低空無人機遙感技術在淤地壩水土資源監測中的應用

王彥武，周 波，馬 濤，田晉華，高雅玉

(甘肅省水土保持科學研究所，甘肅 蘭州 730020)

淤地壩作為黃土高原地區溝道治理的主要措施之一，發揮著阻控溝道侵蝕與攔沙淤地的重要作用。在氣候與下墊面變化耦合影響下，近年來黃土高原地區極端洪水事件頻發，水土下泄，影響了壩控區域水土資源的利用效率。受到自然條件和人類活動的影響，壩控區域水土資源的量和面積處于動態的變化過程中，并且淤地壩溝道地形破碎，水土流失嚴重，在水力侵蝕和重力侵蝕的作用下，溝道兩岸淹水區常年受暴雨山洪沖刷容易發生滑坡和崩塌，在溝道狹窄處易產生堰塞湖，對壩系的安全穩定運行產生不利影響，因此對壩控區域水土資源變化進行及時動態跟蹤監測就顯得尤為重要。但是，采用傳統的監測方法，受地形和積水的影響，不能及時、有效、準確地監測新增滑坡體和水域面積，制約了壩系安全預警和管理維護的發展。快速、準確、高效地監測壩控區域水土資源動態變化，成為淤地壩水土資源監測亟待解決的問題。低空無人機遙感是國家航空遙感監測體系的重要補充，是航空遙感未來發展的方向。它能夠利用遙控飛行器、小型高分辨率數碼相機、遙感傳感器、無線通信技術、衛星定位導航技術和遙感應用技術實時對地觀測和快速獲取淤地壩壩控區域地面影像數據[1-2]。本研究以渭源縣橋子溝小流域水泉灣骨干壩壩控區為例，通過分析傳統監測方法中存在的問題，探討如何利用低空無人機遙感技術對壩控區域水土資源動態變化進行快速監測，希望能為相關部門淤地壩系安全管理工作提供技術支持[3]。

1 淤地壩水土資源監測方法

1.1 傳統監測方法

傳統監測方法主要是利用人工手持GPS進行實地丈量和地形圖實地調繪，對于面積小、地形規整的區域較為適用，但是對于淤地壩壩控區域面積大于0.5 km2且地形破碎、溝壑縱橫的區域，采用該方法會耗費大量的人力、物力、財力[4]。受地形及壩控區積水的影響，尤其是對人工不能到達的區域，經常采用對坡勾繪的方法進行調繪或利用經驗估計，得出的數據通常帶有主觀性、片面性和隨機性，并且不能及時地反映壩控區域水土資源的動態變化情況。

1.2 衛星遙感監測方法

受搭載平臺及傳感器的限制，衛星遙感方法在獲取小范圍監測數據時存在成本高、性價比低等問題。同時，該方法受環境影響較大，有時效限制，對特定時間的遙感數據不能及時獲取，并且經常被云層遮擋而無法獲取影像。此外，由于衛星距離地面較遠，遙感影像局限于正射影像的常規產品，且分辨率較低，精度較差，對淤地壩水土資源量的動態變化不敏感，因此在獲取小流域的坡面治理動態、溝道工程建設動態、壩地利用情況及壩系安全監測等方面的應用存在較大局限性。

1.3 低空無人機遙感監測方法

無人機遙感是近年來航測繪圖發展形成的新技術，其操作簡單，外業飛行智能高效，基本不用人工干預，極大地節約了外業的人工成本。低空無人機體形小，維修保養簡便，用戶可以自主管理。相比衛星遙感監測，無人機可以超低空飛行，不受云層遮擋干擾，得到高分辨率影像的代價較小，當成像效果不滿意時可以隨時進行重復測量[5]。另外，低空無人機遙感對地形和地物的適應能力強，可以得到多角度的實物影像和三維景觀模型。相比傳統的野外監測方法，低空無人機遙感方法具有周期短、效率高、成本低等優點，它將大量的野外工作轉換為內業工作，既能減輕外業人員的勞動強度，又能提高數據成果的精度。低空無人機遙感測量能在小范圍內快速獲取高質量遙感影像，是淤地壩水土資源監測體系中重要的技術手段。

2 低空無人機遙感在淤地壩水土資源監測中的應用

2.1 試驗區概況

本研究以渭源縣橋子溝小流域水泉灣骨干壩壩控區為監測區域，測量范圍為溝道及溝道兩側坡面集水區域，面積約為0.8 km2。測區范圍內地形復雜，但地物比較簡單，如圖1所示。

圖1 測區范圍概況

2.2 無人機飛行平臺及遙感系統

本研究采用的無人機系統是D1000 RTK飛馬智能航測系統。它采用旋翼無人機平臺，支持正射、條帶、傾斜、環繞、全景等多種作業模式的專業航線設計與全自動飛行控制功能，可隨時對目標區域圖像進行高頻率、多時相的掃描拍攝，并能全自動地采集高分辨率原始數字圖像，且每條航帶上的數字圖像都具有GPS位置與飛行姿態信息，中小區域測圖的地面采樣間隔(GSD)可達到2 cm，能夠進行自動化數字圖像處理，并提供正射影像(DOM)、數字表面模型(DSM)、真正射影像(TDOM)、3D模型等多種測繪級別成果。旋翼平臺全自動化設計，一鍵式操作，飛行安全、穩定、可靠，測量結果滿足測繪級精度要求。其主要技術參數見表1。

表1 D1000 RTK技術參數

無人機系統軟件包括外業操作控制軟件與數據后處理軟件。外業操作控制軟件可根據任務區域的地形起伏和影像要求實現飛行任務設計、飛行規劃、飛行操作與控制、可視化飛行監控與狀態修改、飛行成果質量檢查與分析，以保證全航程獲取數據的一致性，提高后期影像處理的可靠性。數據后處理軟件包括ContextCapture Center Master和SV360，使用ContextCapture Center Master軟件可以生成三維影像圖及二維正射影像圖，后續處理線劃使用SV360軟件，最終獲得各種成果數據，如DOM、數字高程模型(DEM)、DSM、數字線劃地圖(DLG)、KML格式數據、3D模型數據、等高線及點云數據等。使用SV360可以360°全方位旋轉視圖，等高線可以切割生成，并能直接在三維視圖中顯示高程點，數據轉換方便。航飛影像處理軟件能夠完成無人機數據的正射空三和傾斜空三、自適應特征點匹配、控制點量測、正射糾正、勻色鑲嵌、全像素高密度點云匹配、真正射、三維重建等處理，可在三維地球場景上加載目前通用的OSGB格式三維產品，并支持瀏覽、距離量測、面積量測、體積量測、模型加載等功能。

2.3 無人機遙感作業流程

無人機遙感作業的基本內容包括：系統組件連接與安裝、飛行任務設計、外業數據采集(圖像數據與飛行軌跡數據獲取)、內業數據處理(圖像數據解算處理、成果數據提取)等。飛行前準備工作完成后，通過地面控制平臺來制定飛行作業計劃，包括測區范圍、起飛降落位置、飛行航高、影像重疊率及風向等參數的確定。系統中的飛行任務設計軟件根據上述參數可自動設計出飛行航線及起飛降落的位置，然后利用無線通信模塊將飛行計劃上傳至自備的電子控制裝置中，通過無線通信模塊與電子控制裝置協同操縱飛行平臺來完成圖像數據采集。

2.3.1 資料的收集和準備

測量前對所測區域的地形進行實地調查，確保滿足無人機低空測量條件，并掌握所測區域當時的天氣情況；外出作業前首先檢查儀器是否正常運行，檢查電池電量是否充足，材料設備配件是否齊全；確定測量坐標系統為CGCS2000坐標系統，并在現場布置控制點進行無人機低空測量。

2.3.2 像控點布置

像控點布置選擇在航測照片清晰、附近較為空曠且有明顯標志物的位置，對有遮擋或陰影等存在明顯高差的地點不宜布設像控點。壩控區域地形復雜，受淤地壩內積水影響無法進入布控像控點，故采用測區內均勻布控像控點的方式進行布置，對無人機測量的重疊測區通過添加連接點的方式來提高成圖精度。本次測量共布置像控點12個，對淤地壩壩體特定區域進行特定像控點布控，進一步提高了監測數據的精度。地面布置的像控點采用白色醒目的十字形或L形標志，長度為80～100 cm，寬度為12～20 cm，并在每一個像控點旁標記點號。GNSS(Global Navigation Satellite System)采點時均以十字形中心點或L形內角點作為像控點，像控點采用GNSS連接甘肅省測繪局CORS(Continuously Operating Reference Station)站進行測量，水平殘差與垂直殘差均在2 cm以內。

2.3.3 無人機測量

本次測量測區航向重疊度為80%，旁向重疊度為80%，所測區域海拔2 050～2 350 m，無人機飛行高度約為125 m，拍照時飛行速度為14 m/s，成圖比例尺大于1∶500。本次測量共采集相片1 000多張，每張照片都自帶有POS數據。受天氣和光線因素影響，測量中對相機的光圈和曝光度等參數進行了調整，產生了不同亮度的照片，但對成果精度沒有影響。無人機拍攝精度較高，在淤地壩水土資源遙感監測中采用正射拍攝方式的效果較好，中誤差可以控制在20 cm以內，符合無人機測量后期數據處理的要求。

2.4 數據成果應用

傳統淤地壩流域外業監測多采用人工的方式進行，監測人員通過GPS實地丈量和地形圖實地調繪等方式對壩控區域溝道兩側的土地利用情況進行測量，對壩控區的積水面積和水深通過乘坐橡皮艇的方式進行人工測量。此種方法不僅效率低、成本高、耗時長，還增加了監測人員的風險。利用低空無人機遙感監測淤地壩流域水土資源，可以充分發揮無人機攜帶方便、操作簡單、反應迅速、起飛降落對環境的要求低、自主飛行的特點，通過空中大范圍快速巡查，對所需監測區域進行低空航拍，第一時間掌握淤地壩水土資源的現狀信息。通過航拍測繪和后期制作實現壩控區域影像的數字化，生成壩控區域的空間遙感信息和數字高程模型，不僅可以直接量取壩系坡面區域的面積變化，了解坡面治理及土地利用的動態變化，還可以直接測量溝道水域面積的變化和溝道兩側滑坡體的體積大小，為分析壩地水土資源量及其來源提供數據支持，極大地提高了淤地壩流域水土資源的監測效率和精度。

淤地壩溝道地形條件復雜，受短時強降雨和長期的重力侵蝕影響，溝道兩岸極易發生滑坡和崩塌。滑坡體體積和堰塞湖面積監測對壩系的安全穩定運行具有重要的影響，但是受滑坡處惡劣地形條件限制，人員通常無法進入現場開展實時監測。在這種情況下，利用無人機機動快速、使用成本低、維護操作簡單等優點，通過無人機空中懸停實時監測堰塞湖和周邊流域動態信息，掌握堰塞湖的分布狀況與動態變化等，之后地面工作站可根據無人機遙感影像直接量測出溝道堰塞湖的面積和堰塞體的體積。利用無人機遙感技術開展的試驗區某溝道堰塞湖水域面積測量和某溝道滑坡體體積量測影像見圖2、3。

圖2 某溝道堰塞湖水域面積測量

圖3 某溝道滑坡體體積測量