无人机低空遥感技术在线状工程水土保持监测中的应用探讨——以新建重庆至万州铁路为例

王志良,付贵增,韦立伟,齐建怀,陈宇

(海河流域水土保持监测中心站,300170,天津)

无人机低空遥感技术在线状工程水土保持监测中的应用探讨
——以新建重庆至万州铁路为例

王志良,付贵增,韦立伟,齐建怀,陈宇

(海河流域水土保持监测中心站,300170,天津)

传统水土保持监测技术手段无法很好满足生产建设项目水土保持监测准确性、及时性和完整性的要求。以新建重庆至万州铁路为例,引入无人机低空遥感技术对重点区段进行监测。对比传统监测技术,该技术具备高精度、实时性、全面性等优点,同时具有垂直精度不足、水土保持信息提取工作量大、天气依赖性强、投入费用大等缺点。

无人机；低空遥感技术；水土保持监测；线状工程；渝万铁路

随着经济社会的快速发展,特别是工业化和城市化进程的加快,生产建设过程中造成的人为水土流失大量增加[1]。水土保持监测作为生产建设项目水土保持工作的重要组成部分,是水土流失预防监督和治理的重要基础[2]。传统水土保持监测技术手段无法很好满足生产建设项目水土保持监测准确性、及时性和完整性的要求。无人机低空遥感具备高精度、实时性和全面性的特点,成为生产建设项目水土保持监测新的技术手段[3-10]。经过前期充分调研分析,在新建重庆至万州铁路(简称“渝万铁路”)水土保持监测过程中,引入无人机低空遥感技术对重点区段进行水土保持监测,对该技术应用于线状生产建设项目水土保持监测进行了探索。

1 工程概况

渝万铁路位于重庆市境内,南起重庆北站,向东北经江北区、渝北区、长寿区、垫江县、梁平县,终点万州北站。正线全长 248 km,设计总占地面积1 191.01 hm2,其中永久占地588.39 hm2,临时占地602.62 hm2。计划施工总工期4年,于2013年4月开工建设。

工程所经区为中低山丘陵地貌,海拔130～1 100 m,相对高差20～600 m；土壤类型主要有黄壤、黄棕壤、紫色土、冲积土；山坡植被茂密,坡脚与斜坡多辟为旱地和林地,山势较陡处以针叶林、针阔混交林为主；森林覆盖率为15.05% ～34.07%；属于亚热带季风性湿润气候类型,夏热冬暖,冬季多雾,霜雪少见,降水丰沛,主要集中在5—8月；流经河流均属长江水系,地表水资源丰富。

工程具有建设线路长,施工周期长,扰动和破坏地表及植被面积大,挖、填、排、弃土石方量大,沿线弃渣场数量多等特点。项目地处长江上游,为三峡库区范围,生态区位重要,降水丰沛集中,地貌类型复杂多样,丘陵、山地多,平地少,土地结构复杂、垂直差异明显,存在因工程建设发生水土流失危害的可能性。

2 水土保持监测的目标和重点

工程水土保持监测主要目标是依据相关技术标准,综合运用多种手段和方法,对项目防治责任范围内水土流失因子、水土流失状况、水土流失危害和水土保持措施等进行动态监测,分析项目水土流失防治效果,为水行政主管部门和业主单位水土保持监督管理提供参考依据。

工程水土保持监测的重点:一是扰动面积大小及动态变化；二是弃渣场的位置、数量和占地范围；三是水土保持工程措施的位置、数量和范围。

3 无人机低空遥感参数设定

3.1 参考规范

1)CH/Z 3003—2010《低空数字航空摄影测量内业规范》；2)CH/Z 3004—2010《低空数字航空摄影测量外业规范》；3)CH/Z 3005—2010《低空数字航空摄影规范》。

3.2 范围设定

工程呈线状分布,建设期间的绝大部分弃渣场位于线路两侧1 km直线距离内,同时考虑到施工道路、施工生产生活区等分布,以及项目水土保持监测的分区情况。确定无人机遥感监测区范围为,云龙镇—孙家镇路段50 km建设区,以线路为中心线,两侧各外扩1 km,监测范围大于100 km2。

3.3 成果精度设定

1)数字高程模型DEM:高程精度2～5 m。

2)数字正射影像DOM:地面分辨率0.22 m,水平精度1～3 m。

3.4 设备配置

1)无人机:采用固定翼无人机,型号为AJ1000,硬件主要包括发动机引擎、螺旋桨、机身、机翼(含副翼、尾翼、尾副翼)、起落架、降落伞等。

2)数码相机:采用Cannon 5D MarkII,全画幅数码单反,2110万像素,5 616×3 744(像素×像素), 35 mm红圈定焦镜头。

3)机载飞行和地面站控制系统:采用UP3.0系统,其主要功能为确定姿态角、坐标和运动参数；按照规划路线自主飞行导航与飞行控制；侧滚角与俯仰角稳定控制；导航轨迹和高度数据输出；传感器等有效负载控制；飞行路线规划与上载,飞行姿态数据下载；远程控制与自主导航切换；无人机飞行实时监视与控制无人机航迹重放。

地面控制点采集设备主要采用Trimble GEO XT2008手持GPS,精度达到亚米级(0.5～1 m)。

遥感影像后期处理主要采用瑞士专业无人机数据处理软件Pix4UAV Desktop 3D 2.2.4。

水土保持监测数据提取主要采用地图绘制软件Global mapper 15。

4 无人机低空遥感实施及成果

无人机遥感流程分为4个步骤:1)前期设计和准备阶段,包括范围选取、精度要求、设备准备、线路规划(飞行方向、飞行高度、角度)等内容；2)遥感实施,指利用控制系统,按设计方案实施无人机飞行和拍摄,获取原始影像数据；3)地面控制点采集,是为保证数据精度要求,开展必要的控制点采集且数量应能满足精度要求；4)实施后期处理,利用专业软件,实施原始数据的处理和加工,包括数据拼接、几何纠正、高程纠正,并制作完成满足精度要求的DEM和DOM数据。

4.1 无人机低空航摄

根据遥感范围设定和成果精度要求,结合项目现场地形地貌,确定按3个测区进行飞行,实际的飞行轨迹见图1。

3个测区飞行距离共约300 km,航高为1 200 m (以E 107.795 914,N 30.685 375,H 438 m为基准点的相对高度),单张照片覆盖面积约为1 km2(1 234.286 m×822.857 m),航带间隔617 m,旁向重叠率50%以上,照片拍摄航向间隔164 m,航向重叠率80%以上,实际覆盖空间范围约183 km2,为目标区高质量遥感数据的获取留下了比较大的选择空间。全线路总拍摄照片为1 639张,通过去雾处理和剔除拍摄姿态较差的,实际可用为1 626张,均为.JPG格式。

图1 渝万铁路无人机低空遥感飞行线路设计图Fig.1 Flight line design in the Chongqing-Wanzhou railway UAV RS

4.2 地面控制点采集

按照项目区实际情况和精度要求,本次地面控制点共采集了29个点位,分别位于测区的不同飞行测段内,总体分布均匀,控制点可以作为整体精度的有力验证点位(图2)。

图2 渝万铁路无人机低空遥感地面控制点采集位置分布图Fig.2 Ground control points position in the Chongqing-Wanzhou railway UAV RS

4.3 遥感影像处理和成果数据

遥感影像经过去雾软件预处理后,再采用Pix4UAV Desktop 3D 2.2.4进行处理,提取和生成满足精度要求的DEM和DOM成果。DEM和DOM数据的地面分辨率为0.22m,以瓦片(tile)形式存储。使用时,可根据精度需求和处理软件的不同需要,利用Globalmapper15软件生成不同采样率、不同格式的成果数据。遥感成果见图3和图4。

图3 渝万铁路无人机低空遥感数字高程渲染图Fig.3 Chongqing-Wanzhou railway UAV RS DEM

图4 渝万铁路无人机低空遥感DOMFig.4 Chongqing-Wanzhou railway UAV RS DOM

5 水土保持监测数据提取

无人机低空遥感信息提取可通过目视解译和计算机信息提取的方法,获取图像的影像特征和空间特征。无人机低空遥感水土保持监测数据提取内容包括:1)直接观测数据,可从DOM上直接观测工程的进展和水土流失防治情况；2)直接提取数据,采用Globalmapper15,利用软件测量工具和创建多边形功能,可以提取监测所需要的长度和面积数据；3)间接计算数据,通过直接提取数据结合实地调查测量,可以间接计算得到监测所需的体积数据。这些数据的提取对综合评价工程的水土流失和水土保持情况,为工程水土保持监测季度报告表、监测总结报告提供了数据基础。水土保持监测数据提取内容见表1。

本次无人机低空遥感获得的是工程施工阶段一期的数据,代表工程这一时段的现状。本期数据可与施工前原地貌数据、施工完成自然恢复期数据对比分析,获取工程各个施工阶段水土保持变化情况。

表1 水土保持监测数据提取内容Tab.1 Soil and water conservation monitoring data extraction content

6 应用总结

通过本工程的应用实例,将无人机低空遥感技术应用到生产建设项目水土保持监测中,可以及时、准确、全面地反映施工过程中工程进展和水土流失防治等情况,特别是在铁路等大型线状工程,优势更加突出和明显。

1)无人机时效性好。无人机低空遥感与传统卫星遥感相比,较好地弥补了其时效性差和机动性低的缺点。可以根据监测工作的需求,由现场监测人员确定遥感的时间和范围,在较短的时间内完成遥感影像获取和监测信息的提取,最快仅需1周时间,能较及时地反映工程水土流失和水土保持情况,满足定期常规监测和灾害性事件应急监测的需求。

2)无人机精度高。生产建设项目水土保持监测的重点为亚米级的水土保持措施,传统卫星遥感精度无法满足监测需求。无人机低空遥感可根据需求,调整飞行高度以获取不同精度的成果。本次无人机低空遥感像素分辨率为0.22 m,经过精度检验,成果平面精度的误差为1～3 m,完全满足水土保持监测判读、位置、面积等信息提取的要求。

3)无人机更直观全面。无人机低空遥感成果能较为直观和全面地反映工程现状,不但可为水行政主管部门、业主单位水土保持监督管理提供参考,而且能为业主、施工、监理等部门在施工管理、施工布局、进度控制等方面提供支持。

7 问题与思考

目前,无人机低空遥感技术在生产建设项目水土保持监测中的应用处在探索阶段,还存在一些不足,需要进一步研究和改进。

1)垂直精度不足。通过精度检验,本次DEM高程误差在2～5 m之间,提取的监测所需体积数据精度不足,可作为参考,不能直接使用。

2)水土保持监测数据提取工作量较大。工程水土保持信息需要熟悉工程情况的技术人员通过人工干预进行提取,需要投入大量的人工成本和时间成本。

3)天气依赖性较强。无人机的成果质量受工程现场的天气状况影响较大,在云雾和雨雪等较为恶劣天气下,无法取得满足精度要求的监测成果。

4)投入费用较大。相比当前市场生产建设项目水土保持监测费用,无人机低空遥感成本相对较高。大多数工程水土保持监测费不足以支撑实施长期连续的无人机监测,仅能视工程情况和必要程度,有计划地开展典型区监测。

图5 渝万铁路局部施工区DOMFig.5 Construction area DOM in part of Chongqing-Wanzhou railway

图6 水土保持监测数据提取Fig.6 Soil and water conservation monitoring data extraction

[1] 郭索彦.生产建设项目水土保持监测实务[M].北京:中国水利水电出版社,2014:1

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[3] 梁志鑫,卢宝鹏,张焘.无人机技术在生产建设项目水土保持监测中的应用[J].吉林农业,2010(9):137- 155

[4] 李紫薇,周旗,刘熤彤.低空无人机遥感技术在近海环境监测中的应用前景和发展战略[J].海洋监测高技术论坛,2012:201- 209

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[8] 喻权刚.新技术在开发建设项目水土保持监测中的应用[J].水土保持通报,2007(4):5- 9

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[10]杨恺.无人机遥感技术在开发建设项目水土保持监测中的应用[J].陕西水利,2013(4):145- 146

(责任编辑:郭雪芳)

Discussion on application of low altitude UAV RS to soil and water conservation monitoring in linear engineering: A case study on the new Chongqing-Wanzhou railway

Wang Zhiliang,Fu Guizeng,Wei Liwei,Qi Jianhuai,Chen Yu
(Haihe BasinSoil and Water Conservation Monitor Center,300170,Tianjin,China)

Traditional techniques of soil and water conservation monitoring cannot fully meet the requirements of accuracy,timeliness and integrality in production and construction projects monitoring. Taking the new Chongqing-Wanzhou railway as a study case,we introduced low altitude UAV RS into the key sections monitoring.Compared with traditional techniques,the low altitude UAV RS has advantages of high precision,real time,comprehensiveness,and the disadvantages are low vertical precision,heavy information extraction workload,weather dependence,and high investment.

UAV；low altitude RS；soil and water conservation monitoring；liner engineering；Chongqing-Wanzhou railway

S157

A

1672-3007(2015)04-0109-05

2015- 01- 26

2015- 06- 26

王志良(1978—),男,硕士,高级工程师。主要研究方向:水土保持和项目管理。E-mail:wangzhiliang2006@ 126.com