微型旋翼無(wú)人機(jī)在水蝕外業(yè)調(diào)查中的應(yīng)用

曾麥脈, 楊健新, 劉超群, 俞國(guó)松

(1.珠江水利委員會(huì) 珠江流域水土保持監(jiān)測(cè)中心站, 廣東 廣州 510611;2.珠江水利委員會(huì) 珠江水利科學(xué)研究院, 廣東 廣州 510611)

主要的水蝕評(píng)價(jià)方法可以分為3類，分別是抽樣調(diào)查、遙感調(diào)查、無(wú)縫隙網(wǎng)格估算[1]。中國(guó)主要采用抽樣調(diào)查和遙感調(diào)查的方法，截至2015年，中國(guó)開(kāi)展了4次大規(guī)模的水土流失普查工作，其中，20世紀(jì)50年代開(kāi)展的第一次普查采用的是人工調(diào)查的辦法，20世紀(jì)80年代開(kāi)展的第2次普查和1999年開(kāi)展的第3次普查采用的是遙感調(diào)查的方式[2]，2011年全國(guó)第一次水利普查中的水土流失普查采用的是抽樣調(diào)查結(jié)合土壤侵蝕方程模型定量計(jì)算的方法[3]。

各種水蝕評(píng)價(jià)方法都需要外業(yè)調(diào)查環(huán)節(jié)，以采集樣本或驗(yàn)證數(shù)據(jù)。特別是在抽樣調(diào)查方法中，外業(yè)調(diào)查的任務(wù)尤為艱巨。一方面體現(xiàn)在工作量大，消耗時(shí)間長(zhǎng)，另一方面體現(xiàn)在工作難度大，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度和精度難以控制。本文擬通過(guò)微型旋翼無(wú)人機(jī)及攝影測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用，來(lái)改進(jìn)水蝕外業(yè)調(diào)查技術(shù)。

1 現(xiàn)有外業(yè)調(diào)查方法的不利因素

在水利普查工作中，水蝕野外調(diào)查單元的基本調(diào)查流程為：首先在內(nèi)業(yè)準(zhǔn)備調(diào)查底圖，打印出來(lái)；實(shí)地調(diào)查時(shí)根據(jù)GPS、地形等位置參考，勾繪地塊，填寫(xiě)調(diào)查表格；回到內(nèi)業(yè)后重新清繪地塊邊界，掃描后再數(shù)字化錄入。

該外業(yè)調(diào)查工作存在2方面不利因素： ①工作量大，外業(yè)調(diào)查工作的效率難以提高。首先，由于調(diào)查單元的布設(shè)為抽樣平均分布，不考慮交通條件，很多情況下，調(diào)查單元的到達(dá)就需要很長(zhǎng)時(shí)間，某些時(shí)候由于河流和地形的阻隔，雖然直線距離已經(jīng)很近，卻需要繞道很遠(yuǎn)的距離。然后，到達(dá)調(diào)查單元后，需要逐地塊進(jìn)行勾繪，這個(gè)過(guò)程耗費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，特別是地塊破碎的平地區(qū)域。由于經(jīng)費(fèi)的制約，野外調(diào)查單元布設(shè)的密度受限，對(duì)最終成果的精確性，形成了負(fù)面影響。 ②難以準(zhǔn)確勾繪地塊邊界。在現(xiàn)場(chǎng)勾繪的過(guò)程中，可以提供邊界參考的是地形圖和GPS位置。對(duì)于等高線稀疏的區(qū)域，地形圖的參考作用會(huì)大大削弱，而坡面峽谷區(qū)域，人員往往難以到達(dá)，無(wú)法用GPS位置確定邊界。從而使邊界勾繪的誤差難以控制和評(píng)估，進(jìn)而增加了最終成果的不確定性。

在抽樣調(diào)查方法中，使用調(diào)查單元的數(shù)據(jù)來(lái)推算區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)，所以調(diào)查單元調(diào)查的準(zhǔn)確性、布設(shè)的密度對(duì)結(jié)果的可靠性影響重大。當(dāng)前外業(yè)調(diào)查工作的模式，在工作量和準(zhǔn)確性方面都對(duì)項(xiàng)目的開(kāi)展形成了制約性因素。外業(yè)調(diào)查環(huán)節(jié)的技術(shù)革新，將有效的促進(jìn)抽樣調(diào)查方法在水土流失評(píng)價(jià)中的應(yīng)用。

2 微型旋翼無(wú)人機(jī)外業(yè)調(diào)查方法

微型旋翼無(wú)人機(jī)產(chǎn)品和攝影測(cè)量技術(shù)的發(fā)展[4]，為外業(yè)調(diào)查技術(shù)的革新創(chuàng)造了條件。使用無(wú)人機(jī)在高空連續(xù)拍攝具有一定量重疊度的照片，覆蓋調(diào)查單元區(qū)域。利用攝影測(cè)量技術(shù)，得到三維模型，進(jìn)而得到正射影像和DEM數(shù)據(jù)[5-6]。利用無(wú)人機(jī)航拍獲得正射影像數(shù)據(jù)，本質(zhì)是將無(wú)人機(jī)航拍的照片處理成具有空間地理信息的影像數(shù)據(jù)等產(chǎn)品，其中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)是空三解算，屬于航空攝影測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。在航測(cè)領(lǐng)域，為生產(chǎn)符合要求的產(chǎn)品，對(duì)相機(jī)內(nèi)方位元素、鏡頭畸變、飛行姿態(tài)相關(guān)的外方位元素、航線架構(gòu)、地面控制點(diǎn)布設(shè)等方面都有比較高的要求。而消費(fèi)級(jí)的微型無(wú)人機(jī)，如大疆的精靈系列無(wú)人機(jī)，體積小、質(zhì)量輕、使用非量測(cè)相機(jī)、飛行高度低，雖然可以獲得比較高的分辨率，但是影像畸變和姿態(tài)角大、像幅小、基高比小，使之難以滿足傳統(tǒng)攝影測(cè)量空三解算規(guī)范要求。融合了計(jì)算機(jī)視覺(jué)相關(guān)技術(shù)成果的基于多視圖幾何的空三解算方法的出現(xiàn)，克服了傳統(tǒng)攝影測(cè)量對(duì)大傾角影像空三解算的局限性，使消費(fèi)級(jí)的微型無(wú)人機(jī)在水蝕單元外業(yè)調(diào)查中的應(yīng)用成為了可能。

2.1 航測(cè)流程

利用微型旋翼無(wú)人機(jī)開(kāi)展水蝕野外調(diào)查單元的外業(yè)調(diào)查工作，一項(xiàng)主要任務(wù)是利用無(wú)人機(jī)拍攝的照片，生產(chǎn)正射影像及三維模型等數(shù)據(jù)，其航攝工作流程包括任務(wù)規(guī)劃、數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理等3項(xiàng)。

2.1.1 任務(wù)規(guī)劃 根據(jù)所需成果影像的比例尺需求，逐一確定地面分辨率、無(wú)人機(jī)飛行高度、攝影基準(zhǔn)面、影像重疊率、攝影基線等內(nèi)容。

以DJI Phantom 3 Advance無(wú)人機(jī)系統(tǒng)為例，其搭載的航拍相機(jī)的傳感器為1/5.84 cm(1/2.3英寸)SONY EXMOR，f/2.8(20 mm等效焦距)，照片像素分辨率4 000×3 000，在200 m的高度時(shí)，所拍攝影像的空間分辨率優(yōu)于0.1 m，符合1∶1 000成圖比例尺對(duì)影像地面分辨率的要求[7]，可以滿足水蝕調(diào)查單元地塊劃分和信息提取的需要。微型旋翼無(wú)人機(jī)拍攝高度與拍攝范圍、分辨率等關(guān)系如表1所示。

表1 Phantom3 Advance無(wú)人機(jī)系統(tǒng)拍攝高度與分辨率關(guān)系

注：傳感器實(shí)際尺寸6.16 mm×4.62 mm； 轉(zhuǎn)化系數(shù)5.619； 數(shù)據(jù)為單張照片拍攝范圍。

攝影基準(zhǔn)面用于明確影像分辨率所對(duì)應(yīng)的平面，從而明確飛行高度相對(duì)于起飛點(diǎn)的相對(duì)航高。通常以測(cè)區(qū)的平均高程面作為攝影基準(zhǔn)面。考慮到生產(chǎn)三維模型的需求，一般航向重疊率、旁向重疊率分別在80%和60%左右。攝影基線指相鄰兩曝光點(diǎn)相機(jī)中心的連線。攝影基線的長(zhǎng)度可由確定的影像重疊率、航高和影像的像幅尺寸計(jì)算獲得，該項(xiàng)參數(shù)用于確定相機(jī)的拍照間隔。現(xiàn)代的地面站軟件可以自動(dòng)規(guī)劃航線并計(jì)算大部分的參數(shù)，用戶只需要設(shè)定拍攝區(qū)域、地面分辨率、航向與旁向重疊率等參數(shù)即可。

2.1.2 數(shù)據(jù)獲取 主要包括影像數(shù)據(jù)的獲取和地面控制點(diǎn)數(shù)據(jù)的獲取，影像數(shù)據(jù)獲取主要考慮天氣和起降場(chǎng)地的要求，然后將規(guī)劃好的航線數(shù)據(jù)傳輸至無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)，起飛無(wú)人機(jī)獲取影像數(shù)據(jù)。之所以選擇旋翼無(wú)人機(jī)就是因?yàn)槠鋵?duì)起降環(huán)境要求低，而微型旋翼無(wú)人機(jī)成本低，運(yùn)輸使用方便，受空域監(jiān)管制約小，是適應(yīng)于本應(yīng)用的機(jī)型。

地面控制點(diǎn)用于控制成果位置精度。在傳統(tǒng)測(cè)繪行業(yè)中，往往需要大量的地面控制點(diǎn)來(lái)保障測(cè)繪精度等級(jí)。但是在利用無(wú)人機(jī)小區(qū)域航測(cè)數(shù)據(jù)基于多視圖幾何空三解算時(shí)，在算法原理上對(duì)構(gòu)網(wǎng)方式的穩(wěn)健性提供了一定程度的保障，根據(jù)李明慈[8]的試驗(yàn)，在四周和中間布設(shè)5個(gè)平高控制點(diǎn)即可滿足1∶1 000的成圖比例尺對(duì)空三解算精度的要求。即便如此，測(cè)量地面控制點(diǎn)都是一項(xiàng)繁重的工作。考慮到調(diào)查的空間抽樣性，絕對(duì)定位精度的偏差對(duì)抽樣特性的影響不大，可以不布設(shè)地面控制點(diǎn)。必要的時(shí)候，可以用基準(zhǔn)影像進(jìn)行影像至影像的配準(zhǔn)[9]。

航拍的數(shù)據(jù)成果最少包括2項(xiàng)： ①按所需重疊率采集到的航拍照片; ②每個(gè)拍照點(diǎn)的GPS位置信息(照片EXIF文件中或獨(dú)立文件保存)。在設(shè)備支持的情況下，還可能有俯仰、橫滾、航向等外方位角數(shù)據(jù)。拍照點(diǎn)位置與角度數(shù)據(jù)的精確程度，對(duì)最終成果的位置精度起著重要作用。(例如極飛C 2000測(cè)繪微型旋翼無(wú)人機(jī)，集成了RTK，在無(wú)地面控制點(diǎn)的情況下，正射影像成果的位置精度可以達(dá)到分米級(jí))。

2.1.3 數(shù)據(jù)處理 利用集成了多視圖幾何空三解算方法的軟件，對(duì)航拍的數(shù)據(jù)成果進(jìn)行自動(dòng)化的處理，通過(guò)幾何處理、多視匹配、三角網(wǎng)(TIN)構(gòu)建、自動(dòng)賦予紋理等步驟，生成三維模型、正射影像、DEM等數(shù)據(jù)成果。基于多視圖幾何的空三解算方法可以解決微型無(wú)人機(jī)影像相對(duì)定向中存在的姿態(tài)角過(guò)大的問(wèn)題，在自檢校光束法平差環(huán)節(jié)可以推算出影像外方位元素、物方點(diǎn)坐標(biāo)和平差后的相機(jī)文件，所以對(duì)于消費(fèi)級(jí)的微型旋翼無(wú)人機(jī)，即使航拍數(shù)據(jù)成果中沒(méi)有拍照點(diǎn)的外方位角數(shù)據(jù)，也沒(méi)有精確的相機(jī)鏡頭檢校數(shù)據(jù)，也可以推算出相關(guān)參數(shù)并生產(chǎn)最終成果。正是數(shù)據(jù)處理技術(shù)的進(jìn)步，使得微型旋翼無(wú)人機(jī)的行業(yè)泛測(cè)繪的應(yīng)用成為了可能。該類處理軟件有PhotoMesh，Context Capture(原Smart3 D)，Photoscan等。

2.2 水蝕調(diào)查單元無(wú)人機(jī)外業(yè)調(diào)查

結(jié)合水蝕調(diào)查單元信息采集需求，水蝕調(diào)查單元外業(yè)調(diào)查流程可分為調(diào)查區(qū)航測(cè)、特征照片航拍、數(shù)據(jù)處理、信息提取幾個(gè)部分。調(diào)查區(qū)航測(cè)的目的是生產(chǎn)正射影像圖以及輔助的三維實(shí)景模型數(shù)據(jù)，用于勾繪地塊、提取土地利用類型、植被覆蓋度、工程措施、部分生物措施與耕作措施等信息。以大疆無(wú)人機(jī)和平板端的地面站軟件系統(tǒng)為例，調(diào)查區(qū)航測(cè)以水蝕調(diào)查單元為航測(cè)區(qū)域，將調(diào)查單元邊界矢量文件導(dǎo)入地面站軟件，設(shè)置地面分辨率10 cm左右，航向重疊率80%，旁向重疊率60%，自動(dòng)生成航線規(guī)劃(如圖1)，檢查測(cè)區(qū)內(nèi)的飛行安全條件，上傳航線，自動(dòng)完成航線飛行與拍攝后返航。若中途電量不夠，自動(dòng)返航更換電池后繼續(xù)完成后續(xù)航線。期間應(yīng)觀察圖傳實(shí)時(shí)影像，了解區(qū)域狀況，發(fā)現(xiàn)水保措施，明確需要開(kāi)展特征照片航拍的區(qū)域。

圖1 地面站軟件導(dǎo)入調(diào)查單元邊界后自動(dòng)規(guī)劃的航線示例

特征照片航拍的目的是對(duì)正射影像上難以準(zhǔn)確提取或者需要更精細(xì)細(xì)節(jié)的信息進(jìn)行補(bǔ)充拍攝，主要包括植物與作物種類、工程措施細(xì)節(jié)等。調(diào)查區(qū)航測(cè)任務(wù)完成后即可銜接開(kāi)展特征照片航拍，在第一視角手動(dòng)模式下，根據(jù)航測(cè)時(shí)對(duì)測(cè)區(qū)地物和措施的觀察，確定拍攝目標(biāo)，降低飛行高度，調(diào)整拍攝角度，近距離拍攝對(duì)象照片。

數(shù)據(jù)處理階段，首先利用無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件，生成調(diào)查區(qū)正射影像和實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)，將正射影像數(shù)據(jù)加載到GIS工具軟件，用于后續(xù)信息提取，三維模型數(shù)據(jù)用于輔助判斷坡面措施類型，如梯田。其次，將拍攝的特征照片導(dǎo)入到GIS工具軟件，以照片中的坐標(biāo)信息生成點(diǎn)狀要素，在正射影像上定位照片所在位置，可隨時(shí)點(diǎn)擊查看特征照片。

信息提取階段有2項(xiàng)任務(wù)：一是勾繪調(diào)查地塊，二是提取調(diào)查信息。根據(jù)0.1 m分辨率的正射影像，可以很容易的將空間上連續(xù)、土地利用類型相同、林(草)地郁閉度/蓋度相同、水土保持措施相同的地塊劃分出來(lái)(如圖2)。與現(xiàn)場(chǎng)勾繪相比，精確度和效率都有了質(zhì)的提升，并且可根據(jù)影像追溯質(zhì)量。調(diào)查信息的提取包括4個(gè)方面：土地利用、生物措施、工程措施和耕作措施。土地利用、生物措施的類型、灌草的蓋度、工程措施類型等可以在0.1 m分辨率的正射影像上結(jié)合三維實(shí)景模型目視解譯；林地的郁閉度和蓋度、工程措施質(zhì)量等需要結(jié)合特征照片觀察后明確；耕作措施在通過(guò)特征照片觀察作物種類后結(jié)合地域特征來(lái)判斷(表2)。

a 基于無(wú)人機(jī)影像的水蝕調(diào)查單元地塊勾繪示例 b 無(wú)人機(jī)影像放大后的細(xì)節(jié)圖

注：地塊編號(hào)1為灌木林地； 2為旱地； 3為其他林地； 5為其他草地； 8為交通運(yùn)輸用地； 13為水田。

圖2基于無(wú)人機(jī)航測(cè)的水蝕野外調(diào)查單元地塊勾繪示例與影像細(xì)部圖

表2 水蝕調(diào)查單元屬性

當(dāng)使用微型旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行外業(yè)調(diào)查時(shí)，外業(yè)調(diào)查工作的任務(wù)將得到簡(jiǎn)化，一種典型的工作流程是：外業(yè)調(diào)查人員將調(diào)查單元邊界導(dǎo)入地面站軟件，依次到達(dá)調(diào)查單元附近后，操作無(wú)人機(jī)對(duì)調(diào)查單元進(jìn)行航測(cè)和特征照片航拍，整理和保存好照片成果。余下的數(shù)據(jù)處理和信息提取工作由內(nèi)業(yè)人員完成。傳統(tǒng)調(diào)查與無(wú)人機(jī)調(diào)查流程對(duì)比如圖3所示。

3 無(wú)人機(jī)外業(yè)調(diào)查方法的優(yōu)勢(shì)

在無(wú)人機(jī)水蝕調(diào)查單元外業(yè)調(diào)查的方法中，不再需要制作調(diào)查底圖、內(nèi)業(yè)清繪和整理錄入等工作，簡(jiǎn)化了工作環(huán)節(jié)，減少了出錯(cuò)概率，提高了工作效率。外業(yè)調(diào)查工作簡(jiǎn)化為航拍，剝離了外業(yè)調(diào)查中的現(xiàn)場(chǎng)勾繪與信息調(diào)查等繁重任務(wù)，有效降低了外業(yè)工作量，降低了對(duì)外業(yè)調(diào)查人員的要求。此外，由于無(wú)人機(jī)活動(dòng)范圍廣，很大程度上避免了無(wú)公路可走，爬山或繞路的時(shí)間消耗，更大程度的節(jié)省了時(shí)間。在全國(guó)水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與公告項(xiàng)目實(shí)踐中，傳統(tǒng)方法一天只能調(diào)查2～3個(gè)調(diào)查單元，無(wú)人機(jī)調(diào)查方法一天可以調(diào)查4～10個(gè)調(diào)查單元。

圖3 傳統(tǒng)調(diào)查與無(wú)人機(jī)調(diào)查流程對(duì)比

除了效率提升之外，無(wú)人機(jī)外業(yè)調(diào)查的一項(xiàng)突出優(yōu)勢(shì)是數(shù)據(jù)質(zhì)量提升和可追溯。高空視角更容易觀察全局，相對(duì)于傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)勾繪的方法，以無(wú)人機(jī)航拍高分辨率影像為底圖的地塊劃分更加精準(zhǔn)，解決了難以準(zhǔn)確勾繪地塊邊界的問(wèn)題。信息提取也更加準(zhǔn)確，并且影像數(shù)據(jù)可以隨時(shí)備查，及時(shí)修正。由此，在國(guó)家或省級(jí)層面，更多的內(nèi)業(yè)工作可以集中由專業(yè)機(jī)構(gòu)完成，更容易把控質(zhì)量。

在成本方面，以DJI Phantom3 Advance這款無(wú)人機(jī)為例，配備6塊電池和顯示設(shè)備后的全套價(jià)格不超過(guò)萬(wàn)元，在飛行操縱方面足夠簡(jiǎn)單，無(wú)需專業(yè)培訓(xùn)，上手即會(huì)，適合大范圍推廣應(yīng)用。

4 結(jié) 論

綜上所述，現(xiàn)有的微型旋翼無(wú)人機(jī)產(chǎn)品和攝影測(cè)量技術(shù)已經(jīng)可以滿足水土流失評(píng)價(jià)中水蝕外業(yè)調(diào)查工作的需求。與傳統(tǒng)外業(yè)調(diào)查方法相比，基于無(wú)人機(jī)的外業(yè)調(diào)查方法在以下各方面具有明顯優(yōu)勢(shì)：

(1) 簡(jiǎn)化了工作流程，完全數(shù)字化的工作流程不再需要紙質(zhì)媒介的中間環(huán)節(jié)，提高了效率。

(2) 減輕了外業(yè)工作量，外業(yè)非常耗時(shí)的地塊勾繪工作被剝離，在室內(nèi)基于無(wú)人機(jī)高分辨率影像可以輕松完成。

(3) 延伸了信息采集工具的可到達(dá)范圍，人不再需要費(fèi)時(shí)的到達(dá)調(diào)查單元區(qū)域內(nèi)。

(4) 保障了數(shù)據(jù)質(zhì)量，解決了現(xiàn)場(chǎng)難以準(zhǔn)確勾繪地塊邊界的問(wèn)題，調(diào)查的信息有影像可追溯，質(zhì)量可控。由此可見(jiàn)，完善解決了傳統(tǒng)調(diào)查方法的兩大不利因素。

在全國(guó)第一次水利普查中，采用分層抽樣的方法，在全國(guó)范圍內(nèi)布設(shè)水蝕野外調(diào)查單元，開(kāi)展了大量細(xì)致的外業(yè)調(diào)查工作，然后利用調(diào)查單元內(nèi)的計(jì)算結(jié)果，通過(guò)空間插值，來(lái)評(píng)估區(qū)域內(nèi)的水蝕情況，可見(jiàn)外業(yè)調(diào)查工作對(duì)區(qū)域水蝕評(píng)估的重要性。當(dāng)時(shí)全部依靠人員實(shí)地地塊調(diào)查，工作難度很大。水利部后續(xù)每年開(kāi)展的全國(guó)水土保持動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與公告項(xiàng)目中，在全國(guó)水土流失重點(diǎn)防治區(qū)選取抽樣縣，對(duì)其野外調(diào)查單元每年度進(jìn)行更新調(diào)查，基于無(wú)人機(jī)的調(diào)查方法得到了應(yīng)用，體現(xiàn)了其優(yōu)勢(shì)，而通過(guò)調(diào)查方式的改進(jìn)、成本的降低，將擴(kuò)展抽樣調(diào)查在水土流失評(píng)價(jià)中的應(yīng)用范圍，對(duì)于評(píng)價(jià)方法的進(jìn)步和評(píng)價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確性的提升，具有促進(jìn)作用。

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