無人機傾斜攝影1∶500不動產測量技術在侵蝕溝監測中的應用

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督局(綏德水土保持科學試驗站)，陜西 榆林 719000]

侵蝕溝是黃土高原地區入黃泥沙的主要來源，尤其是發育程度較低、溝頭活躍的長度小于500 m的侵蝕溝對入黃泥沙的貢獻更大。通過侵蝕溝監測，可基本掌握其發育現狀和發展狀況，為黃土高原地區水土流失災害預防提供基礎數據和技術支撐。黃河流域全國水土流失動態監測與公告項目2019年度侵蝕溝監測是在2018年度項目基礎上的延續，范圍包括黃土高原地區的7條小流域，王茂溝小流域是其中之一。該項目采用基于差分高精度GNSS，對選定支毛溝溝頭及斷面進行測量，對侵蝕溝形狀特征、發育條件、侵蝕特征、治理措施等進行監測，進一步構建了侵蝕溝穩定性評價指標體系。

目前在黃土高原侵蝕溝監測中，面臨的主要問題有侵蝕溝坡面陡峭、溝壁內切，人力野外測量困難等，而無人機航測可以完美解決部分復雜危險地形人員無法抵達測量的情況。隨著近年來無人機的迅猛發展及其在技術應用方面的不斷創新，計算機視覺領域中SIFT、Bundler、PMVS等算法的不斷完善，以及三維建模技術的發展成熟，可以將普通消費級無人機獲取的圖像通過Pix4D、Agisoft PhotoScan等軟件構建出目標對象的稠密三維點云，使消費級無人機在航測中的應用成為可能。結合前人研究成果，考慮到在較為陡峭的坡度無人機獲取的高程數據誤差較大，而無人機傾斜攝影1∶500不動產測量技術(以下簡稱傾斜攝影)可以很好地解決陡峭坡度中數據誤差較大的問題，我們借助黃河流域全國水土流失動態監測與公告項目2019年度王茂溝小流域監測數據，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 監測區概況

王茂溝位于陜西省綏德縣，地處東經11°21′00″、北緯37°35′30″，屬黃土丘陵溝壑區第Ⅰ副區，土地總面積5.8 km2。沿用2018年監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#)進行監測。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 監測硬件設備與軟件工具

本次航拍使用設備為大疆精靈Phantom4 RTK，由無人機、云臺相機、機載RTK模塊、遙控器及配套的飛行控制軟件GS RTK App組成。內置云臺相機參數：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，帶自動對焦[對焦距離(m)為1～∞]，采用三軸增穩云臺，角度抖動量為±0.02°，可以在高速大動作飛行的情況下拍攝穩定的圖像。

地面控制點測量采用華測導航i90慣導RTK及GNSS 慣導接收機，其平面精度為±(8+1×10-6×作業距離)mm，高程精度為±(15+1×10-6×作業距離)mm，支持北斗三代，自帶慣導系統，支持60°傾斜測量，無需氣泡對中，2 cm的傾斜補償精度。

侵蝕溝建模采用Pix4D mapper軟件，可以通過控制點輔助或直接根據圖像對任意類型的圖片進行處理，自動化地完成相機參數的解算與三維重建，獲得亞厘米級精度，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。考慮到航圖處理的運算量較大，采用了32 G內存、INTEL八代I9處理器圖形工作站進行計算。

3 監測總體方案

本次監測流程主要包括數據采集、數據預處理、數據生產3個階段。

3.1 數據采集

(1)像控點布設與測量。根據《1∶500、1∶1 000、1∶2 000 地形圖航空攝影測量外業規范》(GB/T 7931—2008)的要求，為了深入評估建模精度，本研究沿切溝發育方向均勻布置了9個地面像控點，其中測區四角及中點5個用于建模精度控制，其余4個用于對比檢查測量精度。像控點的標靶布設材料采用1 m×2 m的測繪布，標靶為紅白交叉與數字組合。選定位置后將一臺RTK主機連接短桿后直接插入鋼管固定作為基準站，再持另一RTK主機測量各控制點處標靶的中心坐標作為該像控點的坐標。像控點測量的平面定位精度為5 mm，高程定位精度為10 mm，坐標系為WGS84。

(2)無人機參數設置與影像采集。①航線規劃。設置一個80 m×80 m的正方形區域，覆蓋整個航攝支毛溝，航線規劃采用井字形方案，由兩組互相垂直的航路正反方向飛行，航攝方案參數見表1。②相機參數設置。此次飛行航向與旁向重疊度為75%，相機云臺俯仰角度為70°，自動曝光，無窮遠自動對焦。無人機于2019年8月6日上午9時18分起飛，現場無風，天氣晴好，光線充足，經過26 min32 s的飛行，無人機完成規劃的航路任務后降落，共獲得518張傾斜航圖。

表1 航攝方案參數

3.2 數據預處理

依次進行影像質量檢查(檢查獲取影像是否清晰、有無拖影等)、POS數據檢查(數據獲取是否正常等)、飛行質量檢查(飛行軌跡是否按照規定航線飛行等)、像控點檢查等預處理工作，確保數據無誤后，導入Pix4D軟件進行空三加密解算。

(1)POS數據檢查。使用Pix4D軟件導入航攝照片，導出POS數據，確認照片有無POS數據丟失情況。經檢查，POS數據正常、無丟失。

(2)飛行質量檢查。先使用Pix4D進行快拼，當天飛行當天檢驗，確定是否有漏片和丟片問題。再將航攝照片導入Smart3D軟件中，使用軟件的圖像質量評估工具統計航圖質量。如果評分低于0.5分，則存在曝光、對焦等問題，無法參加后續建模。經檢查，各航圖質量評分均在0.8分左右，可用于后期軟件處理。

(3)像控點檢查。使用Pix4D確保各像控點出現在2張以上航圖中，本次檢查結果滿足要求。

3.3 數據生產

(1)初始化處理。將航圖導入軟件后，添加像控點。為了提高評估建模成果的精度，將地面控制點分為參考點與檢查點兩類。將本次布設9個像控點中的5個作為參考點，另外4個作為檢查點，檢查點不參與空間配準，可以通過檢查點與其在切溝稠密點云中同名點的距離對切溝建模精度進行評估，通過軟件自帶功能全面高精度處理后生成質量報告。

(2)稠密點云生成與三維網格紋理構建。根據本研究精度要求，點云加密圖像比例選擇原圖像尺寸，點密度選擇最佳，三維網格選擇高分辨率，由Pix4D軟件自動生成。

(3)空間模型的生成。首先根據切溝的稠密點云，通過柵格插值算法得到其數字高程模型；然后通過三角剖分由切溝的稠密點云構建出切溝的三角網格模型，結合原始航圖對其進行表面紋理貼圖與著色，生成包含原始色彩紋理的三角網格模型；最后根據三角網格模型生成切溝的正射影像，用于量測分析與制圖等。

4 結果與分析

4.1 精度評估

從參考點與檢查點兩方面對航圖建模成果進行分析。結果表明，參考(地面控制)點x方向(經度)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x方向(經度)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。 參考點與檢查點誤差對比結果見表2。由表2知：各方向的誤差值均沒有異常；檢查(控制)點各方向誤差均在參考(控制點)誤差范圍內；檢查(控制)點在3個方向均沒有顯著的誤差，可以作為整體精度的評估指標。

參考國家測繪局2010年發布的《低空數字航空攝影測量內業規范》(GH/Z 3003—2010)，在山地環境下，1∶500數字劃線圖(B 類)的平面位置均方根誤差不應大于0.8 m，數字劃線圖(B類)的高程均方根誤差不應大于0.7 m。本次項目精度水平滿足1∶500比例尺的精度要求。

表2 參考點與檢查點誤差對比結果 m

4.2 生成DEM成果分析

(1)通過軟件Pix4D構建的數字高程模型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，可以較為準確地反映切溝的形態特征。

圖2 4#支毛溝數字高程與等高線

4.3 RTK打點測量與DEM提取剖面分析

項目往期已在監測的支毛溝布設代表性監測橫斷面，在溝沿線以外地表比較穩定地段橫斷面兩端延長線上各埋設一個固定測量標志，以便于觀測、安置儀器。本研究使用往期布設的標志點，使用RTK對溝頭剖面進行測量，獲取溝頭剖面線。同時，使用航圖中獲取的DEM數據，根據布設固定測量標志坐標，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。通過對比發現，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。

圖3 RTK獲取斷面與無人機影像提取斷面高程差值

5 結 論

本研究將消費級無人機與1∶500傾斜攝影測量結合，配合高精度的地面控制點，運用在小面積侵蝕溝監測的工作中，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)通過地面控制點與建模后的誤差對比，獲得經度誤差為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《低空數字航空攝影測量內業規范》(GH/Z 3003—2010)的要求。

(2)無人機航測影像生成的點云數據，相比RTK人工打點測量與激光雷達掃描點云，更密集、均勻；避免了正射影像切溝、溝壁處高程數據精度不足的問題，為獲得準確的侵蝕溝監測數據提供了可靠的保證。

(3)由于侵蝕溝內地形復雜、陡峭，RTK打點測量與激光雷達掃描點云工作量大，且有諸多不便，導致部分人無法到達的區域測量精度降低，而無人機航測能在保證精度的前提下，讓侵蝕溝監測工作更高效、快捷。