无人机在弃渣场水土保持监测中的应用

李 俊，高 智，李 健

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122 ）

无人机在弃渣场水土保持监测中的应用

李 俊，高 智，李 健

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122 ）

介绍了无人机在生产建设项目弃渣场水土保持监测过程涉及的数据采集、数据提取、数据输出等环节，阐述了在弃渣场不同水土流失特征提取过程的技术要点。通过分析各技术要点与数据质量的关系，有针对性地介绍了不同环境条件下合理的处理方式和方法的选择方式。

无人机；水土保持监测；弃渣场

弃渣场监测是生产建设项目水土保持监测工作中的一项重要内容，在监测方法上由于空间尺度的特殊性，既不同于坡面尺度的地物特征监测，也不同于流域尺度的地物特征监测，因此在监测方法上需采用地面观测和调查监测、遥感监测相结合的方法。采用遥感监测，卫星遥感影像的影像采购周期较长，无法满足监测单位实际需要，且价格较高；对于常年多云或多雨的地区，由于卫星影像不能及时完整采集，导致遥感监测在生产建设项目水土保持监测中应用较少。

近年来，随着无人机技术的快速发展，其便捷性和低成本优势，使得这项技术在弃渣场水土保持监测中的应用条件逐渐成熟，但由于无人机技术的数据提取环节复杂[1-4]，为避免前期采集的数据质量与后期数据提取要求不匹配的问题，实际在弃渣场水土保持监测特征数据采集和加工时，仍有大量的技术细节需要注意。本文结合多个项目实践，将无人机技术在弃渣场水土保持监测中应用时，在数据采集、数据提取和成果输出等环节中需要注意的技术细节进行总结。

1 弃渣场水土保持监测内容构架

1.1 常规监测内容构架

生产建设项目弃渣场水土保持监测内容包括弃渣场水土流失因子、水土流失状况、水土流失防治效果等。

（1）水土流失因子。水土流失因子包括弃渣场地形、地貌和水系的变化情况；占用地面积、扰动地表面积；填方数量及面积，弃土、弃石、弃渣量及堆放面积；弃渣场林草覆盖度。

（2）水土流失状况。水土流失状况包括弃渣场水土流失面积、水土流失量、水土流失程度变化情况；对下游和周边地区造成的危害及其趋势。

（3）水土流失防治效果。防治措施的数量和质量；弃渣场防护工程的稳定性、完好程度和运行情况；林草措施成活率、保存率、生长情况及覆盖度；各项防治措施的拦渣保土效果。

1.2 无人机监测的水土保持监测内容构架

在无人机监测中，水土保持监测内容按照数据的空间维度和提取顺序可分为以下3类：

第1类信息：基础信息。指所有相关信息提取所涉及的最基础信息。包括反映工程占地范围内地表附着物的地表组成信息、地形信息和土地利用一级分类信息。

第2类信息：单节点专题信息。指通过单期影像可获得的信息。包括植被覆盖率、土地利用数据二级分类信息、土壤侵蚀数据提取、水土流失面积、土壤侵蚀量、堆渣率及拦渣率。

第3类信息：指需要2期影像对照方可提取的信息。包括扰动土地治理度、水土流失总治理度。

使用无人机开展生产建设项目弃渣场水土保持监测，采用此类内容数据架构，达到数据处理的逻辑关系更加清晰。

2 无人机监测数据处理环节

无人机监测数据处理环节通常分为数据采集、数据提取、数据输出3个环节。

数据采集目的是为计算机提取弃渣场数据提供基础数据，数据采集包括无人机参数设置、航线规划及作业条件选择等内容，是整个数据提取工作的基础环节。

数据提取是提取弃渣场的某一项水土保持监测指标或内容，以计算机自动提取为主，涉及数据提取方法、参数设置等内容，它决定最终数据成果的质量。

数据输出是按照数据输出要求，输出指定坐标系和投影以及相应格式的数据，是成果编写人员可以使用的最终成果。

3 无人机监测技术要点

3.1 数据采集

3.1.1 采集天气条件选择

无人机数据采集作业时，选择太阳直射的正午或阴天，在条件允许的情况下，优先选择阴天作业。这种天气条件下，采集的影像在影像解译时，阴影范围更少或者是没有阴影区域，在使用Arcgis或ENVI、Erdas等软件进行基于计算机图形自动分割时，更容易一次性完成弃渣场边界的图像分割，大大减少弃渣场征地范围内的图像解译工作量；同时，弃渣场周边植被不会产生大量的阴影，可有效避免植被覆盖率归一化指数计算时出现偏差。

3.1.2 数据采集区域范围选择

无人机数据采集作业时，数据采集区域范围应大于弃渣场边界范围。无人机航拍所获取的不同影像之间，是靠相邻两幅影像的重叠部分来进行图像拼接，重叠区域的数据质量通常要比未重叠区域的数据精度高。当无人机作业范围恰好与弃渣场边界一致时，在弃渣场边缘可能仅有一张影像覆盖，出现弃渣场边界无法满足2张以上重叠影像覆盖的条件，会出现影像拼接精度较差或影像畸变的情况；同时弃渣场边界是判断弃渣场拦挡措施工程量、扰动土地范围边界、拦渣率等监测指标信息最丰富的区域，因此在无人机数据采集作业范围规划时，需要合理的扩大数据采集区域范围。

3.1.3 数据采集范围内构图选择

无人机作业对象数据采集区范围设计时，对飞行作业航线合理布局，避免在图中出现大范围的水体或冰雪覆盖体。因为在无人机航拍作业时，采集的相邻两幅影像，主要通过在航向和侧向重叠部分的共同地物作为影像拼接的主要依据，当两幅相邻影像中出现大面积的水域或冰雪时，很容易采集到两幅地物特征点较少的影像，导致影像畸变率降低，影响生成正射影像以及现场高程数据的质量。

3.1.4 航线规划重叠度设置

航线规划时根据无人机飞行高度和相机镜头选择合理的影像重叠度，通常重叠度越高影像拼接质量越高，相应提取的数据精度越高。但过高的重叠度需要采集大量的影像，对计算机的配置条件要求会更高。通常根据弃渣场周边地物特征来决定重叠度，如弃渣场周边地物特征纹理空间差异性较大时，适当降低重叠度；当弃渣场周边地物特征纹理空间差异性较小时，适当增加重叠度。

3.1.5 飞行高度控制

飞行高度决定了无人机飞行作业的最短时长和影像数量，通常无人机飞行高度越高单次作业最短时长越小，飞行风险性越低，在影像重叠度一定的条件下，拍摄的影像数量越少，计算机同时计算的数据量越少，运算速度越快。建议补充飞行高度的确定原则。

3.2 数据提取

3.2.1 图像拼接

图像拼接时，对于弃渣场边界地形起伏较大的区域，提高相邻两幅图像的拼接匹配特征点数量，对于弃渣场边界地形起伏较小的区域，适当减少匹配点数量。

3.2.2 图像分割方法

图像分割方法根据弃渣场范围内部和外部纹理特征差异性大小选择确定。当两者图像纹理特征差异较大时，选择非监督分类，一次性进行图像分割，然后在地理信息系统中将弃渣场范围矢量斑块一次性提取；如两者图像纹理特征差异较小时，选择监督分类，按照图像纹理特征完成训练区建立后进行图像分割。当图像纹理破碎程度较高、需要建立的训练区数量较多时，采用基于图像纹理特征的分割方式来完成弃渣场区域提取，此种方法的特征是提取范围边界吻合度较高，但后期数据处理工作量较大。

3.2.3 植被覆盖率提取

植被覆盖率数据提取使用红外相机完成，同时，采集影像时，尽量选择阴天，以避免在图像中产生过多的噪声。

3.2.4 DEM提取

在有弃渣场体积、等高线提取需求时，设置合理的航线和重叠度以便保证摄影测量结果的精度。在重叠度一定、计算机配置较高的条件下，适当增加不同方向航线采集的影像，第一次航线作业任务完成后，调整航线角度，增加不同方向下采集的无人机影像，提高DEM数据精度，生成高质量的等高线数据。

3.2.5 拦挡、排水设施提取

拦挡和排水设施提取时，由于其图像纹理在空间上比较狭窄不容易分辨，更加适合采取基于纹理特征的提取方法。提取参数设计时，选择较高的图像连通度，避免因图像分割结果破碎而增加后期数据处理的工作量。

3.3 数据成果输出

3.3.1 坐标系转换及投影变换

在数据处理的过程中，不宜过早设置坐标系转换和投影变换。因为数据提取过程中，可能会为了发挥某一软件优势使用不同的软件来完成数据提取，但不同软件所支持的坐标系中不一定包括CGCS2000坐标系，在转化过程中出现图像偏移情况，因此，在未完成所有专题数据提取前，使用无人机GPS所使用的较为通用的坐标系和投影。

[1] 姚坚，卞新芳.地表水水质自动监测系统委托第三方运行的探索[J].新疆环境保护，2010， 32(1)：40 - 43.

[2] 郁建桥，钟声，王晨波.“两级质控、第三方运营”水质自动站管理模式初探[J].中国环境监测，2011，27(6)：64 - 67.

[3] 徐亮，钟声，曹军，等.新形势下江苏省地表水自动监测站运行管理模式对策建议[J].环境监控与预警， 2015，7(5)：61 - 64.

[4] 刘京，周密，陈鑫，等.国家地表水水质自动监测网建设与运行管理的探索与思考[J].环境监控与预警，2014， 6(1)：10 - 13.

[5] 郭索彦，李智广.我国水土保持监测的发展历程与成就[J].中国水土保持科学，2009， 7(5)：19 - 24.

（责任编辑 黄 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，高级工程师，硕士，主要从事水土保持监测、监理、方案报告书编制及验收技术评估等方面的工作。E - mail：li_j7@ecidi.com