無人機在棄渣場水土保持監(jiān)測中的應(yīng)用

李 俊，高 智，李 健

（中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311122 ）

無人機在棄渣場水土保持監(jiān)測中的應(yīng)用

李 俊，高 智，李 健

（中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311122 ）

介紹了無人機在生產(chǎn)建設(shè)項目棄渣場水土保持監(jiān)測過程涉及的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)輸出等環(huán)節(jié)，闡述了在棄渣場不同水土流失特征提取過程的技術(shù)要點。通過分析各技術(shù)要點與數(shù)據(jù)質(zhì)量的關(guān)系，有針對性地介紹了不同環(huán)境條件下合理的處理方式和方法的選擇方式。

無人機；水土保持監(jiān)測；棄渣場

棄渣場監(jiān)測是生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測工作中的一項重要內(nèi)容，在監(jiān)測方法上由于空間尺度的特殊性，既不同于坡面尺度的地物特征監(jiān)測，也不同于流域尺度的地物特征監(jiān)測，因此在監(jiān)測方法上需采用地面觀測和調(diào)查監(jiān)測、遙感監(jiān)測相結(jié)合的方法。采用遙感監(jiān)測，衛(wèi)星遙感影像的影像采購周期較長，無法滿足監(jiān)測單位實際需要，且價格較高；對于常年多云或多雨的地區(qū)，由于衛(wèi)星影像不能及時完整采集，導(dǎo)致遙感監(jiān)測在生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測中應(yīng)用較少。

近年來，隨著無人機技術(shù)的快速發(fā)展，其便捷性和低成本優(yōu)勢，使得這項技術(shù)在棄渣場水土保持監(jiān)測中的應(yīng)用條件逐漸成熟，但由于無人機技術(shù)的數(shù)據(jù)提取環(huán)節(jié)復(fù)雜[1-4]，為避免前期采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量與后期數(shù)據(jù)提取要求不匹配的問題，實際在棄渣場水土保持監(jiān)測特征數(shù)據(jù)采集和加工時，仍有大量的技術(shù)細(xì)節(jié)需要注意。本文結(jié)合多個項目實踐，將無人機技術(shù)在棄渣場水土保持監(jiān)測中應(yīng)用時，在數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)提取和成果輸出等環(huán)節(jié)中需要注意的技術(shù)細(xì)節(jié)進(jìn)行總結(jié)。

1 棄渣場水土保持監(jiān)測內(nèi)容構(gòu)架

1.1 常規(guī)監(jiān)測內(nèi)容構(gòu)架

生產(chǎn)建設(shè)項目棄渣場水土保持監(jiān)測內(nèi)容包括棄渣場水土流失因子、水土流失狀況、水土流失防治效果等。

（1）水土流失因子。水土流失因子包括棄渣場地形、地貌和水系的變化情況；占用地面積、擾動地表面積；填方數(shù)量及面積，棄土、棄石、棄渣量及堆放面積；棄渣場林草覆蓋度。

（2）水土流失狀況。水土流失狀況包括棄渣場水土流失面積、水土流失量、水土流失程度變化情況；對下游和周邊地區(qū)造成的危害及其趨勢。

（3）水土流失防治效果。防治措施的數(shù)量和質(zhì)量；棄渣場防護工程的穩(wěn)定性、完好程度和運行情況；林草措施成活率、保存率、生長情況及覆蓋度；各項防治措施的攔渣保土效果。

1.2 無人機監(jiān)測的水土保持監(jiān)測內(nèi)容構(gòu)架

在無人機監(jiān)測中，水土保持監(jiān)測內(nèi)容按照數(shù)據(jù)的空間維度和提取順序可分為以下3類：

第1類信息：基礎(chǔ)信息。指所有相關(guān)信息提取所涉及的最基礎(chǔ)信息。包括反映工程占地范圍內(nèi)地表附著物的地表組成信息、地形信息和土地利用一級分類信息。

第2類信息：單節(jié)點專題信息。指通過單期影像可獲得的信息。包括植被覆蓋率、土地利用數(shù)據(jù)二級分類信息、土壤侵蝕數(shù)據(jù)提取、水土流失面積、土壤侵蝕量、堆渣率及攔渣率。

第3類信息：指需要2期影像對照方可提取的信息。包括擾動土地治理度、水土流失總治理度。

使用無人機開展生產(chǎn)建設(shè)項目棄渣場水土保持監(jiān)測，采用此類內(nèi)容數(shù)據(jù)架構(gòu)，達(dá)到數(shù)據(jù)處理的邏輯關(guān)系更加清晰。

2 無人機監(jiān)測數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)

無人機監(jiān)測數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)通常分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)輸出3個環(huán)節(jié)。

數(shù)據(jù)采集目的是為計算機提取棄渣場數(shù)據(jù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集包括無人機參數(shù)設(shè)置、航線規(guī)劃及作業(yè)條件選擇等內(nèi)容，是整個數(shù)據(jù)提取工作的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。

數(shù)據(jù)提取是提取棄渣場的某一項水土保持監(jiān)測指標(biāo)或內(nèi)容，以計算機自動提取為主，涉及數(shù)據(jù)提取方法、參數(shù)設(shè)置等內(nèi)容，它決定最終數(shù)據(jù)成果的質(zhì)量。

數(shù)據(jù)輸出是按照數(shù)據(jù)輸出要求，輸出指定坐標(biāo)系和投影以及相應(yīng)格式的數(shù)據(jù)，是成果編寫人員可以使用的最終成果。

3 無人機監(jiān)測技術(shù)要點

3.1 數(shù)據(jù)采集

3.1.1 采集天氣條件選擇

無人機數(shù)據(jù)采集作業(yè)時，選擇太陽直射的正午或陰天，在條件允許的情況下，優(yōu)先選擇陰天作業(yè)。這種天氣條件下，采集的影像在影像解譯時，陰影范圍更少或者是沒有陰影區(qū)域，在使用Arcgis或ENVI、Erdas等軟件進(jìn)行基于計算機圖形自動分割時，更容易一次性完成棄渣場邊界的圖像分割，大大減少棄渣場征地范圍內(nèi)的圖像解譯工作量；同時，棄渣場周邊植被不會產(chǎn)生大量的陰影，可有效避免植被覆蓋率歸一化指數(shù)計算時出現(xiàn)偏差。

3.1.2 數(shù)據(jù)采集區(qū)域范圍選擇

無人機數(shù)據(jù)采集作業(yè)時，數(shù)據(jù)采集區(qū)域范圍應(yīng)大于棄渣場邊界范圍。無人機航拍所獲取的不同影像之間，是靠相鄰兩幅影像的重疊部分來進(jìn)行圖像拼接，重疊區(qū)域的數(shù)據(jù)質(zhì)量通常要比未重疊區(qū)域的數(shù)據(jù)精度高。當(dāng)無人機作業(yè)范圍恰好與棄渣場邊界一致時，在棄渣場邊緣可能僅有一張影像覆蓋，出現(xiàn)棄渣場邊界無法滿足2張以上重疊影像覆蓋的條件，會出現(xiàn)影像拼接精度較差或影像畸變的情況；同時棄渣場邊界是判斷棄渣場攔擋措施工程量、擾動土地范圍邊界、攔渣率等監(jiān)測指標(biāo)信息最豐富的區(qū)域，因此在無人機數(shù)據(jù)采集作業(yè)范圍規(guī)劃時，需要合理的擴大數(shù)據(jù)采集區(qū)域范圍。

3.1.3 數(shù)據(jù)采集范圍內(nèi)構(gòu)圖選擇

無人機作業(yè)對象數(shù)據(jù)采集區(qū)范圍設(shè)計時，對飛行作業(yè)航線合理布局，避免在圖中出現(xiàn)大范圍的水體或冰雪覆蓋體。因為在無人機航拍作業(yè)時，采集的相鄰兩幅影像，主要通過在航向和側(cè)向重疊部分的共同地物作為影像拼接的主要依據(jù)，當(dāng)兩幅相鄰影像中出現(xiàn)大面積的水域或冰雪時，很容易采集到兩幅地物特征點較少的影像，導(dǎo)致影像畸變率降低，影響生成正射影像以及現(xiàn)場高程數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

3.1.4 航線規(guī)劃重疊度設(shè)置

航線規(guī)劃時根據(jù)無人機飛行高度和相機鏡頭選擇合理的影像重疊度，通常重疊度越高影像拼接質(zhì)量越高，相應(yīng)提取的數(shù)據(jù)精度越高。但過高的重疊度需要采集大量的影像，對計算機的配置條件要求會更高。通常根據(jù)棄渣場周邊地物特征來決定重疊度，如棄渣場周邊地物特征紋理空間差異性較大時，適當(dāng)降低重疊度；當(dāng)棄渣場周邊地物特征紋理空間差異性較小時，適當(dāng)增加重疊度。

3.1.5 飛行高度控制

飛行高度決定了無人機飛行作業(yè)的最短時長和影像數(shù)量，通常無人機飛行高度越高單次作業(yè)最短時長越小，飛行風(fēng)險性越低，在影像重疊度一定的條件下，拍攝的影像數(shù)量越少，計算機同時計算的數(shù)據(jù)量越少，運算速度越快。建議補充飛行高度的確定原則。

3.2 數(shù)據(jù)提取

3.2.1 圖像拼接

圖像拼接時，對于棄渣場邊界地形起伏較大的區(qū)域，提高相鄰兩幅圖像的拼接匹配特征點數(shù)量，對于棄渣場邊界地形起伏較小的區(qū)域，適當(dāng)減少匹配點數(shù)量。

3.2.2 圖像分割方法

圖像分割方法根據(jù)棄渣場范圍內(nèi)部和外部紋理特征差異性大小選擇確定。當(dāng)兩者圖像紋理特征差異較大時，選擇非監(jiān)督分類，一次性進(jìn)行圖像分割，然后在地理信息系統(tǒng)中將棄渣場范圍矢量斑塊一次性提??；如兩者圖像紋理特征差異較小時，選擇監(jiān)督分類，按照圖像紋理特征完成訓(xùn)練區(qū)建立后進(jìn)行圖像分割。當(dāng)圖像紋理破碎程度較高、需要建立的訓(xùn)練區(qū)數(shù)量較多時，采用基于圖像紋理特征的分割方式來完成棄渣場區(qū)域提取，此種方法的特征是提取范圍邊界吻合度較高，但后期數(shù)據(jù)處理工作量較大。

3.2.3 植被覆蓋率提取

植被覆蓋率數(shù)據(jù)提取使用紅外相機完成，同時，采集影像時，盡量選擇陰天，以避免在圖像中產(chǎn)生過多的噪聲。

3.2.4 DEM提取

在有棄渣場體積、等高線提取需求時，設(shè)置合理的航線和重疊度以便保證攝影測量結(jié)果的精度。在重疊度一定、計算機配置較高的條件下，適當(dāng)增加不同方向航線采集的影像，第一次航線作業(yè)任務(wù)完成后，調(diào)整航線角度，增加不同方向下采集的無人機影像，提高DEM數(shù)據(jù)精度，生成高質(zhì)量的等高線數(shù)據(jù)。

3.2.5 攔擋、排水設(shè)施提取

攔擋和排水設(shè)施提取時，由于其圖像紋理在空間上比較狹窄不容易分辨，更加適合采取基于紋理特征的提取方法。提取參數(shù)設(shè)計時，選擇較高的圖像連通度，避免因圖像分割結(jié)果破碎而增加后期數(shù)據(jù)處理的工作量。

3.3 數(shù)據(jù)成果輸出

3.3.1 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換及投影變換

在數(shù)據(jù)處理的過程中，不宜過早設(shè)置坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換和投影變換。因為數(shù)據(jù)提取過程中，可能會為了發(fā)揮某一軟件優(yōu)勢使用不同的軟件來完成數(shù)據(jù)提取，但不同軟件所支持的坐標(biāo)系中不一定包括CGCS2000坐標(biāo)系，在轉(zhuǎn)化過程中出現(xiàn)圖像偏移情況，因此，在未完成所有專題數(shù)據(jù)提取前，使用無人機GPS所使用的較為通用的坐標(biāo)系和投影。

[1] 姚堅，卞新芳.地表水水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)委托第三方運行的探索[J].新疆環(huán)境保護，2010， 32(1)：40 - 43.

[2] 郁建橋，鐘聲，王晨波.“兩級質(zhì)控、第三方運營”水質(zhì)自動站管理模式初探[J].中國環(huán)境監(jiān)測，2011，27(6)：64 - 67.

[3] 徐亮，鐘聲，曹軍，等.新形勢下江蘇省地表水自動監(jiān)測站運行管理模式對策建議[J].環(huán)境監(jiān)控與預(yù)警， 2015，7(5)：61 - 64.

[4] 劉京，周密，陳鑫，等.國家地表水水質(zhì)自動監(jiān)測網(wǎng)建設(shè)與運行管理的探索與思考[J].環(huán)境監(jiān)控與預(yù)警，2014， 6(1)：10 - 13.

[5] 郭索彥，李智廣.我國水土保持監(jiān)測的發(fā)展歷程與成就[J].中國水土保持科學(xué)，2009， 7(5)：19 - 24.

（責(zé)任編輯 黃 超）

S157

：B

：1008 - 701X(2017)01 - 0034 - 02

10.13641/j.cnki.33 - 1162/tv.2017.01.011

2016-10-11

李 俊(1981 - )，男，高級工程師，碩士，主要從事水土保持監(jiān)測、監(jiān)理、方案報告書編制及驗收技術(shù)評估等方面的工作。E - mail：li_j7@ecidi.com