低空无人机遥感技术在淤地坝水土资源监测中的应用

王彦武，周 波，马 涛，田晋华，高雅玉

(甘肃省水土保持科学研究所，甘肃 兰州 730020)

淤地坝作为黄土高原地区沟道治理的主要措施之一，发挥着阻控沟道侵蚀与拦沙淤地的重要作用。在气候与下垫面变化耦合影响下，近年来黄土高原地区极端洪水事件频发，水土下泄，影响了坝控区域水土资源的利用效率。受到自然条件和人类活动的影响，坝控区域水土资源的量和面积处于动态的变化过程中，并且淤地坝沟道地形破碎，水土流失严重，在水力侵蚀和重力侵蚀的作用下，沟道两岸淹水区常年受暴雨山洪冲刷容易发生滑坡和崩塌，在沟道狭窄处易产生堰塞湖，对坝系的安全稳定运行产生不利影响，因此对坝控区域水土资源变化进行及时动态跟踪监测就显得尤为重要。但是，采用传统的监测方法，受地形和积水的影响，不能及时、有效、准确地监测新增滑坡体和水域面积，制约了坝系安全预警和管理维护的发展。快速、准确、高效地监测坝控区域水土资源动态变化，成为淤地坝水土资源监测亟待解决的问题。低空无人机遥感是国家航空遥感监测体系的重要补充，是航空遥感未来发展的方向。它能够利用遥控飞行器、小型高分辨率数码相机、遥感传感器、无线通信技术、卫星定位导航技术和遥感应用技术实时对地观测和快速获取淤地坝坝控区域地面影像数据[1-2]。本研究以渭源县桥子沟小流域水泉湾骨干坝坝控区为例，通过分析传统监测方法中存在的问题，探讨如何利用低空无人机遥感技术对坝控区域水土资源动态变化进行快速监测，希望能为相关部门淤地坝系安全管理工作提供技术支持[3]。

1 淤地坝水土资源监测方法

1.1 传统监测方法

传统监测方法主要是利用人工手持GPS进行实地丈量和地形图实地调绘，对于面积小、地形规整的区域较为适用，但是对于淤地坝坝控区域面积大于0.5 km2且地形破碎、沟壑纵横的区域，采用该方法会耗费大量的人力、物力、财力[4]。受地形及坝控区积水的影响，尤其是对人工不能到达的区域，经常采用对坡勾绘的方法进行调绘或利用经验估计，得出的数据通常带有主观性、片面性和随机性，并且不能及时地反映坝控区域水土资源的动态变化情况。

1.2 卫星遥感监测方法

受搭载平台及传感器的限制，卫星遥感方法在获取小范围监测数据时存在成本高、性价比低等问题。同时，该方法受环境影响较大，有时效限制，对特定时间的遥感数据不能及时获取，并且经常被云层遮挡而无法获取影像。此外，由于卫星距离地面较远，遥感影像局限于正射影像的常规产品，且分辨率较低，精度较差，对淤地坝水土资源量的动态变化不敏感，因此在获取小流域的坡面治理动态、沟道工程建设动态、坝地利用情况及坝系安全监测等方面的应用存在较大局限性。

1.3 低空无人机遥感监测方法

无人机遥感是近年来航测绘图发展形成的新技术，其操作简单，外业飞行智能高效，基本不用人工干预，极大地节约了外业的人工成本。低空无人机体形小，维修保养简便，用户可以自主管理。相比卫星遥感监测，无人机可以超低空飞行，不受云层遮挡干扰，得到高分辨率影像的代价较小，当成像效果不满意时可以随时进行重复测量[5]。另外，低空无人机遥感对地形和地物的适应能力强，可以得到多角度的实物影像和三维景观模型。相比传统的野外监测方法，低空无人机遥感方法具有周期短、效率高、成本低等优点，它将大量的野外工作转换为内业工作，既能减轻外业人员的劳动强度，又能提高数据成果的精度。低空无人机遥感测量能在小范围内快速获取高质量遥感影像，是淤地坝水土资源监测体系中重要的技术手段。

2 低空无人机遥感在淤地坝水土资源监测中的应用

2.1 试验区概况

本研究以渭源县桥子沟小流域水泉湾骨干坝坝控区为监测区域，测量范围为沟道及沟道两侧坡面集水区域，面积约为0.8 km2。测区范围内地形复杂，但地物比较简单，如图1所示。

图1 测区范围概况

2.2 无人机飞行平台及遥感系统

本研究采用的无人机系统是D1000 RTK飞马智能航测系统。它采用旋翼无人机平台，支持正射、条带、倾斜、环绕、全景等多种作业模式的专业航线设计与全自动飞行控制功能，可随时对目标区域图像进行高频率、多时相的扫描拍摄，并能全自动地采集高分辨率原始数字图像，且每条航带上的数字图像都具有GPS位置与飞行姿态信息，中小区域测图的地面采样间隔(GSD)可达到2 cm，能够进行自动化数字图像处理，并提供正射影像(DOM)、数字表面模型(DSM)、真正射影像(TDOM)、3D模型等多种测绘级别成果。旋翼平台全自动化设计，一键式操作，飞行安全、稳定、可靠，测量结果满足测绘级精度要求。其主要技术参数见表1。

表1 D1000 RTK技术参数

无人机系统软件包括外业操作控制软件与数据后处理软件。外业操作控制软件可根据任务区域的地形起伏和影像要求实现飞行任务设计、飞行规划、飞行操作与控制、可视化飞行监控与状态修改、飞行成果质量检查与分析，以保证全航程获取数据的一致性，提高后期影像处理的可靠性。数据后处理软件包括ContextCapture Center Master和SV360，使用ContextCapture Center Master软件可以生成三维影像图及二维正射影像图，后续处理线划使用SV360软件，最终获得各种成果数据，如DOM、数字高程模型(DEM)、DSM、数字线划地图(DLG)、KML格式数据、3D模型数据、等高线及点云数据等。使用SV360可以360°全方位旋转视图，等高线可以切割生成，并能直接在三维视图中显示高程点，数据转换方便。航飞影像处理软件能够完成无人机数据的正射空三和倾斜空三、自适应特征点匹配、控制点量测、正射纠正、匀色镶嵌、全像素高密度点云匹配、真正射、三维重建等处理，可在三维地球场景上加载目前通用的OSGB格式三维产品，并支持浏览、距离量测、面积量测、体积量测、模型加载等功能。

2.3 无人机遥感作业流程

无人机遥感作业的基本内容包括：系统组件连接与安装、飞行任务设计、外业数据采集(图像数据与飞行轨迹数据获取)、内业数据处理(图像数据解算处理、成果数据提取)等。飞行前准备工作完成后，通过地面控制平台来制定飞行作业计划，包括测区范围、起飞降落位置、飞行航高、影像重叠率及风向等参数的确定。系统中的飞行任务设计软件根据上述参数可自动设计出飞行航线及起飞降落的位置，然后利用无线通信模块将飞行计划上传至自备的电子控制装置中，通过无线通信模块与电子控制装置协同操纵飞行平台来完成图像数据采集。

2.3.1 资料的收集和准备

测量前对所测区域的地形进行实地调查，确保满足无人机低空测量条件，并掌握所测区域当时的天气情况；外出作业前首先检查仪器是否正常运行，检查电池电量是否充足，材料设备配件是否齐全；确定测量坐标系统为CGCS2000坐标系统，并在现场布置控制点进行无人机低空测量。

2.3.2 像控点布置

像控点布置选择在航测照片清晰、附近较为空旷且有明显标志物的位置，对有遮挡或阴影等存在明显高差的地点不宜布设像控点。坝控区域地形复杂，受淤地坝内积水影响无法进入布控像控点，故采用测区内均匀布控像控点的方式进行布置，对无人机测量的重叠测区通过添加连接点的方式来提高成图精度。本次测量共布置像控点12个，对淤地坝坝体特定区域进行特定像控点布控，进一步提高了监测数据的精度。地面布置的像控点采用白色醒目的十字形或L形标志，长度为80～100 cm，宽度为12～20 cm，并在每一个像控点旁标记点号。GNSS(Global Navigation Satellite System)采点时均以十字形中心点或L形内角点作为像控点，像控点采用GNSS连接甘肃省测绘局CORS(Continuously Operating Reference Station)站进行测量，水平残差与垂直残差均在2 cm以内。

2.3.3 无人机测量

本次测量测区航向重叠度为80%，旁向重叠度为80%，所测区域海拔2 050～2 350 m，无人机飞行高度约为125 m，拍照时飞行速度为14 m/s，成图比例尺大于1∶500。本次测量共采集相片1 000多张，每张照片都自带有POS数据。受天气和光线因素影响，测量中对相机的光圈和曝光度等参数进行了调整，产生了不同亮度的照片，但对成果精度没有影响。无人机拍摄精度较高，在淤地坝水土资源遥感监测中采用正射拍摄方式的效果较好，中误差可以控制在20 cm以内，符合无人机测量后期数据处理的要求。

2.4 数据成果应用

传统淤地坝流域外业监测多采用人工的方式进行，监测人员通过GPS实地丈量和地形图实地调绘等方式对坝控区域沟道两侧的土地利用情况进行测量，对坝控区的积水面积和水深通过乘坐橡皮艇的方式进行人工测量。此种方法不仅效率低、成本高、耗时长，还增加了监测人员的风险。利用低空无人机遥感监测淤地坝流域水土资源，可以充分发挥无人机携带方便、操作简单、反应迅速、起飞降落对环境的要求低、自主飞行的特点，通过空中大范围快速巡查，对所需监测区域进行低空航拍，第一时间掌握淤地坝水土资源的现状信息。通过航拍测绘和后期制作实现坝控区域影像的数字化，生成坝控区域的空间遥感信息和数字高程模型，不仅可以直接量取坝系坡面区域的面积变化，了解坡面治理及土地利用的动态变化，还可以直接测量沟道水域面积的变化和沟道两侧滑坡体的体积大小，为分析坝地水土资源量及其来源提供数据支持，极大地提高了淤地坝流域水土资源的监测效率和精度。

淤地坝沟道地形条件复杂，受短时强降雨和长期的重力侵蚀影响，沟道两岸极易发生滑坡和崩塌。滑坡体体积和堰塞湖面积监测对坝系的安全稳定运行具有重要的影响，但是受滑坡处恶劣地形条件限制，人员通常无法进入现场开展实时监测。在这种情况下，利用无人机机动快速、使用成本低、维护操作简单等优点，通过无人机空中悬停实时监测堰塞湖和周边流域动态信息，掌握堰塞湖的分布状况与动态变化等，之后地面工作站可根据无人机遥感影像直接量测出沟道堰塞湖的面积和堰塞体的体积。利用无人机遥感技术开展的试验区某沟道堰塞湖水域面积测量和某沟道滑坡体体积量测影像见图2、3。

图2 某沟道堰塞湖水域面积测量

图3 某沟道滑坡体体积测量