无人机遥测技术在水土保持监管中的应用

松辽水利委员会 松辽流域水土保持监测中心站

(吉林 长春 130021)

无人机遥测技术在水土保持监管中的应用

松辽水利委员会 松辽流域水土保持监测中心站

(吉林 长春 130021)

水土保持；监督管理；无人机；遥测；生产建设项目；动态监测；松辽流域

从松辽流域水土保持监督管理需求出发，在分析现有监管技术手段的基础上，提出了更为快捷、全面、准确的成果数据获取方式，即无人机遥测技术，并广泛应用于松辽流域大中型生产建设项目及国家级水土流失动态监测项目中，成果种类丰富，数据内容可靠。列举了各类项目的监管指标、过程及效果。无人机遥测技术的应用为松辽流域水土保持监督管理工作提供了技术支持，提高了水土保持监管信息化水平。

水土保持监督管理是从防治水土流失、保护水土资源的可持续发展、维系良好生态环境的角度出发，采取调查、监测和评估等多种技术手段，对水土流失发生环境、发展态势、危害强度和水土保持防治效果等开展的综合评价与管理。通过水土保持监管，摸清水土流失类型、强度与分布特征、危害及其影响情况、发生发展规律、动态变化趋势，对水土流失综合治理和生态建设宏观决策，以及科学、合理、系统地布设各项水土保持措施具有重要指导意义。随着国家经济建设步伐加快，生产建设项目、农业开发等人为扰动不断增加所带来的水土流失危害、生态环境破坏程度日趋严重，给水土保持监管提出了更高的要求。我国水土保持监管在理论研究与实际工作中积累了多年的经验，但目前的监管技术方法外业工作周期过长、获取数据不全面、数据成果时效性较低，无法满足未来监管工作自动化、快速化和信息化需求。近年来松辽流域在水土保持监管新技术、新方法等方面进行了积极的探索，通过实践发现，无人机设备结合遥测数据处理系统能够大幅提高水土保持监管数据的空间和时间精度，减轻外业调查工作强度，可有效地支撑今后的水土保持监管工作。

1 无人机遥测系统优势

近年来水土保持相关科学技术蓬勃发展，测量设备、相机等基础设备性能不断提高，遥测数据的时空分辨率提高，使得水土保持监管技术方法逐步完善，基于卫星影像的遥感调查成为实地调查和地面观测的有效补充。但卫星遥感影像的获取受到卫星运行轨道的限制，无法在第一时间获取所需影像，同时又受到天气因素影响，特别是森林预防保护区和高海拔山区终年多云多雾，导致卫星遥感成果影像优品率不高。而无人机在获取影像方面具有独特优势：无人机遥测设备应用方式灵活，无需大面积起降场地；无人机携带方便，操作简单、安全可靠，连续作业能力强；无人机飞行高度普遍低于云层高度，可拍摄高重叠率、高精度、大比例尺影像，在局部信息获取方面存在巨大优势。运用无人机开展水土保持监督管理工作，在系统专业技术软件支持下，监管数据能够全自动、快速、高精度处理，实现航拍影像的快速拼接，精确生成正射影像、地形数据和三维点云模型，获取水土保持监管相关指标成果。

1.1 自动化处理

无人机遥测系统实现了影像获取、数据处理全过程自动化，并且精度更高。该系统的自动化功能可读取航拍影像EXIF信息参数，如相机型号、焦距、像主点等，同时识别相机镜头的径向畸变差系数和切向畸变差系数，对航拍影像的畸变进行自动校正，为输出高精度成果打下基础。该系统无需任何飞行姿态信息，只需要航拍影像的地面GPS信息，即可进行全自动处理使飞机操控员能够直接处理和查看结果，把原始航拍影像变成任何专业的GIS和RS软件都能读取的DOM和DEM数据。通过提供ArcGIS、ERDAS、SocetSet等可读的输出文件，能够与摄影测量软件进行无缝集成。

1.2 成果全面

(1)无人机遥测系统能自动生成Google瓦片。自动将DOM进行切片，生成PNG瓦片文件和KML文件，直接用Google Earth即可浏览成果。

(2)自动生成带有纹理信息的三维模型，方便进行三维景观制作。与传统三维建模方式相比，无人机遥测系统的介入无论在成果输出速度，还是数据准确性方面都具备了相当大的优势。

(3)生成正射校正及镶嵌结果。生成所有影像的正射校正结果，并自动镶嵌及匀色，将测区内所有数据拼接成一个大的影像，纠正了所有视角的扭曲，与卫星遥感影像无差别。

(3)生成数字表面模型DSM。DSM影像的每个像素都有坐标和高度值，可以用标准的GIS软件精确地测量体积、坡度和距离，也可以生成等高线。

1.3 厘米级高空间分辨率

无人机遥测系统采用高级自动空三算法计算原始影像的真实位置和参数，完全基于影像的内容，利用系统的独特优化技术和区域网平差技术自动校准影像，标准格式的输出使得摄影、测量工作流程完美地整合起来。系统在处理过程中不需要任何GCP，因为它可以根据无人机自带的GPS估算地理位置，如果需要更高的绝对定位精度，利用其直观便携的界面即可快速添加控制点，参与空三计算，使结果达到厘米级精度，等高线比例尺可达1 ∶200。

1.4 快速反应

无人机遥测系统具有快速处理模式，数分钟内即可预览到正射镶嵌结果和DEM结果。同时快速处理模式仅需要较低的硬件配置，在大部分的笔记本电脑上即可运行。

2 无人机遥测技术

2.1 遥测数据获取

(1)飞行轨迹设计。在实地踏勘的基础上，以区域遥感影像等数据为辅助，掌握区域总体地形地貌、土地利用等基本情况，设计飞行航迹。重点设置飞行起降点、飞行高度、影像分辨率、影像重叠率和飞行架次。

(2)地面像控点信息采集。在监测区域内运用差分GPS获取5～7个明显标志物(以在遥测影像上易分辨、在整个区域内均匀分布为准)的经纬度和高程信息。该地面像控点的建立主要用于提高航拍影像后期处理结果的精度。

(3)遥测影像信息获取。对无人机遥测数据进行筛选，选择拍摄清晰和信息丰富的影像，删除重复影像，调整影像使颜色及亮度均匀。

2.2 遥测数据数字化

(1)数据初始化处理。①影像拼接融合。首先，进行几何纠正，主要是针对数码相机镜头非线性畸变的纠正和针对成像时由于飞行器姿态变化引起的图像旋转和投影变形的纠正。其次，进行基于图像特征的自动配准，是指对图像间的匹配信息进行提取，在提取出的信息中寻找最佳的匹配，完成图像间的对齐。采用基于特征的方法利用图像的内部特征进行配准，其基本步骤包括特征提取、特征匹配和运动模型参数求解。用于匹配的特征主要有灰度特征、边缘特征和点特征，其中点特征匹配在图像拼接领域取得了很大成功，使全自动图像拼接成为现实，目前使用最广。最后，进行图像融合，是指在配准后对图像进行缝合并平滑边界，让图像过渡自然。几何纠正、图形配准融合后可获得区域融合影像。②空中三角测量。利用测区多幅影像连接点的影像坐标和少量的已知影像坐标及其物方空间坐标的地面控制点，通过平差计算，求解连接点的物方空间坐标与影像的外方位元素。相对定向主要是通过软件自动匹配技术提取相邻两张像片同名定向点的影像坐标，并输出各原始影像的像点坐标文件。利用野外实测GPS像控点成果，对影像进行绝对定向，生成输出平差后的定向点三维坐标。利用上述平差后的定向点三维坐标文件构建不规则三角网，设置格网间距，通过高程点内插，生成DSM。

(2)点云加密。采用上述步骤获得的空间三维点云是稀疏的，还需对其进行稠密化。通过准稠密化扩散算法，可以在一定精度内获得稠密的三维点云结果。

(3)数字表面模型和正射影像生成。通过以上步骤内部运算及初始化处理，基于加密后的点云集合，成果数据最终生成DSM和正射影像。

2.3 指标信息获取

基于正射影像和DSM数据可获取目标的长度、面积、体积等信息，以及进行影像解译分析。①将预处理的多幅无人机影像导入数据处理软件进行几何校正、拼接、融合后获取全景影像，通过空中三角测量功能生成区域DEM、DOM正射影像，同时基于DEM和软件内部的点云差值算法加密点云后生成三维地形图。②基于ArcGIS空间分析形成直观影像，获取项目建设扰动地表面积、挖填方数量、水土保持措施数量和防护面积等相关数据，快速评价项目区水土流失量及水土保持措施实施情况。无人机遥测技术流程见图1。

3 无人机遥测技术应用

3.1 生产建设项目水土保持监管应用

加强生产建设项目水土保持监管力度，可有效预防和控制水土流失，对规范城乡基础设施建设、土地利用开发项目等落实水土保持责任具有重要意义。松辽流域开展水土保持相关的技术支撑工作经验丰富，监管流域在建大中型生产建设项目共计115个，涉及水利、农林开发、煤炭、电力、石油天然气、采矿及生产、公路、铁路、民航、水运、城建、社会服务等。自无人机遥测系统引入松辽流域水土保持监督管理以来，共开展27个生产建设项目的监管工作，在无人机应用方面积累了丰富的应用经验和翔实的成果数据。

图1 无人机遥测技术流程

3.1.1 监管指标

基于ArcGIS空间分析功能，通过无人机遥测成果数据可获取项目建设占地面积、扰动地表面积和挖填方数量；弃渣场弃渣堆置后微地形地貌、地面组成物质及其结构变化；植被类型及覆盖度，水土保持设施、措施数量；弃渣场、路堑坡面、路基边坡等防治责任范围内的水土流失面积、流失量，滑坡、崩塌等发生的数量，以及对周边和下游地区造成的危害。

根据上述基础指标数据可进一步计算分析已实施的水土保持措施的防治效果，包括土壤流失控制比、拦渣率；项目建设区水土流失总治理度、扰动土地整治率、林草植被恢复率、林草覆盖率。同时根据需要实时监控大中型生产建设项目水土保持措施落实情况，发现水土流失情况，快速获取数据，形成直观影像，为监督管理提供第一手资料。远期目标是定期巡查重点建设项目，调查水土保持面积、措施等相关数据，形成阶段影音资料，构建水土保持监管多媒体数据库，同时应对突发情况，及时派出调查组，收集现场数据，分析多源数据，预报变化趋势，提出应对措施等。

松辽流域已应用无人机完成项目验收过程中水土保持六项指标的具体计算，涉及计算各分量共计10余类，包括水土保持措施面积、扰动地表面积、水土流失总面积、实际拦挡的弃土(石、渣)量与工程弃土(石、渣)总量和堆体体积等。

3.1.2 监管过程及效果

近期，松辽流域大中型生产建设项目中铁路项目监督检查及竣工验收工作较多，无人机遥测系统在此类项目中的应用经验丰富，监管指标的成果数据更加翔实可靠。以某铁路项目的水土保持监测为例，通过无人机遥测技术手段完成现场情况摸底调查，开展水土保持防治责任范围中项目建设区和直接影响区监管指标的监测，重点完成了项目临时占地制梁场和弃渣场的无人机影像数值化，同时基于面积和堆体体积的遥测成果数据，提出整改意见。某铁路项目制梁场情况调查结果见图2。

图2 某铁路项目制梁场情况调查结果

在大中型生产建设项目监管中运用无人机遥测系统，可对航测成果数据开展测量工作，为水土保持六项指标的测算提供本底数据。同时，可开展项目水保方案落实情况复核取证，全面掌控各监测分区水土保持措施实施进度，为及早发现人为水土流失安全隐患、提出监管整改意见奠定基础。

3.2 国家级水土保持重点治理工程监管应用

3.2.1 监管应用范围

2014年松辽流域国家级水土流失重点治理工程运用无人机遥测系统共完成了重点治理区监管面积约5.53万km2，涉及黑龙江省的龙江县、拜泉县、望奎县、克东县、兰西县、安达县、宾县、北安市，吉林省的梅河口市、柳河县、梨树县，辽宁省的宽甸满族自治县，内蒙古自治区的扎兰屯市。

3.2.2 监管内容及指标

水土流失监管内容为项目县的土地利用、植被覆盖度、水土保持措施和水土流失情况等。具体包括各级土地利用类型的面积与比例，各级植被覆盖度的面积比例，水土流失强度、面积和分布，各类水土保持措施面积，以及水土流失重点治理项目区的位置、范围。

3.2.3 监管过程及效果

根据无人机遥测影像处理后生成的大比例地形数据，分析水土流失情况，建立数字小流域。对于难到达的土壤侵蚀野外调查单元和面积较大的重点治理区域，利用无人机遥测生成三维地形影像，解译地块土地利用和水土保持措施布设情况，弥补了传统野外调查工作量大、量测困难的缺陷，与遥感影像监测相比较，具有频次高、精度高、可根据需要实时开展监测等优点，并可根据监测数据实时发布水土流失综合治理进度等，还可预测水土流失情况，为重点治理区防治提供决策依据。同时，成果数据能满足管理部门对重点治理区治理情况数据的需求，根据要求实时开展监测，可以随时增加监测频次，利用阶段监测数据分析治理趋势，实现动态管理目的。远期目标可利用无人机遥测数据建立集治理工作动态、防治效果、治理建议等为一体的多媒体演示系统，根据管理需要，实时监控治理项目进展情况，发布治理公报，为决策提供依据。

3.3 国家级水土保持重点预防工程监管应用

3.3.1 监管应用范围

2014年松辽流域国家级重点预防区监管面积约2.26万km2，包括大兴安岭预防保护区内的内蒙古自治区扎兰屯市、呼伦贝尔预防保护区的内蒙古自治区鄂温克族自治旗和长白山预防保护区内的吉林省和龙市。

3.3.2 监管内容及指标

主要内容包括土地利用、水土流失、生态环境、预防保护措施和预防保护效果等5个方面。具体包括各土地利用类型的面积比例，各级植被覆盖的面积比例，林缘线长度和面积，各级土壤侵蚀的强度、面积与分布，水文站点年降水量、年径流模数和年输沙模数等。

3.3.3 监管过程及效果

应用于预防保护区监督管理，监测区域土地利用、植被覆盖度和土地坡度等数据，完成重点区域土壤侵蚀现状调查。无人机设备可以遥测无法到达的预防保护区中心区域，采集航测影像和实时影音数据，通过人机交互解译和空间分析，获取预防保护区土地利用、植被覆盖度等相关数据。对重点区域进行地形分析，实时掌握水土流失状况。远期目标可利用无人机遥测预防区情况，建立动态数据库，发布预防保护区防护情况公报，为决策提供依据。

3.4 国家级水土保持动态监测项目成果展示

3.4.1 解译标志库建立

利用无人机遥测成果数据进行目标解译工作，并结合野外调查形成解译标志，不同地物有各自影像特征，这些解译标志的建立是判读识别各种地物的依据，最终建立遥测影像解译标志库为土地利用及水保措施的解译提供技术支持。

3.4.2 遥测数据可用实时数据集

无人机遥测数据处理软件成果数据丰富，可根据融合后的正射影像及3D点云模型分析并生产高精度“.shp”格式的等高线地形图、DSM、DTM数据等，以上成果数据是计算工程面积、体积、坡度的基础，在水土保持动态监测项目中绘制坡度坡向图、立体透视图、正射影像图，进行土地利用现状分析、合理规划等，对松辽流域水土流失状况的监管具有决定性作用。以某重点治理区为例，遥测数据可用实时数据集见图3。

图3 某重点治理区遥测数据可用实时数据集

4 结 语

在松辽流域，无人机遥测技术已应用于生产建设项目水土保持监管工作中，并取得了较好的效果。作为一种新的监管手段，无人机遥测技术从航空影像获取和后期影像处理来说，适用于小范围内、高分辨率的遥测数据和影像资料的即时获取，数据精度和直观判断均能满足水土保持监督管理需求，很好地弥补了传统调查方法的缺陷。

随着信息技术和通信技术的综合应用、无人机遥测技术的发展，更加低廉的遥测设备和更为智能的数据处理方式将会应用到水土保持监管当中，并实现无人机遥测数据与地面综合存储数据库更加完美的结合，满足监管的实时、直观需求和对数据准确性的要求，为水土保持监管部门了解区域水土流失发展趋势，制定有效和有针对性的治理对策提供技术保障。

(责任编辑 李杨杨)

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2015-08-01