繆 靖

（云南致誠(chéng)水利水電工程有限公司，云南昆明 650000）

0 引言

當(dāng)前，我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的過(guò)程中，水土流失為關(guān)鍵性的制約因素，影響了正常的生產(chǎn)生活。但我國(guó)地域遼闊，不同區(qū)域的水土流失程度、原因等各有不同，增大了水土保持規(guī)劃設(shè)計(jì)的技術(shù)難度。為實(shí)現(xiàn)生態(tài)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，各地區(qū)必須重視水土流失的治理，加強(qiáng)水土保持規(guī)劃與設(shè)計(jì)。低空無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量能克服不利地形條件的限制，保障數(shù)據(jù)、影像采集、處理和分析的便捷性，使水土保持規(guī)劃與設(shè)計(jì)工作更具針對(duì)性。未來(lái)，水土保持規(guī)劃設(shè)計(jì)中需繼續(xù)推廣低空無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)，構(gòu)建完善的技術(shù)體系。

1 低空無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

低空無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量為測(cè)繪領(lǐng)域的新技術(shù)，伴隨信息技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)，在測(cè)量中通過(guò)配備先進(jìn)的無(wú)人機(jī)飛行器，設(shè)置飛行速度、高速、路徑等參數(shù)，整合現(xiàn)代通訊、GPS 差分定位、遙感等技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化測(cè)繪，獲取被測(cè)區(qū)域的水土流失情況，以獲得的數(shù)據(jù)為參考，制定科學(xué)且可行的水土保持規(guī)劃與設(shè)計(jì)方案[1]。無(wú)人機(jī)體積小，行動(dòng)靈活，起降方便，具有突出的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，具體表現(xiàn)在以下方面。

1.1 機(jī)動(dòng)、快速等優(yōu)勢(shì)

無(wú)人機(jī)體積小、質(zhì)量輕，在各類測(cè)量工作中攜帶方便，不需要專門為其建立升降平臺(tái)，即使測(cè)量區(qū)域的地形地質(zhì)條件十分惡劣，無(wú)人機(jī)也可進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)展開專業(yè)化調(diào)研，測(cè)量受時(shí)間與空間的限制較少，能獲取測(cè)區(qū)內(nèi)清晰的影像資料，具有機(jī)動(dòng)、高效性優(yōu)勢(shì)。

1.2 成本費(fèi)用低、操作簡(jiǎn)便、獲取影像的精度高

低空無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)下，測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)包含的專業(yè)化設(shè)備較多，如遙感傳感器、無(wú)人機(jī)、軟件等，這些設(shè)備雖前期投入成本高，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看具有成本優(yōu)勢(shì)。用無(wú)人機(jī)獲取測(cè)區(qū)影像或數(shù)據(jù)時(shí)，由于很多測(cè)量環(huán)節(jié)可由設(shè)備自動(dòng)完成，整個(gè)操作過(guò)程中的人工投入少，可降低人工費(fèi)用[2]。無(wú)人機(jī)等是現(xiàn)代化設(shè)備，在具體的工作中操作相對(duì)簡(jiǎn)單，只需要掌握基本的操作規(guī)范就能獲取高清影像。

1.3 智能化、專業(yè)化水平高

低空無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量中融合了很多現(xiàn)代技術(shù)，這些技術(shù)使整個(gè)測(cè)量過(guò)程更為自動(dòng)、智能與專業(yè)，可取代原先的人工測(cè)量模式，有利于提高測(cè)繪效率，保障測(cè)繪質(zhì)量，通過(guò)全面測(cè)繪確定土壤侵蝕類型、程度、地形、植被等信息。

1.4 空間分辨率高，數(shù)據(jù)精度高

無(wú)人機(jī)的飛行高度在50 ～1000m，能拍攝高重疊率、高精度、大比例影像，在獲取局部信息方面具有經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)性、操作性優(yōu)勢(shì)。搭載高精度數(shù)碼成像設(shè)備能垂直或傾斜成像，空間分辨率高，可得到高精度的測(cè)繪結(jié)果[3]。

2 項(xiàng)目概況

以某項(xiàng)目為例，其屬于線型工程，根據(jù)項(xiàng)目規(guī)劃建設(shè)要求，其中5 座工作井基地及其連通隧道占地面積12.9hm2，項(xiàng)目全長(zhǎng)3.1m。本項(xiàng)目建設(shè)沿線地帶存在水土流失現(xiàn)象，影響了項(xiàng)目的正常實(shí)施。為實(shí)現(xiàn)水土保持，恢復(fù)沿線生態(tài)環(huán)境，項(xiàng)目實(shí)施中工程企業(yè)與相關(guān)部門合作，開展了水土保持規(guī)劃與設(shè)計(jì)等相關(guān)工作[4]。在此項(xiàng)目的水土保持規(guī)劃與設(shè)計(jì)中，面臨以下3 個(gè)難點(diǎn)。

第一，水土流失面積大，且水土流失現(xiàn)象分散分布。根據(jù)水土流失的原因、危害程度、面積，總共選取8 個(gè)重點(diǎn)區(qū)域，其中調(diào)查階段選取6 個(gè)關(guān)鍵區(qū)域，分別布置在井場(chǎng)及隧道建設(shè)區(qū)（2、3、5 號(hào)井場(chǎng)）、施工生產(chǎn)生活區(qū)（4、5 號(hào)井場(chǎng)）、施工便道區(qū)（5 號(hào)井場(chǎng)）。第二，規(guī)劃設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)包含多種土地類型，永久占地與臨時(shí)占地?zé)o規(guī)律分布。第三，規(guī)劃設(shè)計(jì)難度大，土石方量大?？紤]到本項(xiàng)目區(qū)域水土保持規(guī)劃設(shè)計(jì)的這些特征，具體的工作中可引入低空無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)。

3 水土保持規(guī)劃設(shè)計(jì)中的低空無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)

3.1 整體思路及技術(shù)路線

水土保持規(guī)劃設(shè)計(jì)中的測(cè)量思路包括快速獲取區(qū)域范圍內(nèi)的地形地貌情況、分析地表組成情況及水土流失范圍分布情況、提前發(fā)現(xiàn)潛在的水土流失危害、利用數(shù)字正射影像圖直觀顯示項(xiàng)目建設(shè)與敏感因素之間的分布關(guān)系、確定棄渣場(chǎng)的選址等方面，將這些作為后續(xù)確定水土保持方案的依據(jù)[5]。

3.2 技術(shù)要點(diǎn)

本項(xiàng)目中為凸顯低空無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，配備的是大疆Phantom 4 RTK 搭載DJITM GS RK無(wú)人機(jī)，同時(shí)搭載多頻多系統(tǒng)RTK 模塊，這一設(shè)備配置、系統(tǒng)設(shè)計(jì)可提高測(cè)量效率與精度。為在測(cè)區(qū)內(nèi)開展全面性測(cè)量，飛行方向與旁向的重疊度必須超過(guò)85%。無(wú)人機(jī)飛行后得到的高清影像可由Smart 3D Capture 軟件完成處理，在規(guī)范處理的前提下建立3D 模型。無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量與人工測(cè)量的對(duì)比如表1 所示。

表1 無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量與傳統(tǒng)測(cè)量的對(duì)比

為實(shí)現(xiàn)工程區(qū)域內(nèi)的水土保持與治理，有關(guān)部門利用無(wú)人機(jī)、傾斜攝影建成了本區(qū)域的三維模型。5 號(hào)井場(chǎng)的建設(shè)中，該場(chǎng)地內(nèi)包含1 棟科技樓、1 棟公用設(shè)施、1 棟35kV變電所和1 棟門衛(wèi)，建設(shè)中的總占地面積為3.29hm2，其中永久占地與臨時(shí)占地分別為1.82hm2、1.47hm2，而臨時(shí)占地中又包含施工便道、生產(chǎn)生活區(qū)。以現(xiàn)代技術(shù)構(gòu)建的3D 數(shù)字模型，完美還原了項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的情況，相關(guān)人員在水土保持規(guī)劃設(shè)計(jì)中可直接從模型中調(diào)取水土流失面積、嚴(yán)重程度等信息，主要包含以下信息類型。

（1）擾動(dòng)面積。從模型中調(diào)取擾動(dòng)面積信息時(shí)，可直接從模型中勾繪提取水土流失防治范圍。本項(xiàng)目中5 號(hào)井的數(shù)字模型中呈現(xiàn)出的擾動(dòng)面積為3.29hm2，模型中的這一信息與水土保持方案批復(fù)的防治范圍相符合，說(shuō)明人為擾動(dòng)相對(duì)較小。

（2）水土流失情況，涉及土壤流失面積、土壤侵蝕強(qiáng)度等。在3D 模型中的高程信息下可得到井場(chǎng)坡道信息，再考慮土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，得到土壤侵蝕強(qiáng)度。依據(jù)無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量結(jié)果，本測(cè)區(qū)所在地存在水力侵蝕，土壤侵蝕強(qiáng)度較小，為微度等級(jí)。

（3）水土保持措施。在本測(cè)區(qū)范圍內(nèi)相關(guān)單位為減小水土流失現(xiàn)象，采取了一系列的水土保持措施，如有密目網(wǎng)苫蓋、基坑布設(shè)截水溝、場(chǎng)地布設(shè)排水溝、沉砂池、洗車平臺(tái)、混凝土擋土墻。在3D 模型下能動(dòng)態(tài)分析這些措施的實(shí)施情況，判定這些措施對(duì)水土保持是否有效[6]。

3.2.1 空中三角加密技術(shù)

低空無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于水土保持規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，空三角加密為關(guān)鍵步驟，這一環(huán)節(jié)的工作就是要將數(shù)碼航空相片作為空三角加密原始數(shù)據(jù)，并選擇平差軟件開展平差處理。相關(guān)人員需利用相對(duì)定向、公共連接點(diǎn)轉(zhuǎn)刺、內(nèi)定向等內(nèi)業(yè)方法構(gòu)建空中三角網(wǎng)絡(luò)，將無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量的外業(yè)控制點(diǎn)成果、POS 數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)以數(shù)據(jù)模型為基準(zhǔn)完成區(qū)域總體平差，得到外方位元素、加密點(diǎn)成果。無(wú)人機(jī)攝影外業(yè)分區(qū)作為空中三角加密的主要單元，通過(guò)構(gòu)建的數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)采集像點(diǎn)信息，便于解析空中三角平差程序，得到大地坐標(biāo)。

同時(shí)，加密分區(qū)間在參與大地定向公共像控點(diǎn)期間必須符合同點(diǎn)、同坐標(biāo)值要求，也就是始終確保公共像控點(diǎn)的唯一性，且在實(shí)際的工作中加密限差需與國(guó)家相關(guān)部門出臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)相符合，使加密分區(qū)間接邊一致。

3.2.2 數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)生產(chǎn)技術(shù)

本項(xiàng)目中采用低空無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量時(shí)，數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)生產(chǎn)十分重要，根據(jù)本項(xiàng)目的測(cè)繪操作要求，選擇Victuozo 全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)，由該系統(tǒng)制作1:1000DOM，為得到高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，專業(yè)人員需在數(shù)字化攝影測(cè)量系統(tǒng)的功能輔助下導(dǎo)入空中三角加密技術(shù)，以此為基準(zhǔn)建立立體模型，將其納入生產(chǎn)區(qū)域DEM 數(shù)據(jù)，再考慮特征線、特征點(diǎn)等要求展開專業(yè)化計(jì)算，修正后得到DEM。同時(shí)，用DEM 數(shù)據(jù)微分糾正原始影像數(shù)據(jù)，這一過(guò)程就是由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)逐個(gè)像元微分糾正數(shù)字影像，再利用自動(dòng)生成鑲嵌線無(wú)縫拼接測(cè)區(qū)，得到完整的正射影像模型，獲得DOM，以40cm×50cm 矩形圖廓分幅裁切DOM，達(dá)到DOM 數(shù)據(jù)生產(chǎn)目標(biāo)。另外，參考空中三角加密技術(shù)自動(dòng)創(chuàng)建立模型、參數(shù)文件，生成核線影像。

本項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)為獲取水土流失相關(guān)情況，在利用無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)采集DEM 數(shù)據(jù)期間，有關(guān)人員可采用影像自動(dòng)相關(guān)技術(shù)生成DEM 點(diǎn)或者視差曲線，但需確保視差曲線間距的合理性，使DEM 點(diǎn)或視差曲線切準(zhǔn)地面，直觀呈現(xiàn)測(cè)區(qū)內(nèi)的地形地勢(shì)等基本情況，再結(jié)合加密點(diǎn)、區(qū)域生成大范圍區(qū)域DEM，導(dǎo)入特征面、特征線、特征點(diǎn)等數(shù)據(jù)，自動(dòng)生成三角網(wǎng)，計(jì)算插值，最后以2.5m×2.5m 網(wǎng)格間距為標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建DEM[7]。選取DEM 數(shù)據(jù)微分糾正原始影像數(shù)據(jù)，分區(qū)對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)影像以0.1m 像元大小為標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)三次卷積內(nèi)插法或者雙線性內(nèi)插法開展重采樣，形成分區(qū)DOM，利用自動(dòng)生成鑲嵌線無(wú)縫拼接整體測(cè)區(qū)分區(qū)DOM，完成DOM。在DOM 接邊處理過(guò)程中，一些大型建筑物或者高大樹木等投影差會(huì)引發(fā)接邊倒影，為得到更為可靠的數(shù)據(jù)結(jié)果，相關(guān)人員需利用調(diào)換左右片方式生成正射影像，實(shí)現(xiàn)貼補(bǔ)。

有關(guān)人員在最后檢查DOM 數(shù)據(jù)時(shí)，需通過(guò)一系列的對(duì)比與評(píng)估判斷各類型數(shù)據(jù)是否存在變形或者失真等問(wèn)題，如關(guān)鍵的DOM 數(shù)據(jù)確實(shí)存在變形或者失真情況，需重新采集數(shù)據(jù)，生成DEM 重新糾正數(shù)字微分，確保DOM 數(shù)據(jù)與實(shí)際無(wú)較大偏差。另外，如DOM 有局部重影或者模糊情況，需采用貼補(bǔ)糾正單區(qū)DOM 完成數(shù)據(jù)修補(bǔ)。鑲嵌無(wú)縫拼接后由于有DOM 色彩均勻性、一致性的要求，為符合這些標(biāo)準(zhǔn)，需采用糾正多圖像色彩均衡、調(diào)整單影像色彩方式。選取有代表性的圖幅，將所測(cè)區(qū)域中代表不同地貌的影像圖均勻著色，分析勻色效果并采取調(diào)整措施，使圖像符合無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量的要求，參考標(biāo)準(zhǔn)樣圖完成全自動(dòng)色彩調(diào)整平衡處理，保障處理后的影像具有紋理清晰、層次豐富、色彩真實(shí)、反差適中、色調(diào)飽滿的特征。

4 結(jié)語(yǔ)

水土保持規(guī)劃設(shè)計(jì)中對(duì)測(cè)繪工作的要求較高，為促進(jìn)水土保持規(guī)劃設(shè)計(jì)工作的高效開展，相關(guān)部門需合理應(yīng)用低空無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)，發(fā)揮該技術(shù)在測(cè)量中的優(yōu)勢(shì)，獲得完整且準(zhǔn)確的測(cè)區(qū)信息，指導(dǎo)水土保持工作。