無人機遙感技術在水土保持監測中的應用

王金虎 張麗娟

摘要：傳統水土保持監測技術手段存在費用高、效率低、時間長、計算復雜等問題。以一處點狀生產建設項目為典型案例，引入無人機傾斜攝影測量技術和三維建模技術，客觀再現了工程地物的結構、外觀、高度等屬性，快速提取了工程空間地物信息，精準測量了工程總占地面積、擾動地表面積、臨時堆土場面積和堆土體積，并對測量結果進行了精度分析。無人機遙感技術能夠高效、精確地提取空間地物信息，且空中作業受地形因素影響小、自動化高，大大減少了水土保持監測的人工成本與工作量，十分適合用于測量水土保持監測中的地物面積與堆土體積。

關鍵詞：無人機;遙感技術;水土保持監測;地物面積

無人機遙感技術的出現為水土保持行業開辟了一條新路，這種新型航空遙感手段，是衛星遙感與載人航空遙感的有力補充。

采用無人機遙感技術可拍攝高清晰度遙感圖像，且空中作業模式克服了復雜地形因素的影響，從而能準確、高效地獲取工程中地物面積、堆土體積等水土保持監測的重要數據，為水土保持監測技術的發展產生了巨大的促進作用。

1 無人機水土保持監測流程

1.1 外業數據采集

根據現場勘察進行航高預定并使用Altizure軟件進行航線規劃，利用四翼無人機多視角采集地表數據，通過搭載GPS獲取飛行過程中的實時位置信息。

1.2 內業數據處理

利用Context Capture Master軟件進行空中三角測量，并對測區邊界多余影像數據進行剔除，獲取測區數字高程三維模型（DEM）。利用Context Capture Viewer軟件的測量工具在三維模型中選取待測區域，完成對施工占地總面積、擾動地表面積和臨時堆土場面積的快速提取。

利用Riscan Pro軟件精確提取堆土點云數據，導入Geomagic Spark軟件進行封裝生成堆土網格模型，并計算臨時堆土的測量體積。

2 工程實例

2.1 工程概況

該工程為小型點狀生產項目，設計總占地面積為10 929 m2，其中永久占地5 336 m2，臨時占地5 593 m2，工地附近有多處堆土，主要施工任務為建設一棟3層教學樓。本次水土保持監測主要任務是快速掌握項目的總占地面積、擾動地表面積、棄土堆放體積等。

2.2 數據采集

本次實驗依據工程項目實況，采用無人機悟1V2.0四軸航拍飛行器，利用GPS與谷歌地圖精準定位，設定飛行范圍為100 m×80 m的矩形區域、飛行高度55 m、最大飛行速度5 m/s、航向重疊率85%、旁向重疊度設置85%、最短拍照間隔為2 s，從垂直角度對工程地面進行拍攝，總飛行時間為13 min，獲取航片數據80余張。

2.3 數據處理

2.3.1 空中三角測量

添加高清影像數據至Context Capture Master軟件中，選擇地理參考、空三計算模式、設置定位參考用于準確估計每幅影像在空間的位置、角元素和相機屬性，計算生成簡單空間結構。

2.3.2 空間分塊處理

利用Context Capture Master軟件進行空間分塊處理，調整模型空間坐標值，剔除空中三角測量模型中多余部分，并對剩余模型進行切塊處理。

2.3.3 三維模型建立

選取WGS 84/UTM zone 50N空間參考系，模型分為6塊瓦片，分辨率為2.5 cm，生成數字高程三維模型，建模時間為275 min。三維點云模型如圖1所示。

2.3.4 堆土網格模型建立

利用Riscan Pro軟件切割三維點云數據，提取堆土點云數據，導入Geomagic Spark軟件進行封裝，生成堆土網格模型。計算堆土網格模型的體積即可得到堆土的測量體積。

2.4 水土保持監測數據的處理

2.4.1 防治情況的監測

三維點云模型可真實地反映工程施工本來面貌，且客觀再現了地物地結構、外觀、高度等屬性，該點狀工程的進展和水土保持防治大致情況可通過三維模型直接展現。

2.4.2 地物面積的讀取

依據水土保持監測需求，利用Context Capture Viewer軟件的測量工具在三維模型中選取待測區域，即可完成對施工占地總面積、擾動地表面積和臨時堆土場面積的快速提取。

2.4.3 堆土模型體積的計算

利用Geomagic Spark軟件，在堆土網格模型中建立一個基礎水平平面，使水平面與堆土網格模型底面重合，即可快速生成堆土模型的體積。

無人機低空遙感地物面積如表1所示。

3 精度分析

為了檢驗無人機遙感影像測量的精度，本文根據實際需求，在之前數據的基礎上測量了該點狀工程中幾處相對規則物體的面積和建筑物的體積，并實地勘測精準測量這些地物的面積與體積，進行對比分析后最終結果如表2所示。遙感測量體積精度檢驗如表3所示。

相對誤差為測量所造成的絕對誤差與被測量真值之比乘以100%所得的數值，在此認為實地測量值為真值，即δ1=△1/L1×100%，δ2=△2/L2×100%。可見，本次無人機遙感測量地物體積的相對誤差平均值為3.56%，測量地物面積的相對誤差平均值為3.05%，均可滿足水土保持監測需求。

4 總結

本文通過工程實例，利用無人機遙感技術對一點狀工程進行水土保持監測，該技術全面地反應了施工過程中的水土保持情況，而且能夠高效率、高精度地提取工程總占地面積、擾動地表面積、臨時堆土場面積和堆土體積等重要水土保持數據，大大降低了點狀工程水土保持監測的人工成本與工作量。

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