基于無人機(jī)傾斜攝影測量的山丘區(qū)表面高程數(shù)據(jù)評價

劉楊洋，吳鵬飛，劉金濤，2，韓小樂，楊亞鈐

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué)水利學(xué)科專業(yè)實驗教學(xué)中心，江蘇 南京 210098；3.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210098)

0 引 言

地球關(guān)鍵帶是一個綜合研究近地表陸地環(huán)境中水、土壤、巖石、空氣和生物資源的整體理論框架[1]，其范圍從植被冠層一直下延至含水層底部，是跨學(xué)科研究的沃土。不同領(lǐng)域的研究者對關(guān)鍵帶開展了植被、土壤、水文氣象等各個方面觀測和研究，這些數(shù)據(jù)是認(rèn)識水文過程和流域結(jié)構(gòu)的重要依據(jù)[2]。高精度的地形結(jié)構(gòu)信息是研究地貌演化、水流路徑等的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[3]，也有助于深入刻畫流域水文特征。因此，關(guān)鍵帶水文學(xué)研究迫切要求引入能夠反映流域地貌結(jié)構(gòu)及其變化的信息獲取技術(shù)[4]。

大范圍的衛(wèi)星遙感地形數(shù)據(jù)雖然覆蓋范圍較廣，但精度較差且無法突破固有的時空限制，數(shù)據(jù)更新周期通常為幾年甚至十幾年，并且部分地區(qū)存在測量盲區(qū)[5]，無法滿足關(guān)鍵帶觀測對精度和時效性的需求。無人機(jī)(Unmanned Aerial Vehicle)是一種新型遙控低空飛行裝置，近年來技術(shù)趨于成熟，可根據(jù)觀測需求為無人機(jī)配備不同用途和性能的傳感器[6]。借助無人機(jī)能高效經(jīng)濟(jì)地實現(xiàn)關(guān)鍵帶地表信息細(xì)節(jié)化呈現(xiàn)，在較短時間周期內(nèi)獲取高精度植被和地形信息[7]，對研究山坡表層結(jié)構(gòu)、水文連通性等具有重要參考價值[8-9]。

圖1 研究區(qū)及高程采樣點

本文選取太湖源頭區(qū)和睦橋小流域作為研究對象，通過無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)得到DEM等流域地面信息，將其與實測高程點進(jìn)行對比評價其精度，并利用SRTM和ASTER GDEM數(shù)據(jù)對其進(jìn)行綜合評價，比較研究各數(shù)據(jù)在流域不同位置、地貌條件下的精度和代表性。

1 研究區(qū)及方法

1.1 研究區(qū)概況

和睦橋流域面積1.35 km2，位于浙江德清縣莫干山麓西南，是姜灣流域的子流域，處于太湖流域上游(119°48′E，30°35′N)。和睦橋流域植被原屬落葉闊葉混交林，后人工種植竹林，竹林約占整個地區(qū)的95%，剩余極小部分為村鎮(zhèn)和農(nóng)田。該流域多為25°～45°的陡峭森林山坡，西南地區(qū)的地表高程達(dá)到500～606 m。

本研究需實測部分高程點，作為生成無人機(jī)地形的地面控制點，并用于評價無人機(jī)測量地形。由于流域內(nèi)部的道路上方無遮擋且易于定位，故沿道路布設(shè)85個實測高程點，使用實時動態(tài)載波相位差分定位技術(shù)(RTK)測量其空間坐標(biāo)，并將其中10個點選為無人機(jī)地形處理的地面控制點。為了評價不同DEM數(shù)據(jù)在小流域不同地貌條件(山坡、山脊及河谷)的精度，還選取了橫跨小流域內(nèi)部脊線、山坡和主河道的AA′、BB′和CC′作為控制剖面線。研究區(qū)及高程采樣點見圖1。

1.2 表面高程提取方法

采用搭載了全畫幅3 600萬像素索尼A7R相機(jī)的固定翼無人機(jī)，對整個和睦橋小流域進(jìn)行拍攝。拍攝完成后，對無人機(jī)影像進(jìn)行預(yù)處理，剔除不合格影像。隨后，選取若干具有明顯影像特征的地面點作為地面控制點，在預(yù)處理后的圖像中標(biāo)注其坐標(biāo)，作為Pix4Dmapper軟件地形分析的參照[10]，Pix4Dmapper軟件處理流程見圖2。

圖2 Pix4Dmapper軟件處理流程

該技術(shù)通過空中三角測量確定表面點三維坐標(biāo)，即利用2個攝影點和待測點形成的空間三角形計算點坐標(biāo)。鏡頭的拍攝位置在規(guī)劃飛行線路時預(yù)設(shè)，并參照地面控制點和內(nèi)置空間位置測量系統(tǒng)進(jìn)行校正。待測點與鏡頭的距離由地面控制點位置和鏡頭參數(shù)(焦距、傾角等)計算得到。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，多幅圖像兩兩組合可以多次計算同一點的位置信息。將計算結(jié)果按照最小二乘法原則進(jìn)行平差，最終得到待定點的三維坐標(biāo)。經(jīng)過空中三角測量，得到包含大量地面點三維坐標(biāo)和顏色信息的點云文件。為了全面描述流域地形特征，將點云數(shù)據(jù)進(jìn)一步加密，并使用點云過濾器對其進(jìn)行平滑處理[11]。再將加密后的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行合成，得到所需地形數(shù)據(jù)。

1.3參與評價的數(shù)據(jù)及方法

將無人機(jī)獲取的表面高程數(shù)據(jù)分別和實測高程點及2種開源數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，以評價其獲取高程數(shù)據(jù)的精度。SRTM數(shù)據(jù)由搭載干涉雷達(dá)的航天飛機(jī)測繪得到，其1″和3″分辨率數(shù)據(jù)分別下載自美國地質(zhì)調(diào)查局網(wǎng)站(http：∥earthexplorer.usgs.gov/)和地理數(shù)據(jù)空間云(http：∥www.gscloud.cn/)。ASTER GDEM數(shù)據(jù)是由高分辨率衛(wèi)星成像設(shè)備獲取的，其1″版本的DEM數(shù)據(jù)下載自地理空間數(shù)據(jù)云。隨后，使用ArcGIS通過雙線性插值將這2種數(shù)據(jù)插值成30 m和90 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)。依據(jù)所選取的典型剖面，將其與無人機(jī)表面高程數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，分析不同數(shù)據(jù)對實際地形的反映情況。

圖3 無人機(jī)攝影測量處理

2 成果精度評價

2.1 表面高程處理結(jié)果

為覆蓋整個流域，本次飛行設(shè)定的目標(biāo)區(qū)域面積約6.25 km2。該區(qū)地形起伏較大，故分2次飛行，飛行的高程分別為854 m和1 015 m，軌跡點不完全重合，以多方位拍攝目標(biāo)區(qū)域內(nèi)地物。對所有的圖像進(jìn)行預(yù)處理，獲得有效照片934張。選取10個實測高程點作為地面控制點，將其空間坐標(biāo)連同所有的圖像導(dǎo)入軟件進(jìn)行處理，得到分辨率為8 cm的DEM和正射影像。無人機(jī)攝影測量處理結(jié)果見圖3。

2.2 實測點對比分析

根據(jù)無人機(jī)圖像可直接處理得到8 cm分辨率的高程數(shù)據(jù)，通過雙線性插值得到1、5、10 m分辨率高程數(shù)據(jù)。在這些分辨率下，85個實測高程點與相應(yīng)柵格高程的誤差分布見圖4。從圖4可知，8 cm與1 m分辨率DEM的誤差集中在±0.30 m，兩者誤差相近，且呈正態(tài)分布(中值約為0)。因此，1 m分辨率的DEM足以反映真實地形。隨著柵格尺寸的增大，網(wǎng)格高程值與測點高程差距逐漸增大，且中值不斷增大。柵格高程反映的是局部高程的均值，實測高程點位于地勢較低的河道附近，兩側(cè)多陡峭的山坡，當(dāng)網(wǎng)格變大時，谷底網(wǎng)格的平均高程值會逐步增大，與測點的差值增大。

圖4 不同分辨率數(shù)據(jù)誤差

2.3 不同來源DEM對比分析

圖5為每個剖面的開源高程數(shù)據(jù)與無人機(jī)相應(yīng)分辨率數(shù)據(jù)的剖面對比。從圖5可知，無人機(jī)和ASTER GDEM、SRTM地形剖面存在一定的差異，且無人機(jī)地形給出的剖面地形起伏更大，后兩者則對局部地形有坦化作用，這在地勢較低段表現(xiàn)更為明顯。如無人機(jī)地形和ASTER GDEM、SRTM地形差異明顯，前者測得的地形起伏較大，曲線變化劇烈。造成這種現(xiàn)象的原因主要在于，小流域較窄的河道谷地與陡峭的山坡相鄰，受分辨率限制，開源衛(wèi)星DEM在這類谷地存在信息漏失現(xiàn)象，測出的地形相對平坦[5]。這種現(xiàn)象在更為粗糙的數(shù)據(jù)(如90 m)中表現(xiàn)更為顯著。在剖面AA′的中高段(見圖5a)，ASTER GDEM地形(30 m)明顯高于無人機(jī)的對應(yīng)高程，存在一個異常隆起區(qū)。在相同地形區(qū)段(見圖5b)，90 m分辨率的SRTM地形比無人機(jī)地形高出近10～70 m，低段則有非常大的起伏，擬合度不佳。

圖5 不同數(shù)據(jù)源地形剖面對比

圖6為小流域3個剖面正射影像與1 m分辨率無人機(jī)剖面曲線疊加效果。從圖6可知：

(1)AA′剖面的600～800 m處為連續(xù)地形起伏，說明無人機(jī)數(shù)據(jù)能真實反映局部因山峰、山谷和植被的差異造成的地形起伏變化。在相同位置，受分辨率限制，SRTM數(shù)據(jù)(30 m)存在地形被坦化或數(shù)據(jù)缺失的現(xiàn)象[12]，其剖面高程曲線在該區(qū)間上只描繪出1個山脊，其90 m數(shù)據(jù)代表性則更差。

(2)剖面BB′橫跨流域下游河谷，在“V”形河谷線上，無人機(jī)高程最低點較ASTER GDEM、SRTM更低，SRTM地形曲線底部則過于平緩，且未能表現(xiàn)出地勢較低的山脊。一方面，開源數(shù)據(jù)受限于自身的分辨率；另一方面，衛(wèi)星雷達(dá)放射角度、植被遮蓋等問題也會帶來測繪的誤差[13-14]。值得注意的是，在剖面BB′中，ASTER GDEM地形相較于SRTM地形和無人機(jī)地形有一個橫向(沿剖面線)方向的偏移，約左偏了15 m，局部拍攝角度的誤差或數(shù)據(jù)缺失可能會造成這種偏差[13，15]。在90 m分辨率下，ASTER GDEM數(shù)據(jù)的這種偏移同樣存在，而且偏移幅度達(dá)到了50 m。這說明，在中低高程區(qū)段，ASTER GDEM數(shù)據(jù)不如另外2種數(shù)據(jù)精確。

(3)與其他2個剖面類似，剖面CC′亦橫跨道路、山脊，無人機(jī)1 m和30 m數(shù)據(jù)也精確地反映了道路、山谷等局部真實地形。

圖6 正射影像中的3個剖面

3 結(jié) 語

本文對采用無人機(jī)技術(shù)獲取的山丘區(qū)小流域表面高程數(shù)據(jù)進(jìn)行了綜合評價。通過與實際地面控制點和不同開源DEM數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，無人機(jī)數(shù)據(jù)精度較高，其1 m分辨率DEM能反映真實地形。與無人機(jī)數(shù)據(jù)相比，SRTM、ASTER GDEM數(shù)據(jù)(30 m和90 m)對局部地形的描繪較差，忽略部分地勢相對較平的山坡、山谷，對地形有坦化效應(yīng)，且數(shù)據(jù)存在缺失或異常現(xiàn)象，ASTER GDEM數(shù)據(jù)不能很好的識別較窄的河谷地形起伏。

無人機(jī)高分辨率地形數(shù)據(jù)(1 m分辨率)能夠很好地反映局部細(xì)微地形，其插值得到的30 m數(shù)據(jù)亦能保持一定的精度。此外，通過無人機(jī)攝影測量技術(shù)，地形數(shù)據(jù)的獲取擁有其他數(shù)據(jù)無法比擬的時效性，能反映較短時間周期內(nèi)地形的變化。因此，這項技術(shù)能為小流域地球關(guān)鍵帶結(jié)構(gòu)的監(jiān)測提供高精度的地形數(shù)據(jù)。