低空無人機攝影測量在水土保持規劃設計中的應用研究

繆 靖

（云南致誠水利水電工程有限公司，云南昆明 650000）

0 引言

當前，我國經濟社會發展的過程中，水土流失為關鍵性的制約因素，影響了正常的生產生活。但我國地域遼闊，不同區域的水土流失程度、原因等各有不同，增大了水土保持規劃設計的技術難度。為實現生態可持續發展目標，各地區必須重視水土流失的治理，加強水土保持規劃與設計。低空無人機攝影測量能克服不利地形條件的限制，保障數據、影像采集、處理和分析的便捷性，使水土保持規劃與設計工作更具針對性。未來，水土保持規劃設計中需繼續推廣低空無人機攝影測量技術，構建完善的技術體系。

1 低空無人機攝影測量的技術優勢

低空無人機攝影測量為測繪領域的新技術，伴隨信息技術的發展而出現，在測量中通過配備先進的無人機飛行器，設置飛行速度、高速、路徑等參數，整合現代通訊、GPS 差分定位、遙感等技術，可實現自動化、智能化測繪，獲取被測區域的水土流失情況，以獲得的數據為參考，制定科學且可行的水土保持規劃與設計方案[1]。無人機體積小，行動靈活，起降方便，具有突出的技術優勢，具體表現在以下方面。

1.1 機動、快速等優勢

無人機體積小、質量輕，在各類測量工作中攜帶方便，不需要專門為其建立升降平臺，即使測量區域的地形地質條件十分惡劣，無人機也可進入現場展開專業化調研，測量受時間與空間的限制較少，能獲取測區內清晰的影像資料，具有機動、高效性優勢。

1.2 成本費用低、操作簡便、獲取影像的精度高

低空無人機攝影測量技術下，測量系統內包含的專業化設備較多，如遙感傳感器、無人機、軟件等，這些設備雖前期投入成本高，但從長遠來看具有成本優勢。用無人機獲取測區影像或數據時，由于很多測量環節可由設備自動完成，整個操作過程中的人工投入少，可降低人工費用[2]。無人機等是現代化設備，在具體的工作中操作相對簡單，只需要掌握基本的操作規范就能獲取高清影像。

1.3 智能化、專業化水平高

低空無人機攝影測量中融合了很多現代技術，這些技術使整個測量過程更為自動、智能與專業，可取代原先的人工測量模式，有利于提高測繪效率，保障測繪質量，通過全面測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，數據精度高

無人機的飛行高度在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濟性、技術性、操作性優勢。搭載高精度數碼成像設備能垂直或傾斜成像，空間分辨率高，可得到高精度的測繪結果[3]。

2 項目概況

以某項目為例，其屬于線型工程，根據項目規劃建設要求，其中5 座工作井基地及其連通隧道占地面積12.9hm2，項目全長3.1m。本項目建設沿線地帶存在水土流失現象，影響了項目的正常實施。為實現水土保持，恢復沿線生態環境，項目實施中工程企業與相關部門合作，開展了水土保持規劃與設計等相關工作[4]。在此項目的水土保持規劃與設計中，面臨以下3 個難點。

第一，水土流失面積大，且水土流失現象分散分布。根據水土流失的原因、危害程度、面積，總共選取8 個重點區域，其中調查階段選取6 個關鍵區域，分別布置在井場及隧道建設區（2、3、5 號井場）、施工生產生活區（4、5 號井場）、施工便道區（5 號井場）。第二，規劃設計區域內包含多種土地類型，永久占地與臨時占地無規律分布。第三，規劃設計難度大，土石方量大。考慮到本項目區域水土保持規劃設計的這些特征，具體的工作中可引入低空無人機攝影測量技術。

3 水土保持規劃設計中的低空無人機攝影測量技術

3.1 整體思路及技術路線

水土保持規劃設計中的測量思路包括快速獲取區域范圍內的地形地貌情況、分析地表組成情況及水土流失范圍分布情況、提前發現潛在的水土流失危害、利用數字正射影像圖直觀顯示項目建設與敏感因素之間的分布關系、確定棄渣場的選址等方面，將這些作為后續確定水土保持方案的依據[5]。

3.2 技術要點

本項目中為凸顯低空無人機傾斜攝影測量的技術優勢，配備的是大疆Phantom 4 RTK 搭載DJITM GS RK無人機，同時搭載多頻多系統RTK 模塊，這一設備配置、系統設計可提高測量效率與精度。為在測區內開展全面性測量，飛行方向與旁向的重疊度必須超過85%。無人機飛行后得到的高清影像可由Smart 3D Capture 軟件完成處理，在規范處理的前提下建立3D 模型。無人機攝影測量與人工測量的對比如表1 所示。

表1 無人機攝影測量與傳統測量的對比

為實現工程區域內的水土保持與治理，有關部門利用無人機、傾斜攝影建成了本區域的三維模型。5 號井場的建設中，該場地內包含1 棟科技樓、1 棟公用設施、1 棟35kV變電所和1 棟門衛，建設中的總占地面積為3.29hm2，其中永久占地與臨時占地分別為1.82hm2、1.47hm2，而臨時占地中又包含施工便道、生產生活區。以現代技術構建的3D 數字模型，完美還原了項目現場的情況，相關人員在水土保持規劃設計中可直接從模型中調取水土流失面積、嚴重程度等信息，主要包含以下信息類型。

（1）擾動面積。從模型中調取擾動面積信息時，可直接從模型中勾繪提取水土流失防治范圍。本項目中5 號井的數字模型中呈現出的擾動面積為3.29hm2，模型中的這一信息與水土保持方案批復的防治范圍相符合，說明人為擾動相對較小。

（2）水土流失情況，涉及土壤流失面積、土壤侵蝕強度等。在3D 模型中的高程信息下可得到井場坡道信息，再考慮土壤侵蝕分類分級標準，得到土壤侵蝕強度。依據無人機攝影測量結果，本測區所在地存在水力侵蝕，土壤侵蝕強度較小，為微度等級。

（3）水土保持措施。在本測區范圍內相關單位為減小水土流失現象，采取了一系列的水土保持措施，如有密目網苫蓋、基坑布設截水溝、場地布設排水溝、沉砂池、洗車平臺、混凝土擋土墻。在3D 模型下能動態分析這些措施的實施情況，判定這些措施對水土保持是否有效[6]。

3.2.1 空中三角加密技術

低空無人機攝影測量技術應用于水土保持規劃設計時，空三角加密為關鍵步驟，這一環節的工作就是要將數碼航空相片作為空三角加密原始數據，并選擇平差軟件開展平差處理。相關人員需利用相對定向、公共連接點轉刺、內定向等內業方法構建空中三角網絡，將無人機攝影測量的外業控制點成果、POS 數據輸入系統以數據模型為基準完成區域總體平差，得到外方位元素、加密點成果。無人機攝影外業分區作為空中三角加密的主要單元，通過構建的數字化測量系統采集像點信息，便于解析空中三角平差程序，得到大地坐標。

同時，加密分區間在參與大地定向公共像控點期間必須符合同點、同坐標值要求，也就是始終確保公共像控點的唯一性，且在實際的工作中加密限差需與國家相關部門出臺的標準相符合，使加密分區間接邊一致。

3.2.2 數字正射影像數據生產技術

本項目中采用低空無人機攝影測量時，數字正射影像數據生產十分重要，根據本項目的測繪操作要求，選擇Victuozo 全數字攝影測量系統，由該系統制作1:1000DOM，為得到高質量的數據，專業人員需在數字化攝影測量系統的功能輔助下導入空中三角加密技術，以此為基準建立立體模型，將其納入生產區域DEM 數據，再考慮特征線、特征點等要求展開專業化計算，修正后得到DEM。同時，用DEM 數據微分糾正原始影像數據，這一過程就是由計算機系統逐個像元微分糾正數字影像，再利用自動生成鑲嵌線無縫拼接測區，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，達到DOM 數據生產目標。另外，參考空中三角加密技術自動創建立模型、參數文件，生成核線影像。

本項目區域內為獲取水土流失相關情況，在利用無人機攝影測量技術采集DEM 數據期間，有關人員可采用影像自動相關技術生成DEM 點或者視差曲線，但需確保視差曲線間距的合理性，使DEM 點或視差曲線切準地面，直觀呈現測區內的地形地勢等基本情況，再結合加密點、區域生成大范圍區域DEM，導入特征面、特征線、特征點等數據，自動生成三角網，計算插值，最后以2.5m×2.5m 網格間距為標準構建DEM[7]。選取DEM 數據微分糾正原始影像數據，分區對測區內影像以0.1m 像元大小為標準，通過三次卷積內插法或者雙線性內插法開展重采樣，形成分區DOM，利用自動生成鑲嵌線無縫拼接整體測區分區DOM，完成DOM。在DOM 接邊處理過程中，一些大型建筑物或者高大樹木等投影差會引發接邊倒影，為得到更為可靠的數據結果，相關人員需利用調換左右片方式生成正射影像，實現貼補。

有關人員在最后檢查DOM 數據時，需通過一系列的對比與評估判斷各類型數據是否存在變形或者失真等問題，如關鍵的DOM 數據確實存在變形或者失真情況，需重新采集數據，生成DEM 重新糾正數字微分，確保DOM 數據與實際無較大偏差。另外，如DOM 有局部重影或者模糊情況，需采用貼補糾正單區DOM 完成數據修補。鑲嵌無縫拼接后由于有DOM 色彩均勻性、一致性的要求，為符合這些標準，需采用糾正多圖像色彩均衡、調整單影像色彩方式。選取有代表性的圖幅，將所測區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整措施，使圖像符合無人機攝影測量的要求，參考標準樣圖完成全自動色彩調整平衡處理，保障處理后的影像具有紋理清晰、層次豐富、色彩真實、反差適中、色調飽滿的特征。

4 結語

水土保持規劃設計中對測繪工作的要求較高，為促進水土保持規劃設計工作的高效開展，相關部門需合理應用低空無人機攝影測量技術，發揮該技術在測量中的優勢，獲得完整且準確的測區信息，指導水土保持工作。