无人机倾斜摄影辅助遥感技术在水土保持动态监测中的应用潜力分析

文雄飞，张 穗，张 煜，李 喆

(长江科学院 空间信息技术应用研究所，武汉 430010)



无人机倾斜摄影辅助遥感技术在水土保持动态监测中的应用潜力分析

文雄飞，张 穗，张 煜，李 喆

(长江科学院 空间信息技术应用研究所，武汉 430010)

针对我国当前水土流失严重的实际情况，以我国资源三号、高分一号等新一代高分辨率卫星影像为主要数据源，并配合无人机倾斜摄影技术进行野外采样，在长江流域三峡库区开展了水土保持动态监测遥感解译实验性研究。实践发现水田、坡耕地、果园、茶园、林地等水土保持相关的各种土地利用类型在我国国产高分辨率遥感影像上都有比较明显的特征，资源三号、高分一号能够有效应用于水土保持遥感动态监测，而无人机技术作为辅助监测手段可以作为卫星影像的有效补充，在水土保持行业及其他相关领域有很大的应用潜力。

遥感影像解译；资源三号卫星；高分一号卫星；无人机技术；水土保持；动态监测

1 研究背景

我国是当今世界水土流失最严重的国家之一。水土流失导致土地退化、泥沙淤积、生态恶化等一系列的问题，对人类社会生存发展造成严重的威胁[1]。

水土保持监测是以土壤侵蚀及其治理为对象，利用地面观测、调查、遥感解译和模拟计算等技术手段，在坡面、小流域和区域尺度上，周期性、连续采集土壤侵蚀因子(模型参数)、类型(包括沉淀)、强度和治理状况(措施和效益)等方面信息的工作[2]。传统的监测方法主要采用人工调查的方式，费时费力，而且只能对小范围的水土流失状况进行监测，难以对大范围区域进行定量监测[3]。使用遥感技术进行水土保持监测能够克服传统监测方法存在的缺陷，通过遥感影像解译，制作土壤侵蚀因子、类型及侵蚀强度分布图，从而达到水土保持监测目的，成为目前针对大范围区域进行水土保持监测的主要方法[4]。

2 资源三号和高分一号卫星简介

资源三号(ZY-3)是中国第1颗自主的民用高分辨率立体测绘卫星，于2012年1月9日成功发射，可以测制1∶50 000比例尺地形图，为国土资源、农业、林业等领域提供服务[5]。高分一号(GF-1)是中国高分辨率对地观测系统的第1颗卫星，于2013年4月26日成功发射。该卫星实现了高空间分辨率与高时间分辨率的结合，突破了多载荷图像拼接融合等多项关键技术，对于推动我国卫星工程水平提升和遥感应用具有重大战略意义[6]。

资源三号和高分一号卫星的主要有效载荷技术指标如表1[5]和表2[6]所示。

表1 资源三号卫星有效载荷技术指标[5]

3 无人机倾斜摄影技术概况

无人机遥感系统是一种以无人机为飞行平台，以各种成像与非成像传感器为主要载荷，飞行高度在几千米以内，能够获取遥感影像、视频等信息的无人航空遥感与摄影测量系统[7]。无人机遥感系统相比基于载人飞行器和航天飞行器的遥感系统，具备灵活性高、成本低、时效性强等优势，适合作为小范围高精度的信息采集平台。

表2 高分一号卫星有效载荷技术指标[6]

倾斜摄影技术是国际测绘领域近些年发展起来的一项高新技术，它颠覆了以往正射影像只能从垂直角度拍摄的局限，通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从一个垂直、4个倾斜等5个不同的角度采集影像，获取大量不同角度的影像，将用户引入了符合人眼视觉的真实直观世界[8]。倾斜摄影技术能够真实地反映地物情况，而且还通过采用先进的定位技术，嵌入精确的地理信息、更丰富的影像信息、更高级的用户体验，极大地扩展了遥感影像的应用领域，并使遥感影像的行业应用更加深入，该技术目前在欧美等发达国家已经广泛应用于应急指挥、国土安全、城市管理、房产税收等行业。

现阶段，倾斜摄影一般是通过机载的多镜头倾斜摄影相机进行航拍获取，多镜头倾斜相机将多台(一般为5台)相机，以一台下视、多台侧视的方式组合在一起，在飞机沿航线方向飞行过程中，每经过一个摄站点，所有相机同时进行拍摄，从而获取一张下视的正射影像与多张侧视的倾斜影像，通过按照一定的摄影基线进行间隔拍摄，获取覆盖整个测区范围的具备足够重叠度的倾斜摄影航片影像，如图1所示。

图1 倾斜摄影中各个摄影角度示意图Fig.1 Schematic diagram of oblique photography

已有一些研究人员从多种角度对无人机倾斜摄影进行了探索。Bertram等[9]使用搭载GoPro 3相机的四旋翼无人机为独栋建筑进行了侧面倾斜影像采集，并使用AutoDesk软件进行自动化三维重建；曲林等[10]使用搭载自制5镜头倾斜相机和POS系统的多旋翼无人机进行影像采集，使用Inpho软件进行空三匹配和畸变差修正，并将结果导入街景工厂软件进行三维建模，直接生成DSM，得到了满意的结果；Xie等[11]设计了一台由4台广角相机组合的倾斜航摄仪，对校园内的建筑群进行了航拍，能够制作1∶500的大比例尺影像。

本文采用的电动多旋翼无人机适用于100～120 m高度层的航空摄影飞行任务，基于该高度的拍摄可准确还原近地面的水土保持建设工程项目细节，尤其适合对局部重点目标的监测与建模任务。

4 水土保持遥感动态监测技术方案

本文以“3S”技术为主要手段，采用遥感解译和抽样调查相结合的方法，利用高分辨率遥感影像结合无人机影像，监测区域土地利用情况、植被状况、水土保持措施等，并根据区域地形地貌成果，采取综合评价法，分析水土流失状况，进而对水土保持措施及其防治效益进行分析与评价。

主要工作步骤和技术路线为：

(1) 资料准备。根据研究区的实际情况，系统性搜集研究区内卫星遥感、地形地貌、测量控制、气象水文、土壤、土地利用、水土保持工程措施等数据。

(2) 水土流失遥感解译软硬件工作环境搭建。硬件设备主要包括高配置计算机工作站，以及笔记本电脑、平板电脑、GPS RTK设备等；软件设备主要包括ARCGIS软件、ERDAS软件、eCognition软件、FeatureStation软件、四维数码地理信息基本统计软件等。

(3) 数据处理。在软硬件工作环境的支持下，进行水土流失遥感解译数据预处理。卫星遥感数据处理主要包括辐射纠正、几何纠正、外业控制点测量、正射影像制作、影像标准分幅处理(镶嵌、裁剪)等。气象水文数据、土壤数据和水土保持工程措施数据处理主要是数据分类筛选、数据库建库、空间插值等。

(4) 野外采样与遥感解译标志建立。以水土流失相关技术标准为依据，建立土地利用现状分类指标、植被覆盖度分类指标、土壤侵蚀类型及强度(含人工侵蚀)分类指标体系和水土保持措施分类指标四大体系，并结合资源三号、高分一号等遥感影像，从光谱、色调、纹理等方面构建土地利用现状遥感解译标志、植被覆盖度遥感解译标志，对应典型的水土保持工程措施，利用无人机获取项目所在区域的高分辨率航空影像建立遥感解译标志。

(5) 遥感影像室内解译。在软硬件工作环境的支持下，以外业建立的遥感解译标志为依据，进行遥感影像室内解译。以卫星遥感影像为主要数据源，并结合无人机航空影像，采用人工目视判读和计算机自动解译相结合的方法，形成土地利用现状遥感解译图、植被覆盖度遥感解译图和水土保持措施遥感解译图。

(6) 遥感影像成果复核。组织开展解译成果的内业复核工作，通过遥感影像图面检查，确定图斑定位准确性(采集精度)、图斑定性准确性(属性精度)、拓扑关系建立等；组织开展解译成果的外业复核工作，以遥感影像室内解译成果为基础，制作野外复核工作底图；在工作底图上挑选若干个样本点(随机样本或典型样本)，将遥感解译成果与实地复核照相相比对，采用百分率指标评定解译成果的准确性。

(7) 成果修改完善。根据遥感影像野外复核发现的主要问题，进行全图修改与整理，逐条加以处理，直至满足成果验收指标为止。

5 典型区域应用

本文以三峡库区为例，分析三峡库区各种典型土地利用类型在遥感影像上各自的特征，包括光谱、几何形状、纹理等方面。果园、草地、林地、绿地等植被在遥感卫星影像上一般呈深灰色色调，可以通过其颜色、分布及位置来辅助识别；由于有植被生长其中，田地形状规则较易判读；而沙地、滩涂在遥感影像上一般呈浅灰色调，无人为破坏的沙地及滩涂、纹理平滑，色调均匀过渡；建设用地、居民用地等在遥感影像上一般色调均匀，纹理清晰，形状规则，建筑与建筑之间有一定的间距，较易判识。

遥感影像解译示例样本有利于对遥感信息做出正确的判读和采集，这对于用人机交互从遥感影像上采集基础地理信息数据十分必要。尤其是在作业区范围很大，土地利用分布复杂的情况下，可以使作业人员迅速适应待解译区的自然地理环境。在构建遥感解译标志的过程中建立遥感影像和实际地面要素的关联非常关键。选用的遥感影像解译部分示例样本如表3所示。

根据《土地利用现状分类》(GB/T 21010—2007)和《水土保持遥感监测技术规范》(SL 592—2012)等相关文件，针对工作区水田、水浇地、石坎梯田、土坎梯田、坡耕地、坪地、高/中/低覆盖果园、高/中/低覆盖茶园、高/中/低覆盖其他园地、高/中/低覆盖有林地、高/中/低覆盖灌木林地、高/中/低覆盖其他林地、高/中/低覆盖天然牧草地、高/中/低覆盖人工牧草地、高/中/低覆盖其他草地等多种地表类型，选择范围适中并能够反映各个类别典型特征的样本区域，要求对于每一个类别的样本尽可能多地包含该类地貌中的各种基础地理信息要素类且影像质量好。样本选取完成后，寻找标志区内包含的所有基础地理信息要素类，然后选择各类典型图斑作为采集标志。并通过手持GPS、纸质版卫星影像图、iPad、铅笔等各种调查工具，开展野外调查，对各种土地利用类型样本的地理位置、属性信息进行确认，通过对野外调查数据进行整理，修改完善土地利用类型遥感解译标志，对不合理的部分进行修改，同时拍摄各类土地利用类型图斑地面实地照片，以便于影像和实际地面要素建立关联，表达遥感影像解译标志的真实性和直观性，加深使用者对解译标志的理解，为后继解译提供基础。采集解译样本标志数据，样本分布应基本均匀合理，并具有一定的典型性和代表性。

长江科学院当前具备了倾斜摄影技术，在建立解译标志过程中，基于无人机遥感平台，利用倾斜摄影测量技术，相比传统的野外采样方法，能够更快捷高效地获取大量的采样点信息，对于普通地物所在区域可以快速获取其二维平面信息，对于有水土保持措施项目所在区域，可以获取该区域的三维立体信息，更全面地获取采样点附近的各种高精度的土地利用现状信息、植被覆盖信息以及水土保持措施信息，为后续解译提供辅助信息。

采用无人机进行倾斜摄影测量可以深入并靠近到水土保持工程措施项目进行低空航摄，由此获取水土保持工程措施各个角度的影像信息，并通过计算机视觉算法对该工程措施进行精细的三维建模。重建出的高真实度的三维模型有助于实现水土保持措施项目的可视化查询、管理和决策支持，图2是利用无人机对典型目标建立的三维模型例图。

表3 土地利用类型部分采样信息

图2 无人机建立的典型三维模型例图Fig.2 Typical 3D models constructed by UAV (unmanned aerial vehicle)

6 讨论与展望

本文以探索更高效合理的水土保持动态监测方法为出发点，以国产高分辨率卫星资源三号和高分一号为主要数据源，并对局部区域的水土保持措施区域采用无人机倾斜摄影技术辅助，通过野外采样，建立基于高分辨率卫星影像和无人机影像的遥感解译标志，基于eCognition软件和ArcGIS软件进行内业解译，以长江流域三峡库区为例，分析了该区域的土地利用现状分布图，为三峡库区水土保持动态监测提供了关键基础数据。

高分辨率遥感影像和无人机影像的有机结合能够对水土保持不同尺度的观测对象进行有效观测和采样，能够在宏观角度掌握水土流失动态监测情况。通过建立基于ArcGIS移动端的软件开发能够有效减少水土保持监测野外作业的工作量，实验发现我国资源三号、高分一号/二号卫星数据相比以前的国产卫星数据，影像质量有明显改善，无人机技术作为新兴监测手段可以作为水土保持动态监测的有效补充，在水土保持行业及其他涉及到野外作业的相关领域都有很大的应用潜力。

[1] 张平仓,程冬兵,丁文峰.长江科学院水土保持专业研究进展[J].长江科学院院报,2015, 32 (3):1-6.DOI:10.3969/j.issn.1001-5485.2015.03.001.

[2] 杨勤科，赵牡丹，刘咏梅，等. DEM与区域土壤侵蚀地形因子研究[J]. 地理信息世界,2009,7(1):25-31,45. DOI: 10. 3969/j.issn.1672-1586.2009.01.005.

[3] 邵子玉.基于高分辨率遥感影像的水土流失监测方法研究[J].中国水土保持,2010,(2):11-12.DOI:10.3969/j. issn.1000- 0941.2010.02.005.

[4] 王志刚,涂人猛,孙佳佳，等. 基于地类、坡度与植被的小流域土壤侵蚀量估算方法——以毕节市毛家湾小流域为例[J].长江科学院院报,2013, 30 (5):22-26.DOI:10.3969/j.issn.1001-5485.2013.05.06.

[5] 中国资源卫星应用中心. 资源三号卫星应用指南[K].北京：中国资源卫星应用中心,2012.

[6] 中国资源卫星应用中心. 高分1号卫星应用指南[K].北京：中国资源卫星应用中心，2013.

[7] 李德仁,李 明.无人机遥感系统的研究进展与应用前景[J].武汉大学学报(信息科学版),2014,39(5):505-513,540. DOI: 10.13203/j.whugis20140045.

[8] 李镇洲,张学之.基于倾斜摄影测量技术快速建立城市三维模型研究[J].测绘与空间地理信息,2012,35(4):117-119.DOI:10.3969/j.issn.1672-5867.2012.04.037.[9] BERTRAM T,BOCK T,BULGAKOV A,etal.Generation the 3D Model Building by Using the Quadcopter[C]∥ Proceedings of the 31st International Symposium on Automation and Robotics in Construction and Mining, Sydney. Australia, July 9-11, 2014:778-783.[10]曲 林，冯 洋，支玲美，等.基于无人机倾斜摄影数据的实景三维建模研究[J]. 测绘与空间地理信息,2015,(3):38-39,43.DOI:10.3969/j.issn.1672-5867.2015.03.013.

[11]XIE F, LIN Z, GUI D,etal. Study on Construction of 3D Building Based on UAV Images[C]∥ International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Volume XXXIX-B1, 2012 XXII ISPRS Congress, Melbounre, Australia, August 25-September 1, 2012: 469-473.

(编辑：黄 玲)

Potential of Remote Sensing Technology Assisted by UAVOblique Photography Applied to Dynamic Monitoring ofSoil and Water Conservation

WEN Xiong-fei, ZHANG Sui, ZHANG Yu, LI Zhe

(Spatial Information Technology Application Department, Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China)

In view of China’s current serious water loss and soil erosion, the Unmanned Aerial Vehicle (UAV) oblique photography technique was introduced as an auxiliary monitoring method in land use field sampling in the Three Gorges Reservoir area of Yangtze River Basin to carry out remote sensing dynamic monitoring of soil and water conservation. High resolution remote sensing images obtained by satellite ZY-3 and GF-1 were selected as the main data source in soil and water conservation dynamic monitoring. Practice showed that China’s domestic satellite image quality has improved significantly by obviously reflecting the characteristics of land use types such as rice paddy field，slope farmland, orchard,tea garden, and forest land. Satellite ZY-3 and GF-1 can be effectively applied to the remote sensing dynamic monitoring of soil and water conservation. Moreover, as an auxiliary monitoring method, UAV technology has great potential in soil and water conservation and other related fields.

interpret of remote sensing image; ZY-3 satellite; GF-1 satellite; unmanned aerial vehicle (UAV); soil and water conservation； dynamic monitoring

2016-10-11

中央级公益性科研院所基本科研业务费项目(CKSF2016006/KJ,CKSF2015019/KJ)

文雄飞(1984-)，男，湖北仙桃人，高级工程师，博士，研究方向为3S技术在水利行业中的应用，(电话)027-82926550(电子信箱)xfwen19@163.com。

10.11988/ckyyb.20161049

2016,33(11):93-98

TP79

A

1001-5485(2016)11-0093-06