基于無人機遙感技術的水土保持監測信息數據管理方法

張李均

(福建省水利水電勘測設計研究院，福建 福州 350001)

隨著全球經濟的發展，各國都在加快工業現代化進程，對于土地資源的開發也與日俱增[1]。這會出現大量的土石方挖掘、棄土棄渣和過多的臨時土堆建筑等，導致地表、地貌和土壤植被受到嚴重破壞[2]。甚至會產生嚴重水土流失，誘發泥石流山體滑坡等自然災害，使生態環境受到嚴重破壞[3]。

水土保持對于人文生態的保護具有重要意義，而現階段水土保持的信息化水平較低，不能滿足當前環境檢測保護的需要。傳統的水土保持監管更多基于人工監測，效率低、精度差、信息反饋不及時，存在諸多問題[4]。通過高新技術的應用，利用遙感技術與計算機網絡信息管理，獲取數據精度高、可以對相關方面實時監控，從而能夠實現對于水土保持工作的高效管理[5]。

傳統的水土保持信息主要通過野外勘測來收集，獲得地形地貌的一系列數據，容易出現大量數據誤差，對于數據的保護和管理方面，也會出現圖像更新不及時，數據資料缺乏等困難。利用計算機技術和遙感測算，能夠提高水土保持的信息獲取效率，受到了研究人員的熱切關注[6]。無人機可以用來制作水土保持情況的影像圖，結合低空航測，可以快速獲取待測區域范圍內的地形地貌數據、植被分布情況等信息。通過管理系統可以有效實現遙感數據的采集、處理和應用[7]。

本文主要研究基于無人機遙感技術的水土保持監測信息數據管理辦法，通過無人機獲得的數據影像，利用輔助軟件構建水土保持數據庫，實現對于地貌合規性和植被保護情況的動態監控，保證對于水土保持數據的高效獲取和快速分析處理。

1 水土保持監測

1.1 監測數據內容

根據2015年水利部辦公廳發布的《生產建設項目水土保持監測規程(試行)》文件。對于水土保持監測需要與開發建設同步開展[8]。監測內容主要包括：

(1)施工區域水土流失狀況和開發建設項目的相關防治效果；

(2)水土保持方案的設計和施工情況，相關工程的進度情況；

(3)督查水土流失隱患，并進行相關防治建議的提出和改進；

(4)水土保持監管以及公眾監督技術支持。

1.2 監測方法

土地資源的開發和利用，方式多種多樣，住宅建筑、公路鐵路、資源開發、管路鋪設等。盡管開發的項目情況不同，但是對于水土資源的破壞情況都有一定的相似性[9]。引發水土資源流失，擾動范圍大等，而且水土的流失還會隨著時間的變化而變化。

對于水土保持的監測方法有很多種，對于一些防治責任范圍較小的項目，可以采用實地測量、現場觀察、數據分析等方法和手段。而對于大范圍的項目就需要采用遙感監測，主要依托衛星監測和無人機監測等。利用遙感手段，全面了解相關項目進行區域的地形地貌數據，獲取水土流失數據。

2 基于遙感影像的監測方法

2.1 遙感影像數據的獲取

利用無人機的遙感影像獲取水土保持的監測數據需要3個步驟，分別為飛行路徑規劃設計、無人機原始圖像數據獲取和無人機原始圖像數據處理[10]。

對于原始數據的處理工作，需要通過專用的圖像處理軟件來完成[11]，諸如三維建模、數據分布等精細的目標區域數據重建。對于同一個目標位置的三維建模，需要的圖像不能低于2張。通過照片的陣列排布，軟件會自動完成相關的影像命名匹配工作，并根據路徑規劃估算圖像拍攝時的相機角度，從而進行數據校正。根據上述信息構建點云，進而實現多邊形網格重建，再根據相應的圖像效果添加完成數據的處理過程。

2.2 監測信息的數字圖像提取

對于水土保持工作，需要監測的信息主要包括土地類型、各地物的位置、監測對象的尺度和位置信息、這些均可以在完成后的圖像處理信息中獲得[12]。

對于圖像中監測對象的位置信息、尺寸信息和體積高度信息等均采用計算機微積分的形式進行相應處理[13]。利用網格的尺度估計對象的體積高度面積等信息，并可以利用時間差作積分，評估對象信息的變化速率情況。利用三維圖像效果，可以真實反映項目區域內的水土保持情況和處理細節，對于有誤差的信息可以采用局部修正來保證圖像數據的可靠性。

3 無人機遙感監測信息數據庫設計

3.1 設計原則

對于無人機遙感監測信息數據的數據庫設計，需要遵循一定的規則。

主要包括：

(1)數據庫系統技術性強、實用水平高。根據數據庫技術的發展，綜合考慮系統的普及性情況，可以利用成熟度高、綜合成本較低的Oracle作為數據庫開發工具，能夠有效滿足用戶的各種需求，且具有很強的擴展性[14]。

(2)數據庫系統穩定性好、可靠性能佳。對于無人機遙感數據來說，其數據庫系統必須具備較強的數據恢復能力，Oracle系統數據庫數據備份能力強，可以為系統提供良好的容錯能力，有效保障遙感影像數據的完整性。為了保證數據的安全性，可以在系統中設置管理權限，通過授權加密設計保證核心數據的訪問安全。數據庫系統同樣需要具備強大的抗干擾能力，對于操作錯誤等，能夠及時提出處理方案和警告信息。

(3)數據庫系統需要具備一定的擴展性和靈活性[15]。由于無人機遙感技術發展迅速，大量的升級功能正在開發，因此對于相關影像數據庫方面，就需要具備良好的開放性和擴展性，能夠兼容各種類型的系統，對于用戶的功能需求可以在不影響原系統穩定的情況下迅速擴展，數據的格式和數據的接口需要復合國家標準。

(4)數據庫系統具備一定的獨立性和良好的數據共享能力。保證影像數據庫能夠獨立于無人機而存在，同時能夠與其他用戶之間共享數據服務。

3.2 數據管理關鍵技術

3.2.1地理參照。

作為元數據的一部分，地理參照是將柵格圖像與地面坐標之間的進行轉換，是兩者之間的一種對應關系，通過坐標對應，地理參照可以將無人機拍攝的圖像單位轉換成地面的直接坐標。理論上可以認為地面參照的原理就是在大點的坐標系中將柵格圖像進行坐標定位，如圖1所示。

圖1 圖像坐標系與地面坐標系關系

地理參照的作用只是在于對圖像坐標和地面位置坐標之間建立一種關系，通過對應將柵格中的點找到對應的位置，但是對于柵格圖像的單元數據等并不會有所改變。

地理參照使用的坐標轉換公式為：

row=a+b×x+c×y
col=d+e×x+f×y

(1)

式中，row—圖像的行坐標；col—圖像的列坐標；x—大地坐標對應的橫坐標；y—大地坐標對應的縱坐標；a、b、c、d、e、f—對應的參數。

3.2.2影像數據分塊與金字塔結構。

(2)如果前頭有表示時點的時間詞語，：“就”表示早，“才”表示晚；如果有表示時段的時間詞語，“就”表示快，“才”表示慢。

在影像數據的管理中，由于影像數據量較大，對于其數據提取只是選擇其中的一部分，從而保證系統讀寫速率。

對于大量的柵格數據需要按照一定的規則進行存儲，提高系統運行效率。柵格數據一般按照正方形的分塊方法進行劃分，根據實際系統需要，對數據塊進行劃分。

對于圖像長寬比例不能滿足分塊整數倍的情況，需要對于圖像進行補零操作，對圖像的數據的左右或者上下補上一定的零數據，實現圖像有效劃分。補充零數據的圖像如圖2所示。

圖2 圖像數據補0操作

對于柵格圖像的顯示，通常情況下并不需要顯示全部圖像，而是需要縮小的顯示效果，根據情況加載縮小化圖像可以提高系統顯示速率，尤其是在不需要詳細顯示的時候，顯示圖像的輪廓就能完成基本要求，圖像金字塔技術就是在柵格圖像顯示管理中一種提高顯示素的技術。

金字塔結構是一種具有多種分辨率層級的模型，用一組柵格數據來代表同一個地理位置上的不同分辨率圖像，一般呈等比數列分布。

影像金字塔的構建主要通過一次次對最高分辨率圖像進行壓縮，得到一組尺寸逐級遞減的影像序列，如圖3所示。

圖3 影像顯示金字塔

影像金字塔可以有效提高用戶操作過程中的查詢效率，但是建立金字塔的層級越多，數據庫中需要存儲的數據越多，復雜性也就越高。

如果金字塔的最下面一級為0級，則可以用r(0)，c(0)和h(0)表示其對應的行尺寸、列尺寸和分辨率。對于第n級的影像來說，其對應的尺寸數據如下式：

(2)

(3)

h(n)=h(0)×2×n

(4)

空間索引的建立，主要是為了在數據查詢過程中，可以通過數據庫快速定位到對象的位置，提高系統操作的效率和響應速度。通過組織方式的改進，有效減少數據響應時間提高數據庫性能，是數據庫管理的核心和關鍵。主要包括四叉樹和R樹2種索引機制，可以單獨使用也可以混合作用。

(1)四叉樹索引主要適用于空間索引，包括各類點數據、區域數據和多維數據等。可以將其根據數據長度分成定長索引和變長索引。

定長索引主要將空間數據進行四等分劃分，并持續遞歸四等分劃分。直到所有元素均落入方格內，根據莫頓編碼生成四叉樹。

變長索引主要是在定長索引的形成過程中，對于空間對象集中的區域，會過度劃分網格，造成整個空間內的冗余數據增多。僅對于元素覆蓋密集的區域進行繼續劃分，則可以有效降低冗余數據量，形成一般的四叉樹，對應索引為變成索引。

(2)R樹索引是Oracle中默認推薦使用的空間索引，通過最小矩形邊界來對幾何體進行空間匹配。對于特定的幾何體圖層，R樹索引中包括該圖層上面的所有幾何體的最小矩形邊界索引。該索引的數據也同樣存儲于空間索引的數據表格中。

3.3 無人機遙感技術在水土保持中的應用

無人機遙感技術是伴隨著無人機技術的發展而來的，以無人機作為空中媒介，搭載各類型傳感器，獲取相關數據圖像信息。由計算機對數據進行相應處理，結合特定數據需求完成數據收集和整理工作。

將無人機技術與水土保持監測結合，使用方法簡便，監測效果良好，可以為各建設項目的水土保持提供更好的技術支持。

3.4 無人機遙感水土保持監測信息數據管理

對于水土保持數據的管理，主要通過元數據的管理形式，用于說明數據中的內容、質量、水土保持狀況和其他相關信息。

元數據可以對于收集到的水土監測數據進行很好的說明，從而使得用戶在查詢過程中能夠快速了解數據的相關信息。

水土保持的元數據主要包括2大部分數據信息，分別為目標基本屬性信息和目標附加屬性信息。基本屬性如無人機傳感器類型、數據獲取時間、獲得圖像分辨率、地圖坐標位置、數據類型等，是關于監測數據影像的關鍵部分。附加信息主要是與數據應用相關的一系列信息如信息記錄者、數據編寫日期、存放方式等，主要是對于相關水土保持數據提供索引信息。

遙感影像數據的管理，可以采取結構化數據存儲方式。通過同時存儲遙感影像數據和對應元數據，能夠快速發揮數據庫管理的效率和作用，是當前水土保持監測信息管理的主要存儲方式。

4 結語

無人機遙感監測技術提供了水土保持監測技術的手段，大大提高了數據監測的效率，結合水土保持監測的要求，可以從遙感數據獲取、監測信息提取和數據庫管理等方面，構建無人機遙感的水土保持監測數據管理系統，實現對于地貌合規性和植被保護情況的動態監控，保證水土保持數據的高效獲取和快速分析處理。構建水土保持的數據庫，對水土保持數據進行管理，通過元數據的管理形式，進一步提升了信息監測和數據管理的效率。但是由于水土流失受自然現象影響嚴重，破壞情況無法實時獲取，需要研究人員在相關方面繼續研究，為水土保持提供更好的技術支持。