无人机遥测技术在水土保持监管中的应用

中国水土保持ＳＷＣＣ　２０１５年第９期　无人机遥测技术在水土保持监管中的应用　松辽水利委员会松辽流域水土保持监测中心站　（吉林长春１３００２１）　［关键词］水土保持；监督管理；无人机；遥测；生产建设项目；动态监测；松辽流域　【摘要］从松辽流域水土保持监督管理需求出发，在分析现有监管技术手段的基础上，提出了更为快捷、全面、准确的　成果数据获取方式，即无人机遥测技术，并广泛应用于松辽流域大中型生产建设项目及国家级水土流失动态监测项目　中，成果种类丰富，数据内容可靠。列举了各类项目的监管指标、过程及效果。无人机遥测技术的应用为松辽流域水土　保持监督管理工作提供了技术支持，提高了水土保持监管信息化水平。　［中图分类号］Ｓ１５７；ＴＰ７　［文献标识码］Ａ　［文章编号］１０００—０９４１（２０１５）０９—００７３—０４　水土保持监督管理是从防治水土流失、保护水土　素影响，特别是森林预防保护区和高海拔山区终年多　资源的可持续发展、维系良好生态环境的角度出发，采　云多雾，导致卫星遥感成果影像优品率不高。而无人　取调查、监测和评估等多种技术手段，对水土流失发生　机在获取影像方面具有独特优势：无人机遥测设备应　环境、发展态势、危害强度和水土保持防治效果等开展　用方式灵活，无需大面积起降场地；无人机携带方便，　的综合评价与管理。通过水土保持监管，摸清水土流　操作简单、安全可靠，连续作业能力强；无人机飞行高　失类型、强度与分布特征、危害及其影响情况、发生发　度普遍低于云层高度，可拍摄高重叠率、高精度、大比　展规律、动态变化趋势，对水土流失综合治理和生态建　例尺影像，在局部信息获取方面存在巨大优势。运用　设宏观决策，以及科学、合理、系统地布设各项水土保　无人机开展水土保持监督管理工作，在系统专业技术　持措施具有重要指导意义。随着国家经济建设步伐加　软件支持下，监管数据能够全自动、快速、高精度处理，　快，生产建设项目、农业开发等人为扰动不断增加所带　实现航拍影像的快速拼接，精确生成正射影像、地形数　来的水土流失危害、生态环境破坏程度１３趋严重，给水　据和三维点云模型，获取水土保持监管相关指标成果。　土保持监管提出了更高的要求。我国水土保持监管在　１．１　自动化处理　理论研究与实际工作中积累了多年的经验，但目前的　无人机遥测系统实现了影像获取、数据处理全过　监管技术方法外业工作周期过长、获取数据不全面、数　程自动化，并且精度更高。该系统的自动化功能可读　据成果时效性较低，无法满足未来监管工作自动化、快　取航拍影像ＥＸＩＦ信息参数，如相机型号、焦距、像主点　速化和信息化需求。近年来松辽流域在水土保持监管　等，同时识别相机镜头的径向畸变差系数和切向畸变　新技术、新方法等方面进行了积极的探索，通过实践发　差系数，对航拍影像的畸变进行自动校正，为输出高精　现，无人机设备结合遥测数据处理系统能够大幅提高　度成果打下基础。该系统无需任何飞行姿态信息，只　水土保持监管数据的空间和时间精度，减轻外业调查　需要航拍影像的地面ＧＰＳ信息，即可进行全自动处理　工作强度，可有效地支撑今后的水土保持监管工作。　使飞机操控员能够直接处理和查看结果，把原始航拍　ｌ无人机遥测系统优势　影像变成任何专业的ＧＩＳ和ＲＳ软件都能读取的ＤＯＭ　和ＤＥＭ数据。通过提供ＡｒｃＧＩＳ、ＥＲＤＡＳ、ＳｏｃｅｔＳｅｔ等　近年来水土保持相关科学技术蓬勃发展，测量设　可读的输出文件，能够与摄影测量软件进行无缝集成。　备、相机等基础设备性能不断提高，遥测数据的时空分　１．２成果全面　辨率提高，使得水土保持监管技术方法逐步完善，基于　（１）无人机遥测系统能自动生成Ｇｏｏｇｌｅ瓦片。自　卫星影像的遥感调查成为实地调查和地面观测的有效　动将ＤＯＭ进行切片，生成ＰＮＧ瓦片文件和ＫＭＬ文　补充。但卫星遥感影像的获取受到卫星运行轨道的限　件，直接用Ｇｏｏｇｌｅ　Ｅａｒｔｈ即可浏览成果。　制，无法在第一时间获取所需影像，同时又受到天气因　（２）自动生成带有纹理信息的三维模型，方便进　中国水土保持ＳＷＣＣ　２０１５年第９期　行三维景观制作。与传统三维建模方式相比，无人机　遥测系统的介入无论在成果输出速度，还是数据准确　性方面都具备了相当大的优势。　自动配准，是指对图像间的匹配信息进行提取，在提取　出的信息中寻找最佳的匹配，完成图像问的对齐。采　用基于特征的方法利用图像的内部特征进行配准，其　（３）生成正射校正及镶嵌结果。生成所有影像的　基本步骤包括特征提取、特征匹配和运动模型参数求　正射校正结果，并自动镶嵌及匀色，将测区内所有数据　解。用于匹配的特征主要有灰度特征、边缘特征和点　拼接成一个大的影像，纠正了所有视角的扭曲，与卫星　特征，其中点特征匹配在图像拼接领域取得了很大成　遥感影像无差别。　功，使全自动图像拼接成为现实，目前使用最广。最　滑边界，让图像过渡自然。几何纠正、图形配准融合后　（４）生成数字表面模型ＤＳＭ。ＤＳＭ影像的每个像　后，进行图像融合，是指在配准后对图像进行缝合并平　素都有坐标和高度值，可以用标准的ＧＩＳ软件精确地　测量体积、坡度和距离，也可以生成等高线。　１．３厘米级高空间分辨率　无人机遥测系统采用高级自动空三算法计算原始　影像的真实位置和参数，完全基于影像的内容，利用系　统的独特优化技术和区域网平差技术自动校准影像，　标准格式的输出使得摄影、测量工作流程完美地整合　起来。系统在处理过程中不需要任何ＧＣＰ，因为它可　以根据无人机自带的ＧＰＳ估算地理位置，如果需要更　高的绝对定位精度，利用其直观便携的界面即可快速　添加控制点，参与空三计算，使结果达到厘米级精度，　等高线比例尺可达１：２００。　１．４快速反应　无人机遥测系统具有快速处理模式，数分钟内即　可预览到正射镶嵌结果和ＤＥＭ结果。同时快速处理　模式仅需要较低的硬件配置，在大部分的笔记本电脑　匕即可运行。　２无人机遥测技术　２．１遥测数据获取　（１）飞行轨迹设计。在实地踏勘的基础上，以区　域遥感影像等数据为辅助，掌握区域总体地形地貌、土　地利用等基本情况，设计飞行航迹。重点设置飞行起　降点、飞行高度、影像分辨率、影像重叠率和飞行架次。　（２）地面像控点信息采集。在监测区域内运用差　分ＧＰＳ获取５～７个明显标志物（以在遥测影像上易　分辨、在整个区域内均匀分布为准）的经纬度和高程信　息。该地面像控点的建立主要用于提高航拍影像后期　处理结果的精度。　（３）遥测影像信息获取。对无人机遥测数据进行　筛选，选择拍摄清晰和信息丰富的影像，删除重复影　像，调整影像使颜色及亮度均匀。　２．２遥测数据数字化　（１）数据初始化处理。①影像拼接融合。首先，　进行几何纠正，主要是针对数码相机镜头非线性畸变　的纠正和针对成像时由于飞行器姿态变化引起的图像　旋转和投影变形的纠正。其次，进行基于图像特征的　可获得区域融合影像。②空中三角测量。利用测区多　幅影像连接点的影像坐标和少量的已知影像坐标及其　物方空间坐标的地面控制点，通过平差计算，求解连接　点的物方空间坐标与影像的外方位元素。相对定向主　要是通过软件自动匹配技术提取相邻两张像片同名定　向点的影像坐标，并输出各原始影像的像点坐标文件。　利用野外实ｉ贝４　ＧＰＳ像控点成果，对影像进行绝对定　向，生成输出平差后的定向点三维坐标。利用上述平　差后的定向点三维坐标文件构建不规则三角网，设置　格网间距，通过高程点内插，生成ＤＳＭ。　（２）点云加密。采用上述步骤获得的空间三维点　云是稀疏的，还需对其进行稠密化。通过准稠密化扩　散算法，可以在一定精度内获得稠密的三维点云结果。　（３）数字表面模型和正射影像生成。通过以上步　骤内部运算及初始化处理，基于加密后的点云集合，成　果数据最终生成ＤＳＭ和正射影像。　２．３指标信息获取　基于正射影像和ＤＳＭ数据可获取目标的长度、面　积、体积等信息，以及进行影像解译分析。①将预处理　的多幅无人机影像导人数据处理软件进行几何校正、　拼接、融合后获取全景影像，通过空中三角测量功能生　成区域ＤＥＭ、ＤＯＭ正射影像，同时基于ＤＥＭ和软件内　部的点云差值算法加密点云后生成三维地形图。②基　于ＡｒｃＧＩＳ空间分析形成直观影像，获取项目建设扰动　地表面积、挖填方数量、水土保持措施数量和防护面积　等相关数据，快速评价项目区水土流失量及水土保持　措施实施情况。无人机遥测技术流程见图１。　３无人机遥测技术应用　３．１　生产建设项目水土保持监管应用　加强生产建设项目水土保持监管力度，可有效预　防和控制水土流失，对规范城乡基础设施建设、土地利　用开发项目等落实水土保持责任具有重要意义。松辽　流域开展水土保持相关的技术支撑工作经验丰富，监　管流域在建大中型生产建设项目共计１１５个，涉及水　利、农林开发、煤炭、电力、石油天然气、采矿及生产、公