān)測對象長度和面積信息以及監(jiān)測對象的體積信息，主要提取方法是在建立的正射影像信息中獲得。

首先，對于土地利用類型信息的提取，可通過人工識別航片和勾劃范圍的方法完成，或利用計算機中的相應軟件對其進行分類。第一種提取方法，主要針對具有特定類型的地物，例如建設施工區(qū)域的土場、截排水溝以及植被等，通過人力對其進行判斷，直接繪制矢量圖即可；第二種方法，主要針對監(jiān)測區(qū)域較大，利用人力會消耗大量時間的情況，先在前期建設的地面解釋標識中，利用面向?qū)ο蟮姆椒?，通過多尺度分割成像技術(shù)，計算出被監(jiān)測對象的形狀信息及紋理信息，然后通過特征參數(shù)的固定組合，建立規(guī)則集，完成對土地利用類型信息的分類。

其次，對于監(jiān)測對象位置信息的提取，可在GIS系統(tǒng)中，利用數(shù)字高程模型和文檔對象模型成果，直接獲取被監(jiān)測對象的特定位置信息，主要包括經(jīng)緯度、坐標和高程信息。

第三，對于監(jiān)測對象長度和面積信息獲取，可借鑒土地利用類型信息獲取方法，通過人工勾劃或計算機自動分類獲取，并在GIS系統(tǒng)中，對被監(jiān)測對象的長度進行測量，進一步計算出相應的面積信息。

第四，對于監(jiān)測對象體積信息獲取，可利用數(shù)字高程模型，基于微分思想，將地物高程乘以其柵格大小并累加，最終得到近似的監(jiān)測對象體積信息。針對體積差的計算方法，需要利用兩個時間點量獲取，同理通過累加的方式得到在該時間段內(nèi)無人機監(jiān)測對象的體積變化情況。

2 實驗論證分析

選擇某地區(qū)水土保持建設區(qū)域作為驗證本文研究的監(jiān)測方法的實驗環(huán)境，在該區(qū)域內(nèi)選擇5個檢核點作為實驗研究對象。表1為該區(qū)域5個檢核點位置坐標對照表。

分別利用本文監(jiān)測方法與傳統(tǒng)監(jiān)測方法對5個檢核點進行監(jiān)測，并通過下述公式計算出兩種監(jiān)測方法生成的正射平面遙感影像的位置誤差。

表1 某地區(qū)監(jiān)測區(qū)域5個檢核點位置坐標對照表

式中：ux——正射平面遙感影像結(jié)果中監(jiān)測點在橫坐標x方向上的誤差；

uy——正射平面遙感影像結(jié)果中監(jiān)測點在縱坐標y方向上的誤差；

x、y——監(jiān)測點實際橫、縱坐標；

x′、y′——監(jiān)測結(jié)果遙感影像中的橫、縱坐標。

根據(jù)上述公式，計算出本文監(jiān)測方法與傳統(tǒng)監(jiān)測方法的遙感影像位置誤差，并記錄為表2所示的實驗結(jié)果對比表中。

由表2中的計算結(jié)果可以看出，本文監(jiān)測方法與傳統(tǒng)監(jiān)測方法得到的影像中監(jiān)測點位置坐標的誤差均在-0.50 m到+0.50 m范圍內(nèi)，符合《地形圖航空攝影測量外業(yè)規(guī)范》的精度要求，但也可以看出通過本文監(jiān)測方法得到的監(jiān)測點坐標誤差明顯低于傳統(tǒng)監(jiān)測方法。其他方面的監(jiān)測信息，結(jié)果也大都如此。因此，通過對比實驗證明，本文提出的基于無人機遙感技術(shù)的水土保持生態(tài)建設監(jiān)測方法，具有更高的精度。在實際監(jiān)測作業(yè)應用中，可進一步提高作業(yè)質(zhì)量，從而及時獲取信息，采取必要措施，為施工建設的順利進行提供條件，并在一定程度上降低對生態(tài)環(huán)境的威脅。

表2 本文方法與傳統(tǒng)方法監(jiān)測誤差對比

3 結(jié)束語

水土保持生態(tài)建設監(jiān)測，是生產(chǎn)建設項目實施水土保持監(jiān)督管理工作中一項不可缺少的環(huán)節(jié)，精確、快速、高效的監(jiān)測，對預防人為水土流失具有十分重要的意義。本項研究提出的基于無人機遙感技術(shù)的水土保持生態(tài)建設監(jiān)測方法，實用性強，大力推行有助于更加精準、及時地發(fā)現(xiàn)水土流失隱患，便于監(jiān)督水土保持方案的實施，促進水土保持監(jiān)測工作的信息化發(fā)展。