大疆精靈4在水土保持監測中的應用

劉鵬

（廣東博源建設工程有限公司，廣東 汕頭 515041）

1 項目概況

在該項目中，使用的小型無人機型號為大疆精靈4無人機Phantom4，屬于四旋翼飛行器。飛行載重為1 380 g，飛行時間為28 min，最大上升速度為6 m/s，最大下降速度為4 m/s。若處于運動模式，其飛行速度為20 m/s，螺旋槳為9 450 s 快拆槳。其有效像素為1 240 萬左右，圖片分辨率為4 000×3 000，具有較強的操作性，可以有效滿足該生產建設項目水土監測的需求。

2 數據采集

2.1 收集相關資料

在實際進行該生產建設項目水土監測時，主要根據檢測區域的實際情況，合理確定測區范圍，并提前搜集監測區域的天氣、水源以及植物生長情況，確保對該區域有充足的了解。

2.2 現場勘查

在對監測區域有了初步認識之后，應前往現場進行實地勘查。調查周圍地面的相應物體情況，找出比較適合無人機起降的區域，應確保起降場地具有一定的空間，不存在較大的障礙物，并且地形比較平坦，從而確保飛行器起降的安全性。

2.3 選擇航拍時間

為了確保飛行器的安全性以及得到精確的航拍圖像，要合理選擇航拍時間。由于使用的是大疆精靈4多旋翼無人機，具有較小的體積，沒有穩定的抗風性能，所以在選擇航拍時間時，應確保天氣不會出現大風。另外，其他惡劣天氣也會影響拍攝質量，所以應盡量選擇晴天進行拍攝。同時，為了防止航拍圖像出現陰影，應在白天開展航拍作業，最好太陽高度角超過45°，這樣才能保障充足的光照，最大程度上減小陰影面積。

2.4 布設控制點

根據水土保持監測的要求，并結合航拍區域的實際情況，應在地面布設多個控制點，以校準整體精度，使處理結果符合精度要求。在實際操作過程中，并沒有對控制點材料作出強制要求，可以根據區域內的實際情況選擇控制點材料的顏色，只要能夠在航拍圖像上能夠明顯分辨出來。如：在綠色植被覆蓋區域，可以選擇白色材料控制點，這樣就能與其形成強烈的色彩反差，不會出現混淆的情況?？刂泣c的尺寸大小應是地表分辨率的10倍左右，最好使用十字形。在實際操作過程中，航線起點和終點這兩個控制點的布設，不僅要與方位線保持垂直，而且要通過航拍圖像的中心點。

2.5 校準工作

在使用一段時間后，無人機會出現一定的誤差，可能是受到運輸晃動的影響，也有可能是內部元件的影響，所以要想保障其安全性，需要在起飛前進行校準工作，如：校準指南針以及電調等。在校準時要注意，不能在具有較強磁場的區域進行校準，如：金屬礦場等區域。另外，在完成相應校準工作后，如果無人機仍然出現飛行問題，如：云臺嚴重晃動等，這時需要將其送到專業的校準機構進行校準。

2.6 航線規劃

在設計無人機航線時，要考慮到諸多因素的影響，如能否覆蓋整個目標區域，以及無人機的續航時間是否充足等。在實際規劃航線的過程中，要滿足這兩點要求：其一航向的重疊率要滿足相關要求；其二是要盡量覆蓋整個目標區域，并且由于目標區域成像時，邊緣地帶會出現模糊的問題，所以應將目標區域拓展80 m左右的范圍。因此，可以將航線設計為“S”形。

2.7 起飛航拍

利用無人機煙感技術進行航拍，其飛行航拍過程可以設定為自動飛行，也可以手動操作飛行；如：在此次航拍過程中，一共拍攝將近200張圖像，航向重疊率為80%，飛行時間為17 min左右，旁向重疊率為60%。

3 數據處理

3.1 處理工具

計算機配置應基于一下要求：4GB 容量的顯卡，8GB 的內存容量，CPU三級緩存等。另外，還要合理選擇處理軟件，在當前的市場上，存在諸多類型的無人機數據處理軟件。通過大量實踐證實，Agisoft Photoscan軟件具有良好的使用性能，便于操作、沒有對計算機配置有較高的要求、具有良好的出圖效果等。

3.2 處理對象

小型無人機在飛行的過程中，比較容易受到外界環境的影響，導致相鄰圖像的重疊度不夠理想。因此，為了保障數據的精度，應選址拍攝質量較好的圖片，并且格式為JPG。

3.3 處理過程

在對無人機數據進行處理時，由于比較復雜，并且具有較強的專業性，應嚴格按照相關規范要求進行操作，才能保障處理結果的精度符合水土保持設計要求。在使用Agisoft Photoscan軟件的過程中，需要改正圖像的畸變差，因為出現這種情況會使得實際地面景物位置改變。

3.4 處理成果與精度檢驗

在使用上述軟件對航拍數據進行處理后，可以得到連接點、三維動漫、Tield Model等數據。對于得到的這些影像，需要進行精度檢驗，確保其滿足相關規范要求，這樣才能保障水土保持監測信息的實用性，能夠真實反映出實際情況。若精度較低，那么該圖像就不夠準確。由于經過大量研究，已經證實無人機拍攝影像的水平精度符合相應要求，所以該項目主要對數據的高程精度進行檢驗。此次檢驗的實測檢驗值，是對明顯地物點的高程值的采集，而無人機測算值，是DEM上同名地物點的高程值，并選取具有代表性的多個明顯同名地物點，檢驗高程精度，其高程誤差計算公式如下：

其中：n 為檢測點的個數；mp 為點位中誤差；zi 為i 點的縱坐標檢測值；Zi為i點的縱坐標原測值。

在此次高程檢驗過程中，將其分行高度設定在150 m，飛行17 min，從拍攝圖像中選出優質圖像196 張，經過軟件處理后得出最終的高程精度檢驗對象。在處理成果上選取了多個檢驗點，對其高程精度進行檢驗，并通過對比得出殘差，最終得出高程中誤差，如表1 所示。可以發現，高程精度基本滿足水土保持監測需求。

表1 高程精度檢驗表

4 分析對比疊加及成果輸出

4.1 數據提取

在對航拍照片處理后，并生成三維模型等影像后，應采取人際交互的方式對生產建設項目的相關情況進行獲取，如：項目位置、水土流失情況以及施工情況等。首先，對位置和面積信息，利用相應的空間信息提取軟件可獲取該信息，然后對水土保持方案進行對比，確保項目的規范性。其次，對于取棄土渣量，可以根據堆渣高度，以及量測的面積進行計算。在實際操作過程中，由于很多土渣場為坡地，所以需要進行差值分析才能得到相應數據。最后是水土保持措施，通過三維模型，可以直接看到項目水土保持措施類型，并通過量測，判斷現有措施是否需要進一步完善，并判斷是否存在水土流失隱患。

4.2 體積測定和土壤侵蝕量計算

通過無人機數據對廢土渣量進行提取，比較容易出現偏差，一旦原始地貌改變，那么使用無人機技術提取的數據也會比較容易出現偏差。因此，在實際進行航拍之前，應對所獲取的相應數據進行修正，之后再計算差值，才能得到準確的堆渣量。另外，在生產建設項目水土保持檢測工作中，土壤侵蝕量的計算是重點內容。要對其進行計算，首先應獲取某一時期的項目的三維模型，然后按照相應方法計算出土壤流失的控制比，雖然得出的結果是估算，不能保障數據的準確性，但在一定程度上可以體現出生產建設項目的水土流失情況。

5 結語

總之，大疆精靈4 無人機Phantom4 在生產建設項目水土保持監測工作中的應用，實現數據的精準采集，并能夠對相應數據進行分析，提高了水土保持監測工作的效率和精準度，不僅有效彌補了傳統監測技術的弊端，也使得生產建設項目水土保持相關情況的獲取更加縝密，有利于國民經濟的穩定發展。