淺析航空攝影測量助力山水林田湖草生態修復調查

馬 迪

(貴州省地質礦產勘查開發局測繪院，貴州 貴陽 550018)

0 引言

隨著現代測量技術的飛速發展，無人機航空攝影測量技術開始廣泛普及，在測繪領域及其他行業里逐步大放異彩。作為全數字攝影測量的一種全新方式，無人機航空攝影測量在小區域測繪、大比例尺地圖制作等方面顯示出其獨特的優勢，利用無人機航空攝影測量助力山水林田湖草生態修復調查將擁有廣闊的發展前景。無人機航空攝影測量是一種全新的數字攝影測量方式，近幾年來得到了飛速發展，其具有機動靈活性高、精確性高、作業成本低、適用范圍廣、生產周期短等多種優點，生產產品精準度高，作用于各類項目上可以大幅度提高生產效率。

通過無人機航空攝影測量得到調查區域的數字正射影像、數字高程模型和傾斜攝影測量實景三維模型等內容，本文基于以上三項技術，分別分析和闡述無人機航空攝影測量技術在山水林田湖草生態修復調查中多方面的應用情況。

1 數字正射影像的應用

數字正射影像(Digital Orthophoto Map,簡稱DOM)是利用數字高程模型(DEM)對經掃描處理的數字化航空影像,經逐像元進行投影差改正處理、鑲嵌,按國家基本比例尺地形圖圖幅范圍剪裁生成的數字影像數據集[1]。DOM擁有信息量豐富、數據實時性強、數據精準度高、數據易讀性強等優點。DOM作用于山水林田湖草項目生態修復調查項目有如下應用情況。

1.1 地物預判讀

外業調查人員可事先在DOM上進行地物判讀，預先了解調查區域地理環境具體情況，并對重點調查地物進行預先判讀與勾繪，對無法在DOM上進行判讀的地物，再到實地進行調繪，從而極大的減少外業調查工作量，縮短工作周期，提高工作效率。例如調查人員想調查區域內的土壤污染源的具體情況，可先在DOM上對可能成為污染源的地物進行預讀并標注，了解其具體位置等大致情況，針對性的設計調查路線，再逐一到現場核實，從而縮短搜索時間，提高效率。對于一些地表地形復雜或相對較危險以至于外業調查人員難以到達現場勘查的區域，利用無人機代替人員進行實地勘查，從DOM上獲取實地物信息，降低外業調查工作的危險性與數據獲取的精準性。

1.2 矢量數據分析

可通過DOM對各項地物進行矢量化，利用DOM的實時性獲取調查區域地物的矢量數據，將獲取的數據與地理信息系統相結合，用于對地物矢量數據的處理與分析，如分析調查區域內的林地與耕地分布情況，從多方面掌握調查區域內生態系統的實時情況與重要數據。

1.3 建立遙感監測系統

基于多時態DOM建立遙感監測系統，用于監測調查區域范圍內的地表地物變化情況。利用DOM實時性強、信息量大等特點，在不同時間結點獲取調查區域DOM，通過對不同時態DOM進行多項對比分析，得到調查區域內生態環境變化監測數據，從宏觀上把控調查區域內生態系統的變化。如在每年的同一時段對調查區域進行DOM數據獲取，再利用監測系統進行對比分析，可知該季節下該區域年度生態變化情況。

無人機遙感監測系統為調查區域內的地質災害區域調查、受災面積及損失評估、土地資源調查、土地復墾與農用地整治[2]、森林資料調查、大氣污染與水污染等環境監測提供科學依據[3]，擴展了在生態修復調查中對資源觀測的廣度與深度。

2 數字高程模型的應用

數字高程模型(Digital Elevation Model，簡稱DEM)，是通過有限的地形高程數據實現對地面地形的數字化模擬(即地形表面形態的數字化表達)，它是用一組有序數值陣列形式表示地面高程的一種實體地面模型，是地表形態的數字化表達，蘊含了豐富的地學應用分析所必須的地形地貌信息。DEM具有數據結構簡潔、表達方式直觀、對地形因子的解譯簡單高效等諸多優點。隨著我國測繪技術的發展，近年來對DEM的研究逐漸深入，基于DEM的數字地形分析技術已愈發成熟，在水文地質、測繪制圖、地質災害、土地利用與規劃等方向的應用中發揮著重大作用[3]。DEM作用于山水林田湖草項目生態修復調查項目有如下應用情況。

2.1 地形分析

數字高程模型是實際地形特征的空間分布模型，其直觀且清晰地反映了調查區域內的地形地勢特征，包括地貌形態空間格局與地形空間分布特征等，利用DEM數據實時性強的特點，獲取區域最新地形地貌數據。DEM是地形分析的基礎，從DEM中可提取地表特征信息進行分析，包括生成等高線、地形曲面擬合、多比例尺地形圖與斷面圖制作[6]等。除了進行地貌特征的空間分析之外，還可通過對多時態DEM數據進行系統分析，進行調查區域內地形演化模擬，分析調查區域內地貌演化的繼承性特征[4]，加深對調查區域的地貌演化機理與發育態勢的研究。

2.2 流域水文分析

基于DEM構建模擬水域河流徑流的流域水文模型，提取流域水系特征信息，包括計算水系流向、確定排水方向、流域水利特征值(面積、長度等)計算、劃分子流域和計算子流域面積、確定河網結構、計算流域參數[8]等方面，主要用于進行地形分析以及將流域進行參數化，為水文模擬和分析提供有效的數據支撐。在GIS技術的支持下，數字高程模型能夠自動提取相應的流域水文信息，使得DEM在構建流域水文模型中得到廣泛的應用，為調查區域的水文研究提供科學依據，提高流域水文研究效率。

2.3 土地與氣候研究

坡度、坡向與高程等是研究土地與氣候的重要地形因子，對山地生態分析與研究起著重要的作用。因坡度、坡向和高程等地形因子影響太陽輻射在表面的差異性分布，不僅影響著局部區域內土地利用的空間分布，還影響著局部區域內氣象氣候要素的空間分布。以DEM為核心數據進行空間分析，對多種地形因子進行提取與分析，為調查區域內的土壤侵蝕研究、坡耕地分布與土地利用現狀分析、農作物分布特征與生物多樣性研究、森林資源調查與研究等方面的研究和分析提供科學支持。

2.4 地質災害研究

眾多地質災害(滑坡、崩塌、地震等)的發生均與地形地貌構造息息相關，研究調查區域內的地形因子對掌握調查區域內地質災害發生的情況有著重要的作用。以滑坡為例，坡度是眾多地質災害發育的重要內在因素之一，發生滑坡的區域大多數坡度較高。坡向影響著自然要素的規律性分異，從而影響滑坡發育方向[11]。地表曲率影響土壤侵蝕和沉積的速度，從而影響滑坡發育速度[12]。綜上所述，基于高精度DEM的地形因子提取分析與監測，對滑坡的發育及分布情況研究提供科學依據與數據支撐。同時可基于多時態DEM數據對調查區域內的地質災害發育與發生進行連續的監測與分析，更進一步加深對環境變化與地質災害的研究。

3 傾斜攝影測量三維模型的應用

傾斜攝影測量技術是近幾年來新興發展的一項測繪技術，其特點是利用搭載多個傳感器的無人機進行低空攝影作業，從多個角度同時對某一地物進行同步曝光采集影像[13]，獲取不同角度的地物信息，在對航攝原始影像進行處理后得到實景三維模型，還原最真實的地物。傾斜攝影測量擁有分辨率高、實時性強、作業靈活、顏色真實、精準度高、三維模型真實還原度強等優點，作為一項高新測繪技術，其出現改變了傳統航空攝影測量不能獲取地物立體表面的局限性。傾斜攝影測量已在許多領域得到廣泛的應用，其實景三維模型以超高的還原度和超高的數據精準度為多個領域的項目提供了新興的解決方案。傾斜攝影測量作用于山水林田湖草項目生態修復調查項目有如下應用情況。

3.1 地表信息獲取

傾斜攝影測量實景三維模型由于其多角度進行同步拍攝，使得其彌補了數字正射影像圖中由于地物過高導致圖中地物失真的情況，使用實景三維模型對地表物進行矢量化時，精準度較DOM更高。以圖1對建筑物觀測為例，由于拍攝角度的問題，DOM僅能以垂直角度拍攝，對建筑物的觀測僅能捕捉輪廓，甚至存在部分建筑因拍攝角度引起變形等情況，而在傾斜攝影測量實景三維模型中，可從不同角度對建筑物輪廓進行勾繪，從而提高數據精準度。圖1中可看出傾斜測量模型可以觀測到建筑物的高度、層數、結構與材質等各項屬性，獲取到的信息較DOM豐富。

同樣的問題在山體測量中更加突出，如礦山環境調查等，由于DOM垂直拍攝無法展示山體環境全貌，傾斜攝影測量實景三維模型則彌補了這項不足，真實且立體的還原山體環境。

3.2 礦山環境與地質災害調查

以調查區域實景三維模型為數據基礎，可獲取包括山體表面積、體積、邊坡高度與長度、礦坑面積與挖填方量等相關礦山地質信息[14]。也可通過旋轉與縮放等功能多角度的對礦山環境進行觀測，結合獲取的地質信息開展礦山環境分析。

以調查區域實景三維模型為數據基礎，對滑坡、崩塌等地質災害發生點進行多角度觀測，可直接于三維模型上沿滑坡體邊緣勾繪滑坡體輪廓，估計其土方量。同樣可對斷層及周邊地理環境進行觀測與研究。使用實景三維模型對地質災害進行觀測能在很大程度上代替調查人員到現場進行作業，不僅避免了再次滑坡或崩塌造成意外，同時提高了觀測的效率。

4 結語

目前無人機航空攝影測量技術已較為成熟，在多個領域中都有著不錯的表現和廣泛的應用，將無人機航空攝影測量技術應用于山水林田湖草生態修復調查中，能大幅縮短調查周期，提升調查精度，提高作業效率，為山水林田湖草提供新的調查方案。但無人機航空攝影測量仍有其局限性，如何與其他調查方式相結合，整合多學科資源與信息，更加助力山水林田湖草調查，將是未來研究的重要方向。