張寶龍

（陜西恒綠環(huán)?？萍加邢薰?，陜西 寶雞 721013）

1 工程概況

陜西省寶雞市地處關(guān)中平原西部，處于東經(jīng)106°18′~108°03′，北緯33°35′~35°06′，為陜西省轄地級(jí)市，下轄4 區(qū)8 縣，總面積18 117 km2。近5 年來(lái)，隨著市域范圍內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷開(kāi)發(fā)，生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目具有數(shù)量多、分布廣、開(kāi)發(fā)時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，基于傳統(tǒng)的測(cè)繪手段無(wú)法滿(mǎn)足高精度和高效率的水土保持監(jiān)測(cè)要求，監(jiān)管難度較大。無(wú)人機(jī)技術(shù)具有成本低、效率高、技術(shù)相對(duì)成熟、不受地形限制、空域限制小和分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，在空中采集地表水土保持監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有明顯優(yōu)勢(shì)，因此借助無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)對(duì)轄區(qū)內(nèi)的開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)行快速監(jiān)測(cè)、長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)成為有效的測(cè)繪解決手段[1]。

2 基于無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獲取過(guò)程

在獲取開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的過(guò)程中，采用的無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)主要由4 個(gè)部分組成，分別為無(wú)人機(jī)航拍獲取平臺(tái)、數(shù)據(jù)信息傳輸系統(tǒng)、地面監(jiān)測(cè)和接收裝置、飛行控制和任務(wù)執(zhí)行系統(tǒng)。其中，無(wú)人機(jī)航拍獲取平臺(tái)包括無(wú)人機(jī)飛行器本體、攝像裝置以及動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置等，根據(jù)任務(wù)的不同可以搭載CCD 數(shù)碼攝像機(jī)、紅外線攝像機(jī)和合成孔徑雷達(dá)等，以獲取不同數(shù)據(jù)類(lèi)型的遙感影像[2-3]。該文選取的無(wú)人機(jī)航拍飛行器為大疆精靈M300 RTK 測(cè)繪專(zhuān)用無(wú)人飛行器，其長(zhǎng)度×寬度×高度尺寸（展開(kāi)）為81cm×67cm×43cm，包括的雙電池的空機(jī)質(zhì)量為6.3kg，最大載重為2.7kg，最大水平飛行速度為23m/s，最大飛行海拔高度為5000m，最大可承受風(fēng)速為15m/s（7 級(jí)風(fēng)），最大飛行時(shí)間為55min，垂直懸停精度誤差（P-GPS）小于10cm，水平懸停精度誤差（P-GPS）小于15cm。無(wú)人機(jī)航拍飛行器搭載的COMS 影像傳感器，傳感器信號(hào)為賽爾PSDK102S，總像素大于1.2 億像素點(diǎn)，有效像素為2430 像素點(diǎn)，單相機(jī)圖像分辨率為6000像素點(diǎn)×4000 像素點(diǎn)，攝像機(jī)鏡頭數(shù)量為5 個(gè)，鏡頭傾斜角度45°，最大俯仰軸旋轉(zhuǎn)角速度為300°/s，最大航向軸旋轉(zhuǎn)角度為100°/s，最大俯仰角度為30°，在S 模式下，最大垂直上升速度為6m/s，最大垂直下降速度為5m/s，RTK 位置精度為水平1cm+1ppm、垂直1.5cm+1ppm，數(shù)字信息傳輸系統(tǒng)是聯(lián)系無(wú)人機(jī)航拍獲取平臺(tái)與地面監(jiān)測(cè)和接收裝置的信息傳遞媒介，含有數(shù)據(jù)信息發(fā)射和接收裝置，可以采取的傳輸方式有短波數(shù)據(jù)鏈路、超短波數(shù)據(jù)鏈路和微波視距數(shù)據(jù)鏈路，聯(lián)合地面監(jiān)測(cè)和接收裝置可以實(shí)時(shí)查看無(wú)人機(jī)傳回的數(shù)據(jù)影響信息，數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)淖畲笥行Ь嚯x約4000m[4]。飛行控制和任務(wù)執(zhí)行系統(tǒng)主要為無(wú)人機(jī)的飛行提供定位控制和巡航導(dǎo)航，包括控制儀表、GPS 定位系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)速度和加速度傳感器、環(huán)境氣壓及飛行高度傳感器等，飛行器定位系統(tǒng)GNSSGPS 可有4 個(gè)選項(xiàng)，分別為中國(guó)BeiDou，美國(guó)GPS，俄羅斯GLONASS 和歐盟Galileo。結(jié)合無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)，針對(duì)工程項(xiàng)目的實(shí)際情況獲取研究區(qū)內(nèi)的水土保持監(jiān)測(cè)指標(biāo)及信息特征，詳細(xì)的監(jiān)管指標(biāo)及信息提取方法如圖1 所示。

圖1 基于無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)管指標(biāo)及信息提取方法

基于無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集分為資料收集與預(yù)處理、無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量和合規(guī)性詳查3 個(gè)階段。在資料收集與預(yù)處理階段，主要是根據(jù)收集到的批復(fù)項(xiàng)目方案、特性表、防治范圍圖件、批復(fù)、評(píng)審記錄和高分正射遙感影響等進(jìn)行空間矢量化，形成項(xiàng)目擾動(dòng)范圍圖、防治責(zé)任圖、水體流失防治分區(qū)圖、水土保持措施布局圖。隨后進(jìn)入無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量階段，根據(jù)預(yù)處理成果展開(kāi)合規(guī)性預(yù)判，制定無(wú)人機(jī)航飛方案，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)航飛和航拍數(shù)據(jù)處理，利用建模行間，形成現(xiàn)場(chǎng)高精度數(shù)值正射影像模型（DOM）、數(shù)字表面模型（DSM）、數(shù)字高程模型（DEM）和實(shí)景三維模型等。

為了提高無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的測(cè)試精度和測(cè)試速度，在測(cè)繪時(shí)對(duì)各個(gè)設(shè)備進(jìn)行了校準(zhǔn)操作，在地表平面不同位置布置靶標(biāo)球，球的間隔為30 m~50 m 一個(gè)。無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)測(cè)繪前，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)地形進(jìn)行踏勘，在根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘情況設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)航拍獲取平臺(tái)的飛行航線，然后架設(shè)基站、地面監(jiān)測(cè)和接收裝置、安裝設(shè)備，開(kāi)啟無(wú)人機(jī)，待其進(jìn)入采集航線時(shí)，打開(kāi)無(wú)人機(jī)航拍COMS 影像傳感器和GPS 定位系統(tǒng)，點(diǎn)擊“開(kāi)始采集”對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，結(jié)束采集后，點(diǎn)擊“結(jié)束采集”關(guān)閉影像采集，將收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)預(yù)處理。按照坡度變化的濾波算法，對(duì)影像數(shù)據(jù)采集過(guò)程中的噪聲點(diǎn)、離群點(diǎn)進(jìn)行濾除，其濾波的基本原理是按照高程坡度變化去頂最優(yōu)濾波函數(shù)，即給定兩點(diǎn)的高程，如果其高程差超出地面或者水面，對(duì)其進(jìn)行濾除，濾波的約束函數(shù)如公式（1）所示[5]。

式中：hpi為影像圖中第i個(gè)點(diǎn)的高程，m；hpj為影像圖中第j個(gè)點(diǎn)的高程，m；△hmax（d（pi，pj））為第i個(gè)點(diǎn)與第j個(gè)點(diǎn)的高程差閾值，m。

根據(jù)閾值的置信區(qū)間，確定無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的影像圖濾波函數(shù)如公式（2）所示[6]。

式中：d為第i個(gè)點(diǎn)與第j個(gè)點(diǎn)的距離，m；c為第i個(gè)點(diǎn)與第j個(gè)點(diǎn)的坡度，°；a為顯著水平；f（pi，pj，a）為改正函數(shù)。

濾波后的影像圖數(shù)據(jù)集符合公式（3）。

式中：B為影像圖濾波后的集合；A為影像圖原始數(shù)據(jù)集合。

3 基于無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

為了分析無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)數(shù)據(jù)的精度，對(duì)開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目地形數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量中誤差計(jì)算，如公式（4）所示。

式中：δ為數(shù)據(jù)高程模型中誤差；n為數(shù)據(jù)樣本總量；Zi為檢查點(diǎn)的高程，m；Ri為數(shù)據(jù)高程模型內(nèi)插點(diǎn)高程，m。

對(duì)開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目地形三維數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行中誤差分析，按照現(xiàn)場(chǎng)地形高程差0m~10m、10m~14m、14m~18m 和＞18m 進(jìn)行數(shù)據(jù)分級(jí)，每級(jí)數(shù)據(jù)抽取500 個(gè)數(shù)據(jù)樣本點(diǎn)，研究表明，不同高程范圍的三維數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)中誤差呈現(xiàn)不同程度的波動(dòng)，除了個(gè)別數(shù)據(jù)點(diǎn)的中誤差出現(xiàn)劇烈波動(dòng)外，各個(gè)高程范圍的三維數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)中誤差均有一個(gè)穩(wěn)定的波動(dòng)范圍，隨著高程差不斷減少，其中誤差也不斷減少。當(dāng)高程差≥18m 時(shí)，其中誤差平均值為108.74mm，而當(dāng)高程差范圍為14m~18m 時(shí)，其中誤差平均值為100.11mm，在高程差范圍為10m~14m 時(shí)，其中誤差平均值為88.86mm，當(dāng)高程差為0m~14m 時(shí)，其中誤差平均值為84.74mm。

對(duì)各個(gè)高程差范圍的三維數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)中誤差進(jìn)行頻數(shù)統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖2 所示。從圖2 中可以看出，不同高程差的三維數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)中誤差的集中度存在明顯不同，當(dāng)高程差≥18m 時(shí)，其中誤差主要集中在110mm~120mm，頻數(shù)為157，其次為100mm~110mm，頻數(shù)為128；而當(dāng)高程差范圍為14m~18m 時(shí)，其中誤差主要集中在110mm~120mm，頻數(shù)為268，其次為90mm~100mm，頻數(shù)為162；在高程差范圍為10m~14m 時(shí)，其中誤差主要集中在90mm~100mm，頻數(shù)為225，其次為80mm~90mm，頻數(shù)為223；在高程差小于10m 時(shí)，其中誤差主要集中在80mm~90mm，頻數(shù)為326，其次為90mm~100mm，頻數(shù)為92。

圖2 不同高程差范圍的三維數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)中誤差頻數(shù)分布

為了驗(yàn)證無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的測(cè)試精度，也采取了機(jī)載三維激光雷達(dá)掃描技術(shù)進(jìn)行平行試驗(yàn)，以機(jī)載三維激光雷達(dá)掃描技術(shù)測(cè)試成果為基準(zhǔn)，將無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)實(shí)測(cè)結(jié)果與之對(duì)比，計(jì)算平面誤差見(jiàn)表1。從表1 中可以看出，基于無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的測(cè)繪成果精度較高，其平面誤差△xy控制在0.0084 m~0.1357 m，小于0.250 m 的規(guī)范控制要求。

表1 三維激光雷達(dá)掃描技術(shù)與水上多波束測(cè)量技術(shù)的地形測(cè)繪成果對(duì)比

4 結(jié)論

以陜西省寶雞市為研究對(duì)象，基于無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)對(duì)轄區(qū)內(nèi)的開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并采用機(jī)載三維激光雷達(dá)掃描技術(shù)進(jìn)行平行試驗(yàn)，研究其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獲取方法及監(jiān)測(cè)效果，得到以下2 個(gè)結(jié)論：1）不同高程范圍的三維數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)中誤差呈現(xiàn)不同程度的波動(dòng)，除了個(gè)別數(shù)據(jù)點(diǎn)的中誤差出現(xiàn)劇烈波動(dòng)外，各個(gè)高程范圍的三維數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)中誤差均有一個(gè)穩(wěn)定的波動(dòng)范圍，并隨著高程差不斷減少，其中誤差也不斷變小。2）不同高程差的三維數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)中誤差的集中度有顯著的不同，當(dāng)高程差≥18m 時(shí)，其中誤差主要集中在110mm~120mm；在高程差范圍為14m~18m 時(shí)，其中誤差主要集中在110mm~120mm；在高程差范圍為10m~14m 時(shí)，其中誤差主要集中在90mm~100mm；在高程差小于10m 時(shí)，其中誤差主要集中在80mm~90mm。3）無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的測(cè)繪成果精度較高，其平面誤差控制當(dāng)0.0084m~0.1357m 內(nèi)，小于0.250m 的規(guī)范控制要求。