周子淵，高璐媛，黨維勤，田金梅，劉 碩

[黃河水土保持綏德治理監(jiān)督局(綏德水土保持科學(xué)試驗(yàn)站)，陜西 榆林 719000]

侵蝕溝是黃土高原地區(qū)入黃泥沙的主要來源，尤其是發(fā)育程度較低、溝頭活躍的長度小于500 m的侵蝕溝對(duì)入黃泥沙的貢獻(xiàn)更大。通過侵蝕溝監(jiān)測，可基本掌握其發(fā)育現(xiàn)狀和發(fā)展?fàn)顩r，為黃土高原地區(qū)水土流失災(zāi)害預(yù)防提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。黃河流域全國水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測與公告項(xiàng)目2019年度侵蝕溝監(jiān)測是在2018年度項(xiàng)目基礎(chǔ)上的延續(xù)，范圍包括黃土高原地區(qū)的7條小流域，王茂溝小流域是其中之一。該項(xiàng)目采用基于差分高精度GNSS，對(duì)選定支毛溝溝頭及斷面進(jìn)行測量，對(duì)侵蝕溝形狀特征、發(fā)育條件、侵蝕特征、治理措施等進(jìn)行監(jiān)測，進(jìn)一步構(gòu)建了侵蝕溝穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

目前在黃土高原侵蝕溝監(jiān)測中，面臨的主要問題有侵蝕溝坡面陡峭、溝壁內(nèi)切，人力野外測量困難等，而無人機(jī)航測可以完美解決部分復(fù)雜危險(xiǎn)地形人員無法抵達(dá)測量的情況。隨著近年來無人機(jī)的迅猛發(fā)展及其在技術(shù)應(yīng)用方面的不斷創(chuàng)新，計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域中SIFT、Bundler、PMVS等算法的不斷完善，以及三維建模技術(shù)的發(fā)展成熟，可以將普通消費(fèi)級(jí)無人機(jī)獲取的圖像通過Pix4D、Agisoft PhotoScan等軟件構(gòu)建出目標(biāo)對(duì)象的稠密三維點(diǎn)云，使消費(fèi)級(jí)無人機(jī)在航測中的應(yīng)用成為可能。結(jié)合前人研究成果，考慮到在較為陡峭的坡度無人機(jī)獲取的高程數(shù)據(jù)誤差較大，而無人機(jī)傾斜攝影1∶500不動(dòng)產(chǎn)測量技術(shù)(以下簡稱傾斜攝影)可以很好地解決陡峭坡度中數(shù)據(jù)誤差較大的問題，我們借助黃河流域全國水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測與公告項(xiàng)目2019年度王茂溝小流域監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用RTK人工測量斷面和傾斜攝影建模斷面提取兩種方法，確定了兩種方法的水平誤差與高程誤差，并獲取了侵蝕溝高精度模型以及DOM、DEM等。

1 監(jiān)測區(qū)概況

王茂溝位于陜西省綏德縣，地處東經(jīng)11°21′00″、北緯37°35′30″，屬黃土丘陵溝壑區(qū)第Ⅰ副區(qū)，土地總面積5.8 km2。沿用2018年監(jiān)測得到的王茂溝小流域尺度主斷面和支毛溝位置(圖1)，本次選擇王茂溝的一條支毛溝(4#)進(jìn)行監(jiān)測。該溝長度564.1 m，寬度230.7 m，面積7.9 hm2，縱比降0.22。

圖1 王茂溝小流域4#支毛溝位置示意

2 監(jiān)測硬件設(shè)備與軟件工具

本次航拍使用設(shè)備為大疆精靈Phantom4 RTK，由無人機(jī)、云臺(tái)相機(jī)、機(jī)載RTK模塊、遙控器及配套的飛行控制軟件GS RTK App組成。內(nèi)置云臺(tái)相機(jī)參數(shù)：分辨率2 048萬像素，采用FOV84°，8.8 mm/24 mm(35 mm格式等效)，光圈f/2.8～f/11，帶自動(dòng)對(duì)焦[對(duì)焦距離(m)為1～∞]，采用三軸增穩(wěn)云臺(tái)，角度抖動(dòng)量為±0.02°，可以在高速大動(dòng)作飛行的情況下拍攝穩(wěn)定的圖像。

地面控制點(diǎn)測量采用華測導(dǎo)航i90慣導(dǎo)RTK及GNSS 慣導(dǎo)接收機(jī)，其平面精度為±(8+1×10-6×作業(yè)距離)mm，高程精度為±(15+1×10-6×作業(yè)距離)mm，支持北斗三代，自帶慣導(dǎo)系統(tǒng)，支持60°傾斜測量，無需氣泡對(duì)中，2 cm的傾斜補(bǔ)償精度。

侵蝕溝建模采用Pix4D mapper軟件，可以通過控制點(diǎn)輔助或直接根據(jù)圖像對(duì)任意類型的圖片進(jìn)行處理，自動(dòng)化地完成相機(jī)參數(shù)的解算與三維重建，獲得亞厘米級(jí)精度，平面精度為1～2倍地面分辨率，高程精度為1～3倍地面分辨率?？紤]到航圖處理的運(yùn)算量較大，采用了32 G內(nèi)存、INTEL八代I9處理器圖形工作站進(jìn)行計(jì)算。

3 監(jiān)測總體方案

本次監(jiān)測流程主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)生產(chǎn)3個(gè)階段。

3.1 數(shù)據(jù)采集

(1)像控點(diǎn)布設(shè)與測量。根據(jù)《1∶500、1∶1 000、1∶2 000 地形圖航空攝影測量外業(yè)規(guī)范》(GB/T 7931—2008)的要求，為了深入評(píng)估建模精度，本研究沿切溝發(fā)育方向均勻布置了9個(gè)地面像控點(diǎn)，其中測區(qū)四角及中點(diǎn)5個(gè)用于建模精度控制，其余4個(gè)用于對(duì)比檢查測量精度。像控點(diǎn)的標(biāo)靶布設(shè)材料采用1 m×2 m的測繪布，標(biāo)靶為紅白交叉與數(shù)字組合。選定位置后將一臺(tái)RTK主機(jī)連接短桿后直接插入鋼管固定作為基準(zhǔn)站，再持另一RTK主機(jī)測量各控制點(diǎn)處標(biāo)靶的中心坐標(biāo)作為該像控點(diǎn)的坐標(biāo)。像控點(diǎn)測量的平面定位精度為5 mm，高程定位精度為10 mm，坐標(biāo)系為WGS84。

(2)無人機(jī)參數(shù)設(shè)置與影像采集。①航線規(guī)劃。設(shè)置一個(gè)80 m×80 m的正方形區(qū)域，覆蓋整個(gè)航攝支毛溝，航線規(guī)劃采用井字形方案，由兩組互相垂直的航路正反方向飛行，航攝方案參數(shù)見表1。②相機(jī)參數(shù)設(shè)置。此次飛行航向與旁向重疊度為75%，相機(jī)云臺(tái)俯仰角度為70°，自動(dòng)曝光，無窮遠(yuǎn)自動(dòng)對(duì)焦。無人機(jī)于2019年8月6日上午9時(shí)18分起飛，現(xiàn)場無風(fēng)，天氣晴好，光線充足，經(jīng)過26 min32 s的飛行，無人機(jī)完成規(guī)劃的航路任務(wù)后降落，共獲得518張傾斜航圖。

表1 航攝方案參數(shù)

3.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

依次進(jìn)行影像質(zhì)量檢查(檢查獲取影像是否清晰、有無拖影等)、POS數(shù)據(jù)檢查(數(shù)據(jù)獲取是否正常等)、飛行質(zhì)量檢查(飛行軌跡是否按照規(guī)定航線飛行等)、像控點(diǎn)檢查等預(yù)處理工作，確保數(shù)據(jù)無誤后，導(dǎo)入Pix4D軟件進(jìn)行空三加密解算。

(1)POS數(shù)據(jù)檢查。使用Pix4D軟件導(dǎo)入航攝照片，導(dǎo)出POS數(shù)據(jù)，確認(rèn)照片有無POS數(shù)據(jù)丟失情況。經(jīng)檢查，POS數(shù)據(jù)正常、無丟失。

(2)飛行質(zhì)量檢查。先使用Pix4D進(jìn)行快拼，當(dāng)天飛行當(dāng)天檢驗(yàn)，確定是否有漏片和丟片問題。再將航攝照片導(dǎo)入Smart3D軟件中，使用軟件的圖像質(zhì)量評(píng)估工具統(tǒng)計(jì)航圖質(zhì)量。如果評(píng)分低于0.5分，則存在曝光、對(duì)焦等問題，無法參加后續(xù)建模。經(jīng)檢查，各航圖質(zhì)量評(píng)分均在0.8分左右，可用于后期軟件處理。

(3)像控點(diǎn)檢查。使用Pix4D確保各像控點(diǎn)出現(xiàn)在2張以上航圖中，本次檢查結(jié)果滿足要求。

3.3 數(shù)據(jù)生產(chǎn)

(1)初始化處理。將航圖導(dǎo)入軟件后，添加像控點(diǎn)。為了提高評(píng)估建模成果的精度，將地面控制點(diǎn)分為參考點(diǎn)與檢查點(diǎn)兩類。將本次布設(shè)9個(gè)像控點(diǎn)中的5個(gè)作為參考點(diǎn)，另外4個(gè)作為檢查點(diǎn)，檢查點(diǎn)不參與空間配準(zhǔn)，可以通過檢查點(diǎn)與其在切溝稠密點(diǎn)云中同名點(diǎn)的距離對(duì)切溝建模精度進(jìn)行評(píng)估，通過軟件自帶功能全面高精度處理后生成質(zhì)量報(bào)告。

(2)稠密點(diǎn)云生成與三維網(wǎng)格紋理構(gòu)建。根據(jù)本研究精度要求，點(diǎn)云加密圖像比例選擇原圖像尺寸，點(diǎn)密度選擇最佳，三維網(wǎng)格選擇高分辨率，由Pix4D軟件自動(dòng)生成。

(3)空間模型的生成。首先根據(jù)切溝的稠密點(diǎn)云，通過柵格插值算法得到其數(shù)字高程模型；然后通過三角剖分由切溝的稠密點(diǎn)云構(gòu)建出切溝的三角網(wǎng)格模型，結(jié)合原始航圖對(duì)其進(jìn)行表面紋理貼圖與著色，生成包含原始色彩紋理的三角網(wǎng)格模型；最后根據(jù)三角網(wǎng)格模型生成切溝的正射影像，用于量測分析與制圖等。

4 結(jié)果與分析

4.1 精度評(píng)估

從參考點(diǎn)與檢查點(diǎn)兩方面對(duì)航圖建模成果進(jìn)行分析。結(jié)果表明，參考(地面控制)點(diǎn)x方向(經(jīng)度)誤差最大為0.073 m，y方向(緯度)誤差最大為0.054 m，h(高程)誤差最大為0.023 m；檢查(地面控制)點(diǎn)x方向(經(jīng)度)誤差最大為0.031 m，y方向(緯度)誤差最大為0.027 m，h(高程)誤差最大為0.079 m。 參考點(diǎn)與檢查點(diǎn)誤差對(duì)比結(jié)果見表2。由表2知：各方向的誤差值均沒有異常；檢查(控制)點(diǎn)各方向誤差均在參考(控制點(diǎn))誤差范圍內(nèi)；檢查(控制)點(diǎn)在3個(gè)方向均沒有顯著的誤差，可以作為整體精度的評(píng)估指標(biāo)。

參考國家測繪局2010年發(fā)布的《低空數(shù)字航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》(GH/Z 3003—2010)，在山地環(huán)境下，1∶500數(shù)字劃線圖(B 類)的平面位置均方根誤差不應(yīng)大于0.8 m，數(shù)字劃線圖(B類)的高程均方根誤差不應(yīng)大于0.7 m。本次項(xiàng)目精度水平滿足1∶500比例尺的精度要求。

表2 參考點(diǎn)與檢查點(diǎn)誤差對(duì)比結(jié)果 m

4.2 生成DEM成果分析

(1)通過軟件Pix4D構(gòu)建的數(shù)字高程模型DEM，獲取了分辨率為1.90 cm/pixel的切溝DEM與間隔為1 m的等高線圖，見圖2。由圖2可見，等高線平滑、連續(xù)，可以較為準(zhǔn)確地反映切溝的形態(tài)特征。

圖2 4#支毛溝數(shù)字高程與等高線

4.3 RTK打點(diǎn)測量與DEM提取剖面分析

項(xiàng)目往期已在監(jiān)測的支毛溝布設(shè)代表性監(jiān)測橫斷面，在溝沿線以外地表比較穩(wěn)定地段橫斷面兩端延長線上各埋設(shè)一個(gè)固定測量標(biāo)志，以便于觀測、安置儀器。本研究使用往期布設(shè)的標(biāo)志點(diǎn)，使用RTK對(duì)溝頭剖面進(jìn)行測量，獲取溝頭剖面線。同時(shí)，使用航圖中獲取的DEM數(shù)據(jù)，根據(jù)布設(shè)固定測量標(biāo)志坐標(biāo)，通過ArcGIS中3D Analyst工具提取相同位置溝頭剖面線。

RTK獲取斷面與傾斜攝影提取斷面高程差值見圖3。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，本研究提取的剖面線與RTK測量形成的剖面線基本重合，可以較為精確地反映溝頭的剖面形態(tài)。

圖3 RTK獲取斷面與無人機(jī)影像提取斷面高程差值

5 結(jié) 論

本研究將消費(fèi)級(jí)無人機(jī)與1∶500傾斜攝影測量結(jié)合，配合高精度的地面控制點(diǎn)，運(yùn)用在小面積侵蝕溝監(jiān)測的工作中，確定了兩種方法的水平誤差與高程誤差，并獲取了侵蝕溝高精度模型。通過本次研究，可以看出：

(1)通過地面控制點(diǎn)與建模后的誤差對(duì)比，獲得經(jīng)度誤差為0.018 20 m，緯度誤差為0.019 02 m，高程誤差為0.045 48 m，滿足了《低空數(shù)字航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》(GH/Z 3003—2010)的要求。

(2)無人機(jī)航測影像生成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，相比RTK人工打點(diǎn)測量與激光雷達(dá)掃描點(diǎn)云，更密集、均勻；避免了正射影像切溝、溝壁處高程數(shù)據(jù)精度不足的問題，為獲得準(zhǔn)確的侵蝕溝監(jiān)測數(shù)據(jù)提供了可靠的保證。

(3)由于侵蝕溝內(nèi)地形復(fù)雜、陡峭，RTK打點(diǎn)測量與激光雷達(dá)掃描點(diǎn)云工作量大，且有諸多不便，導(dǎo)致部分人無法到達(dá)的區(qū)域測量精度降低，而無人機(jī)航測能在保證精度的前提下，讓侵蝕溝監(jiān)測工作更高效、快捷。