无人机遥感技术在水土保持监测中的应用

王金虎 张丽娟

摘要：传统水土保持监测技术手段存在费用高、效率低、时间长、计算复杂等问题。以一处点状生产建设项目为典型案例，引入无人机倾斜摄影测量技术和三维建模技术，客观再现了工程地物的结构、外观、高度等属性，快速提取了工程空间地物信息，精准测量了工程总占地面积、扰动地表面积、临时堆土场面积和堆土体积，并对测量结果进行了精度分析。无人机遥感技术能够高效、精确地提取空间地物信息，且空中作业受地形因素影响小、自动化高，大大减少了水土保持监测的人工成本与工作量，十分适合用于测量水土保持监测中的地物面积与堆土体积。

关键词：无人机;遥感技术;水土保持监测;地物面积

无人机遥感技术的出现为水土保持行业开辟了一条新路，这种新型航空遥感手段，是卫星遥感与载人航空遥感的有力补充。

采用无人机遥感技术可拍摄高清晰度遥感图像，且空中作业模式克服了复杂地形因素的影响，从而能准确、高效地获取工程中地物面积、堆土体积等水土保持监测的重要数据，为水土保持监测技术的发展产生了巨大的促进作用。

1 无人机水土保持监测流程

1.1 外业数据采集

根据现场勘察进行航高预定并使用Altizure软件进行航线规划，利用四翼无人机多视角采集地表数据，通过搭载GPS获取飞行过程中的实时位置信息。

1.2 内业数据处理

利用Context Capture Master软件进行空中三角测量，并对测区边界多余影像数据进行剔除，获取测区数字高程三维模型（DEM）。利用Context Capture Viewer軟件的测量工具在三维模型中选取待测区域，完成对施工占地总面积、扰动地表面积和临时堆土场面积的快速提取。

利用Riscan Pro软件精确提取堆土点云数据，导入Geomagic Spark软件进行封装生成堆土网格模型，并计算临时堆土的测量体积。

2 工程实例

2.1 工程概况

该工程为小型点状生产项目，设计总占地面积为10 929 m2，其中永久占地5 336 m2，临时占地5 593 m2，工地附近有多处堆土，主要施工任务为建设一栋3层教学楼。本次水土保持监测主要任务是快速掌握项目的总占地面积、扰动地表面积、弃土堆放体积等。

2.2 数据采集

本次实验依据工程项目实况，采用无人机悟1V2.0四轴航拍飞行器，利用GPS与谷歌地图精准定位，设定飞行范围为100 m×80 m的矩形区域、飞行高度55 m、最大飞行速度5 m/s、航向重叠率85%、旁向重叠度设置85%、最短拍照间隔为2 s，从垂直角度对工程地面进行拍摄，总飞行时间为13 min，获取航片数据80余张。

2.3 数据处理

2.3.1 空中三角测量

添加高清影像数据至Context Capture Master软件中，选择地理参考、空三计算模式、设置定位参考用于准确估计每幅影像在空间的位置、角元素和相机属性，计算生成简单空间结构。

2.3.2 空间分块处理

利用Context Capture Master软件进行空间分块处理，调整模型空间坐标值，剔除空中三角测量模型中多余部分，并对剩余模型进行切块处理。

2.3.3 三维模型建立

选取WGS 84/UTM zone 50N空间参考系，模型分为6块瓦片，分辨率为2.5 cm，生成数字高程三维模型，建模时间为275 min。三维点云模型如图1所示。

2.3.4 堆土网格模型建立

利用Riscan Pro软件切割三维点云数据，提取堆土点云数据，导入Geomagic Spark软件进行封装，生成堆土网格模型。计算堆土网格模型的体积即可得到堆土的测量体积。

2.4 水土保持监测数据的处理

2.4.1 防治情况的监测

三维点云模型可真实地反映工程施工本来面貌，且客观再现了地物地结构、外观、高度等属性，该点状工程的进展和水土保持防治大致情况可通过三维模型直接展现。

2.4.2 地物面积的读取

依据水土保持监测需求，利用Context Capture Viewer软件的测量工具在三维模型中选取待测区域，即可完成对施工占地总面积、扰动地表面积和临时堆土场面积的快速提取。

2.4.3 堆土模型体积的计算

利用Geomagic Spark软件，在堆土网格模型中建立一个基础水平平面，使水平面与堆土网格模型底面重合，即可快速生成堆土模型的体积。

无人机低空遥感地物面积如表1所示。

3 精度分析

为了检验无人机遥感影像测量的精度，本文根据实际需求，在之前数据的基础上测量了该点状工程中几处相对规则物体的面积和建筑物的体积，并实地勘测精准测量这些地物的面积与体积，进行对比分析后最终结果如表2所示。遥感测量体积精度检验如表3所示。

相对误差为测量所造成的绝对误差与被测量真值之比乘以100%所得的数值，在此认为实地测量值为真值，即δ1=△1/L1×100%，δ2=△2/L2×100%。可见，本次无人机遥感测量地物体积的相对误差平均值为3.56%，测量地物面积的相对误差平均值为3.05%，均可满足水土保持监测需求。

4 总结

本文通过工程实例，利用无人机遥感技术对一点状工程进行水土保持监测，该技术全面地反应了施工过程中的水土保持情况，而且能够高效率、高精度地提取工程总占地面积、扰动地表面积、临时堆土场面积和堆土体积等重要水土保持数据，大大降低了点状工程水土保持监测的人工成本与工作量。

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