彭桂云，高 翔，孫曉光

（1.北京市懷柔區(qū)水土保持工作站，北京 101400；2.北京渤海嘉實(shí)工程咨詢有限責(zé)任公司，北京 100055）

隨著數(shù)字孿生流域、城市信息模型、智慧水保等需求的增加，對(duì)三維數(shù)據(jù)信息采集和處理的要求越來越高。無人機(jī)技術(shù)作為三維數(shù)據(jù)獲取的重要手段，在水利、水電、國土、電力、生態(tài)環(huán)境和城市建設(shè)等領(lǐng)域廣泛深入應(yīng)用，尤其無人機(jī)被引入水土保持監(jiān)測領(lǐng)域以來，解決了傳統(tǒng)水土保持監(jiān)測工作的“到不了現(xiàn)場、看不清全貌”的困境，提升了水土保持監(jiān)測工作的精準(zhǔn)性和針對(duì)性。無人機(jī)采集的影像數(shù)據(jù)、三維數(shù)據(jù)和正射影像等為水土保持監(jiān)測工作開啟提供了全方位、立體式的工作體驗(yàn)。水土保持監(jiān)測工作對(duì)無人機(jī)數(shù)據(jù)生產(chǎn)需求越來越大，依托無人機(jī)采集的數(shù)據(jù)對(duì)水土保持監(jiān)測中的擾動(dòng)土地面積、擾動(dòng)土地類型、挖填土方量及土壤流失量等進(jìn)行數(shù)據(jù)化的分析，在水土保持監(jiān)測過程中發(fā)揮著越來越不可替代的作用。水土保持監(jiān)測無人機(jī)數(shù)據(jù)生產(chǎn)是利用無人機(jī)對(duì)水土保持監(jiān)測對(duì)象進(jìn)行航飛數(shù)據(jù)采集，在此基礎(chǔ)上對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行空三處理、建模修模和數(shù)據(jù)管理等系列操作，根據(jù)需要形成三維實(shí)景模型、DOM 和專題圖等成果，并進(jìn)一步進(jìn)行土地利用類型、擾動(dòng)土地范圍、水土流失面積及水土保持措施量提取和分析的過程。本文梳理了水土保持監(jiān)測無人機(jī)數(shù)據(jù)生產(chǎn)應(yīng)用現(xiàn)狀，重點(diǎn)分析了無人機(jī)在水土保持監(jiān)測過程中數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)管理現(xiàn)狀與需求，提出了相關(guān)解決方案，并展望了水土保持監(jiān)測過程無人機(jī)數(shù)據(jù)生產(chǎn)的應(yīng)用方向和發(fā)展前景。

1 水土保持監(jiān)測無人機(jī)數(shù)據(jù)生產(chǎn)應(yīng)用現(xiàn)狀

近年來，隨著無人機(jī)設(shè)備、傳感器、三維建模及影視剪輯等相關(guān)軟件的更新和升級(jí)，無人機(jī)在水土保持監(jiān)測過程中的應(yīng)用場景越來越多，越來越深入到水土保持工作的各個(gè)方面。無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用到生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目中可以準(zhǔn)確提取各項(xiàng)水土保持監(jiān)測數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步計(jì)算出挖填方量和土壤流失量等數(shù)據(jù)[1]；無人機(jī)應(yīng)用到水土保持監(jiān)測中展現(xiàn)了不限地形、不限地貌、少受交通條件、少受環(huán)境因素影響的優(yōu)勢，保證了水土保持監(jiān)測工作的科學(xué)、快速、順利開展[2]；無人機(jī)遙感技術(shù)可快速、準(zhǔn)確獲取線性工程中各項(xiàng)定性、定量水土保持監(jiān)測數(shù)據(jù)，使水土保持監(jiān)測工作更加高精度、高效率、信息化[3]；通過網(wǎng)絡(luò)CORS 定位獲取高精度定位，獲取了山區(qū)小流域水土保持措施調(diào)查，并制作了1∶2 000 比例尺地圖[4]；利用無人機(jī)技術(shù)對(duì)水土保持重點(diǎn)治理工程措施進(jìn)行核查，快速提取水土保持措施面積、措施尺寸等數(shù)量指標(biāo)和質(zhì)量指標(biāo)[5]。無人機(jī)可以獲取毫米級(jí)的實(shí)物三維模型，對(duì)珍貴文物進(jìn)行高精度的數(shù)字化保存[6]。以上前沿技術(shù)或案例正在水土保持監(jiān)測工作中逐步探索和試驗(yàn)，為水土保持監(jiān)測工作開展提供了更加精確和全面的數(shù)據(jù)和技術(shù)基礎(chǔ)。但目前在水土保持監(jiān)測無人機(jī)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)管理等整個(gè)過程中，仍處于各自探索階段，并未形成統(tǒng)一的技術(shù)流程和數(shù)據(jù)管理標(biāo)準(zhǔn)。

2 水土保持監(jiān)測無人機(jī)數(shù)據(jù)采集

2.1 數(shù)據(jù)采集精細(xì)化

隨著水土保持監(jiān)測工作成果精度要求的提高，對(duì)無人機(jī)數(shù)據(jù)采集提出了更高的要求，數(shù)據(jù)采集越來越精細(xì)化，例如：①通過在無人機(jī)上配備RTK 模塊，再利用網(wǎng)絡(luò)CORS結(jié)合RTK∕PPK 技術(shù)，獲取無人機(jī)拍照厘米級(jí)定位的高精度POS 數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)免相控作業(yè)，某地產(chǎn)項(xiàng)目利用RTK 模塊采集厘米級(jí)定位圖像示例如圖1 所示；②利用無人機(jī)仿地飛行能力進(jìn)行變高飛行，保證對(duì)地保持恒定高度獲取作業(yè)區(qū)域統(tǒng)一地面分辨率的數(shù)據(jù)，最大程度減少測量誤差；③充分利用無人機(jī)的避障能力結(jié)合精密的航線規(guī)劃進(jìn)行貼近飛行，可獲毫米級(jí)的數(shù)據(jù)。

圖1 某地產(chǎn)項(xiàng)目利用RTK模塊采集厘米級(jí)定位圖像示例（水平精度、垂直精度單位m）

2.2 數(shù)據(jù)采集多樣化

隨著水土保持監(jiān)測工作中無人機(jī)應(yīng)用場景的增多，無人機(jī)搭載的傳感器類型也越來越多，數(shù)據(jù)采集也越來越多樣化。目前常見的無人機(jī)采集數(shù)據(jù)由可見光的照片、視頻，還有雷達(dá)數(shù)據(jù)、多光譜數(shù)據(jù)、熱成像數(shù)據(jù)等類型。除此之外，無人機(jī)還可以利用第三方軟件進(jìn)行土地占地類型、占地面積、水土保持措施數(shù)據(jù)獲取以及實(shí)現(xiàn)土壤流失量等數(shù)據(jù)計(jì)算。

2.3 數(shù)據(jù)采集自動(dòng)化

無人機(jī)數(shù)據(jù)采集在開始階段一般是簡單地采用定時(shí)間或定距離間隔的方式拍照，甚至有時(shí)利用手動(dòng)方式采集照片和視頻。隨著無人機(jī)航線規(guī)劃軟件的智能化，無人機(jī)航飛已經(jīng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)規(guī)劃航線，某地產(chǎn)項(xiàng)目根據(jù)航飛范圍自動(dòng)規(guī)劃航線示例如圖2 所示。在航飛區(qū)域初次建模的基礎(chǔ)上，對(duì)無人機(jī)航線自動(dòng)精細(xì)化編輯，實(shí)現(xiàn)更高精度、更高效率的數(shù)據(jù)采集。同時(shí)，隨著視頻拍攝智能化功能的提升，無人機(jī)對(duì)于視頻數(shù)據(jù)的采集也越來越自動(dòng)化。

3 水土保持監(jiān)測無人機(jī)數(shù)據(jù)處理

3.1 數(shù)據(jù)處理集群化

水土保持監(jiān)測無人機(jī)數(shù)據(jù)采集精度越高，成果精度也越高。因此，無人機(jī)采集的數(shù)據(jù)會(huì)隨著精度要求的提高，數(shù)據(jù)量成幾何倍級(jí)的增加，對(duì)后期處理軟件和硬件的需求也相應(yīng)的增加，促進(jìn)了后期軟件功能的迭代升級(jí)，大部分后期處理軟件都增加了集群處理的功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)采集數(shù)據(jù)的自動(dòng)化任務(wù)分配和處理，實(shí)時(shí)監(jiān)控集群處理的進(jìn)度和效果，某地產(chǎn)項(xiàng)目軟件集群處理計(jì)算示例如圖3所示。

集群處理成倍縮短了無人機(jī)數(shù)據(jù)處理時(shí)間，提高了成果時(shí)效，為水土保持措施監(jiān)測成果應(yīng)用或水土流失隱患、危害監(jiān)測快速?zèng)Q策提供了更為及時(shí)的依據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)處理融合化

無人機(jī)數(shù)據(jù)的多樣化，促使后期成果越來越豐富，從三維模型、數(shù)字正射影像到雷達(dá)數(shù)據(jù)等成果形式應(yīng)有盡有，某地產(chǎn)項(xiàng)目三維模型示例如圖4所示。由于對(duì)成果效果要求的提高，無人機(jī)多傳感器圖像融合處理越來越多，主要是利用無人機(jī)的一種或多種成像傳感器獲得同一地物不同類型的數(shù)據(jù)，融合彼此的互補(bǔ)信息，以獲得對(duì)同一地物更全面、直觀、可靠的信息。如，后期處理中利用雷達(dá)點(diǎn)云密度高、精度高的特點(diǎn)，把可見光照片和雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，形成較好的真三維可視化效果；利用可見光和熱成像融合技術(shù)，可以在弱光和黑暗條件下檢查、定位和識(shí)別對(duì)象等。

圖4 某地產(chǎn)項(xiàng)目三維模型示例

3.3 數(shù)據(jù)處理單體化

數(shù)字孿生、城市模型、智慧水保應(yīng)用已經(jīng)成為趨勢，針對(duì)大規(guī)模的三維建模而言，僅能滿足視覺上或者大尺度上的觀感和計(jì)算，而計(jì)算機(jī)還不能對(duì)具體的單個(gè)目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行識(shí)別、屬性賦予以及大規(guī)模的模擬運(yùn)算和實(shí)時(shí)推演[6]，因此對(duì)于水土保持監(jiān)測無人機(jī)數(shù)據(jù)處理單體化有著必然的需求，某地產(chǎn)項(xiàng)目房屋單體化示例如圖5所示。目前單體化工作大多采用在整體模型上進(jìn)行編輯，而自動(dòng)化的單體化識(shí)別與定位仍處于探索階段。

圖5 某地產(chǎn)項(xiàng)目房屋單體化示例

3.4 數(shù)據(jù)處理真實(shí)化

三維模型的精度已達(dá)厘米級(jí)，甚至毫米級(jí)。但三維模型相對(duì)于實(shí)景來說還是會(huì)有失真和瑕疵的問題，模型中會(huì)有凸起凹陷、模糊不清楚甚至漏洞等情況，因此需要二次加工，利用三維模型修模軟件對(duì)其點(diǎn)、線、面進(jìn)行修改和補(bǔ)充，并結(jié)合實(shí)景照片貼圖等方式，最終完成符合實(shí)際的三維模型，進(jìn)一步獲取準(zhǔn)確的、真實(shí)的臨時(shí)措施面積、臨時(shí)堆土體積等數(shù)據(jù)，某地產(chǎn)項(xiàng)目臨時(shí)苫蓋措施范圍提取示例如圖6所示。

圖6 某地產(chǎn)項(xiàng)目臨時(shí)苫蓋措施范圍提取示例

4 水土保持監(jiān)測無人機(jī)數(shù)據(jù)管理

4.1 數(shù)據(jù)管理智能化

傳統(tǒng)無人機(jī)數(shù)據(jù)管理尤其對(duì)于多次同一區(qū)域或地物的航飛數(shù)據(jù)管理僅以對(duì)比的形式展現(xiàn)或簡單疊加，缺乏數(shù)據(jù)間的分析和挖掘，有的數(shù)據(jù)管理僅僅依靠文件夾進(jìn)行分類和存儲(chǔ)，造成了水土保持監(jiān)測無人機(jī)數(shù)據(jù)資源的浪費(fèi)。數(shù)據(jù)管理智能化分析，通過對(duì)無人機(jī)監(jiān)測前后影像的對(duì)比，可以智能分析水土流失防治責(zé)任范圍變化、智能識(shí)別水土流失隱患、智能解譯圖斑類別，最終針對(duì)智能分析出的結(jié)果進(jìn)行水土流失隱患處理及解譯圖斑的應(yīng)用。

4.2 數(shù)據(jù)管理標(biāo)準(zhǔn)化

傳統(tǒng)無人機(jī)監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量參差不齊，缺少統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)等環(huán)節(jié)存在不科學(xué)、不規(guī)范等問題，導(dǎo)致錯(cuò)誤數(shù)據(jù)、缺失數(shù)據(jù)等“臟數(shù)據(jù)”的產(chǎn)生。由于缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的管理機(jī)制和人為因素，造成數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不一、數(shù)據(jù)無法對(duì)應(yīng)的問題，導(dǎo)致了大量的垃圾數(shù)據(jù)。通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，統(tǒng)一數(shù)據(jù)收集模式、基本原則、程序、工作內(nèi)容等，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、查閱、應(yīng)用更加規(guī)范、科學(xué)。

4.3 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)化

水土保持監(jiān)測無人機(jī)數(shù)據(jù)管理需求隨著無人機(jī)在水土保持監(jiān)測工作中的應(yīng)用深入越來越迫切，但目前大多是以滿足項(xiàng)目成果為最終結(jié)果，數(shù)據(jù)管理僅依靠傳統(tǒng)的存儲(chǔ)和應(yīng)用。通過系統(tǒng)化的數(shù)據(jù)管理，借助專業(yè)軟件∕平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)云共享、云互通、云統(tǒng)一，解決傳統(tǒng)數(shù)據(jù)無法共享、無法永久保存等問題。

5 水土保持監(jiān)測無人機(jī)數(shù)據(jù)處理與管理問題與思考

5.1 數(shù)據(jù)類型不兼容

水土保持監(jiān)測無人機(jī)數(shù)據(jù)生產(chǎn)涉及水土保持監(jiān)測工作中的多種應(yīng)用場景，有的側(cè)重三維數(shù)據(jù)，有的側(cè)重視頻或照片，也有的與數(shù)據(jù)相結(jié)合。雖然不同無人機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件生成的中間或成果數(shù)據(jù)格式名稱一樣，如通用的OSGB、OBJ等三維格式數(shù)據(jù)，但數(shù)據(jù)間仍是不能兼容和通用，還有一些軟件自身的專門后綴格式的數(shù)據(jù)，如3MX、Terra 等格式數(shù)據(jù)不能拿到別的處理軟件中使用。無人機(jī)后期處理軟件多種多樣，更多時(shí)候需要多種軟件分步處理才能實(shí)現(xiàn)最終成果需求，但由于軟件數(shù)據(jù)格式存在不兼容問題，導(dǎo)致無人機(jī)數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用出現(xiàn)困難。

5.2 數(shù)據(jù)挖掘深度不夠

水土保持監(jiān)測無人機(jī)數(shù)據(jù)管理基本上結(jié)合具體需求開展，目前市面上的數(shù)據(jù)管理軟件僅能提供簡單的瀏覽和標(biāo)注，對(duì)于測量和計(jì)算很難滿足。三維數(shù)據(jù)大多用來瀏覽和查看，尤其是作為底層數(shù)據(jù)來應(yīng)用。一方面缺少更專業(yè)的查詢、標(biāo)注、計(jì)算以及數(shù)據(jù)挖掘軟件；另一方面由于無人機(jī)數(shù)據(jù)本身獲取代價(jià)高昂和保密原因，導(dǎo)致了數(shù)據(jù)管理專業(yè)軟件開發(fā)的遲緩，使得水土保持監(jiān)測無人機(jī)數(shù)據(jù)管理以實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目成果為最終結(jié)果，缺少了數(shù)據(jù)間的分析和挖掘。因此，應(yīng)根據(jù)水土保持監(jiān)測的生產(chǎn)需要，建立以云計(jì)算為平臺(tái)的水土保持監(jiān)測數(shù)據(jù)管理和分析平臺(tái)，充分利用無人機(jī)數(shù)據(jù)三維、真彩色等立體、直觀數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行水土保持監(jiān)測數(shù)據(jù)分析和深度挖掘。

5.3 數(shù)據(jù)管理應(yīng)用不智能

由于水土保持監(jiān)測無人機(jī)數(shù)據(jù)管理存在的粗放問題，加上水土保持監(jiān)測無人機(jī)數(shù)據(jù)都是GB 級(jí)數(shù)據(jù)，在管理和調(diào)用上對(duì)軟硬件能力都提出了更高的要求。水土保持監(jiān)測數(shù)據(jù)的管理和使用還處于斑點(diǎn)化，重復(fù)利用且對(duì)比利用較低，造成了深度挖掘和精確提取難以實(shí)現(xiàn)。隨著水土保持監(jiān)測無人機(jī)數(shù)據(jù)成果精度越來越高和效果要求越來越實(shí)景化，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理更應(yīng)簡便化、智能化、快捷化，并需要結(jié)合水土保持監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析、推演和實(shí)時(shí)運(yùn)算，所以急需形成并建立智能化的數(shù)據(jù)管理和應(yīng)用平臺(tái)。

6 總結(jié)與展望

無人機(jī)的使用代替了大量的人力工作，提升并擴(kuò)大了水土保持監(jiān)測工作視野深度和廣度，提高了工作效率和水平，但依然面臨著無人機(jī)監(jiān)測數(shù)據(jù)類型不兼容、數(shù)據(jù)挖掘深度不夠、數(shù)據(jù)管理應(yīng)用不智能等問題。

解決水土保持監(jiān)測數(shù)據(jù)存在的問題應(yīng)從源頭出發(fā)，統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式保證在數(shù)據(jù)通用的基礎(chǔ)上，建立統(tǒng)一的應(yīng)用處理平臺(tái)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理和應(yīng)用。結(jié)合目前現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程規(guī)范，制定專門針對(duì)水土保持監(jiān)測無人機(jī)數(shù)據(jù)生產(chǎn)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)包括水土保持監(jiān)測無人機(jī)應(yīng)用的基本原則、程序、工作內(nèi)容、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和格式等，逐步形成統(tǒng)一、有效的數(shù)據(jù)收集的方法與標(biāo)準(zhǔn)。建立區(qū)域或省級(jí)水土保持監(jiān)測無人機(jī)數(shù)據(jù)管理和使用平臺(tái)，把分散的無人機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和集中管理，提高數(shù)據(jù)使用和利用效率，依托數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的無人機(jī)數(shù)據(jù)建立智慧水土保持平臺(tái)。通過這個(gè)平臺(tái)把水土保持監(jiān)測的斑點(diǎn)化、散亂化的數(shù)據(jù)連成片，集成時(shí)間序列或空間序列，加強(qiáng)水土保持監(jiān)測無人機(jī)數(shù)據(jù)的管理和使用，促進(jìn)水土保持監(jiān)測無人機(jī)數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)化、智慧化。

盡管水土保持監(jiān)測無人機(jī)數(shù)據(jù)生產(chǎn)存在多種困境，但隨著無人機(jī)從摸索、試錯(cuò)階段向成熟化轉(zhuǎn)變，隨著無人機(jī)性能的提升、傳感器多樣化和精準(zhǔn)化、處理軟件功能智能化和模塊化以及數(shù)據(jù)管理軟件平臺(tái)化等各階段研發(fā)和應(yīng)用的齊頭并進(jìn)，水土保持監(jiān)測無人機(jī)數(shù)據(jù)生產(chǎn)的應(yīng)用將會(huì)越來越廣泛。

無人機(jī)在水土保持監(jiān)測的應(yīng)用從點(diǎn)到面越來越深入，已經(jīng)成為不可或缺的生產(chǎn)工具，在水土保持監(jiān)測無人機(jī)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)管理各方面都有了長足的進(jìn)步和探索。面對(duì)無人機(jī)監(jiān)測數(shù)據(jù)生產(chǎn)出現(xiàn)的數(shù)據(jù)類型不兼容、數(shù)據(jù)挖掘深度不夠、數(shù)據(jù)管理應(yīng)用不智能等問題，都能通過制定數(shù)據(jù)生產(chǎn)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和建立數(shù)據(jù)管理使用平臺(tái)得到很好的解決。隨著水土保持無人機(jī)監(jiān)測技術(shù)手段的進(jìn)步，未來水土保持監(jiān)測前景必定一片大好。