航空攝影技術在呼倫湖流域生態(tài)綜合治理中的應用研究

摘要：航空攝影技術是影像數(shù)據(jù)獲取的主要手段之一，可用于3D產(chǎn)品的生產(chǎn)。本文利用航空攝影技術獲取呼倫湖流域真彩色影像數(shù)據(jù)，并用于生產(chǎn)1∶10000比例尺3D產(chǎn)品，通過影像解譯實現(xiàn)了對呼倫湖流域自然資源地表信息的監(jiān)測，是呼倫湖流域國家級自然保護區(qū)生態(tài)與環(huán)境綜合治理的重要數(shù)據(jù)來源，為自治區(qū)生態(tài)環(huán)境變化監(jiān)測提供了基礎數(shù)據(jù)。

關鍵詞：航空攝影；真彩色影像；影像解譯；生態(tài)監(jiān)測

1.引言

黨的十九大報告要求加快生態(tài)文明體制改革，建設美麗中國，強調(diào)推進綠色發(fā)展。為促進自治區(qū)生態(tài)優(yōu)先綠色發(fā)展，推進“一湖兩?！鄙鷳B(tài)綜合治理，內(nèi)蒙古自治區(qū)航空遙感測繪院于2017年開展了呼倫湖流域國家級自然保護區(qū)生態(tài)與環(huán)境綜合治理航空遙感影像獲取工作，為呼倫湖流域國家級自然保護區(qū)生態(tài)與環(huán)境綜合治理提供了基礎數(shù)據(jù)，為自治區(qū)生態(tài)文明建設與變化監(jiān)測提供了技術手段。

呼倫湖是我國第四大淡水湖、北方第一大湖，被譽為“草原之腎”，在調(diào)節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源、防止荒漠化及維系周邊草原生態(tài)平衡等方面具有極其重要的生態(tài)功能。航空攝影是基礎地理信息數(shù)據(jù)的主要獲取手段之一，是通過使用大幅面框幅式數(shù)字航攝儀，搭載通用航空飛行平臺，按設計的航跡飛行作業(yè)，采用定點曝光的模式，可快速獲取高分辨率真彩色影像數(shù)據(jù)，結合IMU/GNSS輔助航空攝影測量技術，可極大地減少外業(yè)相片控制點的數(shù)量，提高了后期作業(yè)效率，節(jié)約了生產(chǎn)成本。

獲取的呼倫湖流域影像數(shù)據(jù)，是環(huán)境綜合治理的基礎地理信息數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了呼倫湖流域自然信息地物的詳細獲取，為后續(xù)的環(huán)境評價提供了基礎數(shù)據(jù)。通過對影像解譯，以期得到針對性地治理，使得呼倫湖周邊地區(qū)的生態(tài)環(huán)境將發(fā)揮更好的調(diào)節(jié)作用，為更多野生動物創(chuàng)造優(yōu)越的棲息、繁衍條件，為當?shù)匕l(fā)展畜牧業(yè)生產(chǎn)和漁業(yè)生產(chǎn)提供良好的物質基礎，是自治區(qū)生態(tài)優(yōu)先綠色發(fā)展的重要體現(xiàn)。

2.項目概況和要求

呼倫湖流域攝區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市西部，南靠新巴爾虎右旗，北臨滿洲里市，地形西高東低基本為丘陵地，屬于北方溫帶半干旱區(qū)，氣候寒冷干燥，冬長夏短，適宜進行航空攝影的季節(jié)為5月～11月。

攝區(qū)位于東經(jīng)116°45′00″～118°30′00″，北緯49°00′00″～49°20′00″之間，攝區(qū)面積4731.22km2，要求使用IMU/GNSS輔助航空攝影技術獲取真彩色數(shù)字影像數(shù)據(jù)，地面分辨率優(yōu)于0.5m，滿足1∶10000成圖比例尺精度要求。攝區(qū)技術指標見表1。

影像成果采用Tiff格式，POS數(shù)據(jù)采用TXT格式，2000國家大地坐標系，大地高系統(tǒng)。

3.航空攝影技術方案

3.1技術路線

航空攝影分為五個階段，分別為設計階段、飛行階段、數(shù)據(jù)處理階段、質量檢查階段和驗收階段。技術路線流程如圖1所示。

在設計階段，需要掌握航攝區(qū)域的地形地貌、氣候、機場位置等情況，確定航攝區(qū)域的基準面，以此判斷攝區(qū)是否分區(qū)，根據(jù)航攝儀設計相對航高，從而確定攝區(qū)的絕對航高，根據(jù)攝區(qū)的面積、位置走向設計航攝的飛行方向、航線數(shù)、航片數(shù)，編寫技術設計書報專家評審。

飛行階段期間，根據(jù)項目要求準備航攝儀，聯(lián)系通用航空公司，上報飛行計劃，辦理機場入場證。飛機調(diào)運至機場后，安裝航攝儀并進行地面調(diào)試。選擇天氣晴好日進行航空攝影作業(yè)，每飛完一個架次，要及時將影像提交數(shù)據(jù)處理人員，根據(jù)數(shù)據(jù)處理結果確定是否需要補飛。

數(shù)據(jù)處理期間，要將原始數(shù)據(jù)從0級處理到2級，檢查數(shù)據(jù)質量，將涉及質量問題需補飛的影像以及航線號及時反饋給飛行作業(yè)人員，將數(shù)據(jù)從2級處理到3級，制作相片索引圖，進行POS數(shù)據(jù)聯(lián)合解算。

質量檢查階段，需對航空攝影全部成果的飛行質量、影像質量、附件質量、文檔資料等進行全數(shù)檢查，檢查合格后編制質量檢查報告。

驗收階段，由技術負責人向驗收評委會做項目驗收匯報，最后由驗收評委會出具驗收文件。

3.2軟硬件配置

使用的軟件包括飛行計劃設計軟件Trackair，飛行控制軟件Snapshot，POS數(shù)據(jù)記錄軟件POS AV510，POS數(shù)據(jù)處理軟件POSPac MMS，影像數(shù)據(jù)處理軟件UltraMap，影像勻色軟件Worldview等。

航攝儀選用微軟公司新一代超大幅面、高集成度的數(shù)字航攝儀UltraCam Eagle（UCE），鏡頭編號70617114，技術參數(shù)見表2。

項目選用北大荒通用航空有限公司空中國王C90GTi飛機（編號B-9791），從海拉爾東山機場起降，飛機飛行升限9000米，航程可以達到1800千米，適合本攝區(qū)作業(yè)。

3.3航攝因子計算

根據(jù)呼倫湖流域攝區(qū)的地形情況，結合UCE數(shù)字航攝儀的各項參數(shù)和空中國王C90飛機性能，并參考當?shù)貧庀笄闆r，設定本攝區(qū)地面分辨率為0.4m。按照規(guī)范要求，航向覆蓋超出攝區(qū)邊界線不少于兩條基線，旁向覆蓋超出攝區(qū)邊界線不少于像幅的30%，設定航向重疊度為65%，旁向重疊度為33%。

相對航高由如下公式計算：

絕對航高為相對航高與基準面高程之和。本攝區(qū)絕對航高為6800m。

攝區(qū)航線敷設情況如圖2所示。

4.航空攝影成果

本項目獲取了4731.22km2真彩色影像數(shù)據(jù)，共600張影像，可覆蓋224幅1∶10000地形圖范圍，累計飛行3架次約12h。獲取的數(shù)據(jù)影像清晰、層次豐富、反差適中、色彩均勻、覆蓋完整。

成果主要包括數(shù)字航空攝影真彩色影像數(shù)據(jù)、真彩色相片數(shù)據(jù)、瀏覽影像數(shù)據(jù)、相片索引圖、相片中心點坐標數(shù)據(jù)、航攝相片和航攝文檔資料等。影像數(shù)據(jù)采用Tiff格式，相片幅面尺寸高20cm，寬13cm，四周側邊距5mm。數(shù)據(jù)成果和文檔資料整理參照GB/T 27920.1-2011《數(shù)字航空攝影規(guī)范》的相關要求，數(shù)據(jù)成果以硬盤存儲，文檔資料裝訂成冊。真彩色影像示例數(shù)據(jù)見圖3。

5.成果應用研究

5.1為呼倫湖周邊草原生態(tài)保護與建設提供技術手段

呼倫湖周邊草原生態(tài)保護與建設包括草地退化治理、環(huán)湖及周邊沙化土地治理、保護區(qū)生態(tài)移民三個方面內(nèi)容。本攝區(qū)獲取的呼倫湖流域的真彩色影像數(shù)據(jù)，制作生產(chǎn)數(shù)字正射影像圖后，可直觀地對圖像進行目標地物識別和解譯，對草地退化區(qū)域和沙土治理區(qū)域準確識別、移民區(qū)域的選址提供了可視化的技術手段。為實現(xiàn)到2030年保護與建設退化草地面積20206km2，治理湖區(qū)周邊437333.33公頃（656萬畝）沙化土地、完成新巴爾虎左旗北部沙帶綜合治理面積62000公頃（93萬畝）提供準確、精細的地理信息數(shù)據(jù)保障。

5.2為加快呼倫湖流域濕地保護與恢復提供數(shù)據(jù)支撐

加快濕地保護與恢復工作，涉及河湖生態(tài)治理工作和濕地建設與恢復兩個方面。航空攝影影像數(shù)據(jù)的近紅外波段，能夠很好地識別需要治理的水域區(qū)域，在此基礎上，結合水下地形測量工作，完成對600km圍欄建設、淤積疏浚清方、干涸濕地與主湖區(qū)水體聯(lián)通的建設，為功能性濕地建設和湖濱緩沖帶濕地植被建設提供可視化的技術手段。

5.3為完善流域水資源配置提供基礎服務

航空攝影獲取的真彩色影像，通過空中三角測量等技術可以獲取該區(qū)域的地形數(shù)據(jù)和數(shù)字正射影像圖，可為工程選址和項目施工提供最基礎的數(shù)據(jù)服務。同時，河湖整治的重點治理選取、動態(tài)監(jiān)測等工作都可以用航空攝影測量數(shù)據(jù)為客觀數(shù)據(jù)來源進行分析，利用近紅外波段分析植被覆蓋情況，精準的實施牧草地節(jié)水灌溉工程建設。

5.4為環(huán)境污染整治提供分析方法

獲取的影像數(shù)據(jù)可以提供地理信息空間分析方法的數(shù)據(jù)基礎，以疊加分析、緩沖區(qū)分析、連通性分析等技術手段，對各項治理工程的選址、監(jiān)測等提供技術方法，在生活污水治理、工業(yè)污水治理、牲畜糞便污染治理、露天礦地質環(huán)境治理以及旅游景區(qū)環(huán)境綜合整治發(fā)揮重要的作用。

5.5為加快流域產(chǎn)業(yè)結構轉型升級保駕護航

產(chǎn)業(yè)結構轉型升級支持生態(tài)旅游產(chǎn)業(yè)發(fā)展，因此在星級廁所建設方面，既要滿足游客的使用方便，又要盡可能減小對環(huán)境景觀的影響。利用本項目影像成果可以通過地形分析的技術方法作為輔助手段，在兩種需求中間尋找平衡點，同時通過對該流域的定期航拍，可以動態(tài)監(jiān)測畜牧業(yè)發(fā)展規(guī)模。

5.6為保護區(qū)管護能力建設提供技術保障

管護能力建設要求建成保護區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)及數(shù)字化平臺，航空攝影的成果可為該平臺提供基礎的地理底圖數(shù)據(jù)，實現(xiàn)將文字化資料向圖形化表達的轉變。同時，影像的各類地物清晰可見，這就為執(zhí)法人員檢查提供了原始的證據(jù)和數(shù)據(jù)依據(jù)。以影像數(shù)據(jù)為支撐，疊加各類環(huán)保專題數(shù)據(jù)，分析實地生態(tài)效益補償點，開展野生動物救護、防火巡護等工作。

6.結論

（1）本項目主要服務于基礎地理信息數(shù)據(jù)更新，影像清晰，層次分明，影像數(shù)據(jù)色彩良好。POS數(shù)據(jù)精度高，經(jīng)過飛行質量因子計算，各項質量參數(shù)均滿足要求，為各級政府規(guī)劃、國情監(jiān)測和應急保障等提供重要的數(shù)據(jù)資源。（2）項目位于北部戰(zhàn)區(qū)管轄范圍內(nèi)，攝區(qū)周邊軍事設施較多，協(xié)調(diào)難度較大。通過多年的努力與實踐，我院已形成較為完善地測繪航空攝影工作方案，從空域申請、技術設計、協(xié)調(diào)保障、航空攝影、數(shù)據(jù)處理、質量檢查等一系列的工作流程，通過不斷的學習與摸索，形成一定的作業(yè)方法，在自治區(qū)境內(nèi)執(zhí)行航空攝影任務具有一定優(yōu)勢。（3）項目采用IMU/GNSS輔助航空攝影，利用直接獲取的POS數(shù)據(jù)與攝區(qū)范圍內(nèi)及周邊的CORS站、地面基準站進行聯(lián)合解算，得到高精度的POS成果，極大地提高攝影測量作業(yè)效率和空三精度。（4）實現(xiàn)了呼倫湖流域航空遙感影像數(shù)據(jù)的獲取，為環(huán)境保護和生態(tài)文明建設提供重要的基礎數(shù)據(jù)，為推動綠色發(fā)展提供了技術支撐，是自治區(qū)生態(tài)環(huán)境變化監(jiān)測的重要數(shù)據(jù)來源。

參考文獻：

[1]李學友，趙榮軍，李英成，呂和平. IMU/DGPS輔助航測技術在大比例尺航測成圖中的應用[J].測繪科學， 2006（01）：60-61+5.

[2]張建霞，劉宗杰，劉先林.國產(chǎn)數(shù)碼航攝儀應用于我國西部測圖分析[J].測繪科學， 2010，35（01）：36-38.

[3]仉明，王冬. A3數(shù)字航攝系統(tǒng)在航空攝影中的應用[J].城市勘測， 2017（04）：97-101.

[4]段蓓蕾.數(shù)字航空攝影測量在拆遷評估中的應用[J].現(xiàn)代物業(yè)（中旬刊）， 2019（08）：163.

[5]姚喜，何明崗，陳衍德，孫超，劉廷廷，劉春曉.國產(chǎn)SWDC-4航攝儀在河道1∶2000條帶地形圖制作中的應用[J].測繪與空間地理信息， 2019， 42（07）：205-207.

[6]郭如寶. POS輔助航空攝影測量在引綽濟遼供水工程的應用及精度分析[J].西部資源， 2014（05）：110-113.