無人機遙感在開發(fā)建設項目水土保持監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取中的應用

石大娟

(安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局325地質(zhì)隊,安徽 淮北 235000)

0 引言

社會經(jīng)濟水平的不斷提高在一定程度上促進了基礎設施的大量興建,這些基礎設施建設活動不可避免地對場區(qū)環(huán)境和周邊地形、地貌、土壤和植被造成損毀,而且有些損毀具有不可修復性,在受到降雨和人為擾動等各種外在營力作用下發(fā)生水土流失、土壤侵蝕現(xiàn)象,給當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境造成危害,甚至引發(fā)一系列的地質(zhì)災害和極端生態(tài)事故[1]。因此,為了快速有效地對開發(fā)建設項目的水土保持數(shù)據(jù)進行監(jiān)測是防范水土流失、提高水體保持監(jiān)督管理能力的先決條件,傳統(tǒng)的地面監(jiān)測和調(diào)查監(jiān)測具有效率低、采集時間長、進度差、投入人力物力大、不適合劇烈變化地形條件等缺點,極大地限制了水土保持監(jiān)測技術的發(fā)展,而無人機遙感技術則可以高效便捷地獲取大量的高分辨率遙感影像,并可以獲取不同數(shù)據(jù)類型的影像信息,應用于水土保持工作中具有明顯效果和優(yōu)勢[2]。

1 工程概況

某地區(qū)隨著城市基礎設施建設的不斷開發(fā),生產(chǎn)建設項目具有數(shù)量多、分布廣、開發(fā)時間長等特點,基于傳統(tǒng)的測繪手段無法滿足高精度和高效率的水土保持監(jiān)測要求,監(jiān)管難度較大。無人機技術則具有成本低、效率高、技術相對成熟、不受地形限制、空域限制小、分辨率高等優(yōu)點,在空中采集地表水土保持監(jiān)測數(shù)據(jù)具有明顯優(yōu)勢,因此借助無人機遙感技術對轄區(qū)內(nèi)的開發(fā)建設項目進行快速監(jiān)測、長期監(jiān)測成為有效的測繪解決手段[3]。

2 基于無人機遙感技術的開發(fā)建設項目水

土保持監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取過程在開發(fā)建設項目水土保持監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取過程中,采取的無人機遙感系統(tǒng)主要有4個部分組成,分別為無人機航拍獲取平臺、數(shù)據(jù)信息傳輸系統(tǒng)、地面監(jiān)測和接收裝置、飛行控制和任務執(zhí)行系統(tǒng),其中,無人機航拍獲取平臺為無人機飛行器本體、攝像裝置、動力驅(qū)動裝置等,根據(jù)任務的不同可以搭載CCD數(shù)碼攝像機、紅外線攝像機、合成孔徑雷達等,以獲取不同數(shù)據(jù)類型的遙感影像[4-5]。本文選取的無人機航拍飛行器為大疆精靈M300 RTK測繪專用無人飛行器,其長度×寬度×高度尺寸(展開)為81 cm×67 cm×43 cm,包含雙電池的空機重量為6.3 kg,最大載重為2.7 kg,最大水平飛行速度為23 m/s,最大飛行海拔高度為5 000m,最大可承受風速為15 m/s(7級風),最大飛行時間為55 min,垂直懸停精度誤差(P-GPS)小于10 cm,水平懸停精度誤差(P-GPS)小于15 cm。無人機航拍飛行器搭載的COMS影像傳感器,傳感器信號為賽爾PSDK102S,總像素大于1.2億像素點,有效像素為2 430像素點,單相機圖像分辨率為6 000像素點×4 000像素點,攝像機鏡頭數(shù)量為5個,鏡頭傾斜角度45°,最大俯仰軸旋轉(zhuǎn)角速度為300°/s,最大航向軸旋轉(zhuǎn)角度為100°/s,最大俯仰角度為30°,在S模式下,最大垂直上升速度為6 m/s,最大垂直下降速度為5 m/s,RTK位置精度為水平1 cm+1 ppm、垂直1.5 cm+1 ppm,數(shù)字信息傳輸系統(tǒng)是聯(lián)系無人機航拍獲取平臺與地面監(jiān)測和接收裝置的信息傳遞媒介,含有數(shù)據(jù)信息發(fā)射和接收裝置,可以采取的傳輸方式有短波數(shù)據(jù)鏈路、超短波數(shù)據(jù)鏈路和微波視距數(shù)據(jù)鏈路,聯(lián)合地面監(jiān)測和接收裝置可以實時查看無人機傳回的數(shù)據(jù)影響信息,數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)淖畲笥行Ь嚯x約4 000 m[6]。飛行控制和任務執(zhí)行系統(tǒng)主要為無人機的飛行提供定位控制和巡航導航,包括控制儀表、GPS定位系統(tǒng)、運動速度和加速度傳感器、環(huán)境氣壓及飛行高度傳感器等,飛行器定位系統(tǒng)GNSS GPS可有4個選項,分別為中國BeiDou,美國GPS,俄羅斯GLONASS和歐盟Galileo。結(jié)合無人機遙感技術,針對工程項目的實際情況對研究區(qū)內(nèi)的水土保持監(jiān)測指標及信息特征進行獲取,詳細的監(jiān)管指標及信息提取方法如圖1所示。

基于無人機遙感技術的開發(fā)建設項目水土保持監(jiān)測數(shù)據(jù)采集分為資料收集與預處理、無人機攝影測量和合規(guī)性詳查3個階段。在資料收集與預處理階段,主要是根據(jù)收集到的批復項目方案、特性表、防治范圍圖件、批復、評審記錄和高分正射遙感影響等進行空間矢量化,形成項目擾動范圍圖、防治責任圖、水體流失防治分區(qū)圖、水土保持措施布局圖。隨后進入無人機攝影測量階段,根據(jù)預處理成果展開合規(guī)性預判,制定無人機航飛方案,并展開現(xiàn)場航飛和航拍數(shù)據(jù)處理,利用建模行間,形成現(xiàn)場高精度數(shù)值正射影像模型(DOM)、數(shù)字表面模型(DSM)、數(shù)字高程模型(DEM)和實景三維模型等。

為了提高無人機遙感技術的測試精度和測試速度,在測繪時對各個設備進行了校準操作,在地表平面不同位置布置靶標球,球的間隔為30～50 m一個。無人機遙感技術測繪前,對現(xiàn)場地形進行踏勘,在根據(jù)現(xiàn)場踏勘情況設計無人機航拍獲取平臺的飛行航線,隨后架設基站、地面監(jiān)測和接收裝置、安裝設備,開啟無人機,待其進入采集航線時,打開無人機航拍COMS影像傳感器和GPS定位系統(tǒng),點擊“開始采集”對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行采集,結(jié)束采集后,點擊“結(jié)束采集”關閉影像采集,將收集到的數(shù)據(jù)進行格式轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)預處理。按照坡度變化的濾波算法,對影像數(shù)據(jù)采集過程中的噪聲點、離群點進行濾除,其濾波的基本原理是按照高程坡度變化去頂最優(yōu)濾波函數(shù),即給定兩點的高程,如果其高程差超出地面或者水面,對其進行濾除,濾波的約束函數(shù)如公式(1)所示[7]。

hpi-hpj>Δhmax(d(pi,pj))

(1)

式中:hpi為影像圖中第i個點的高程,m;hpj為影像圖中第j個點的高程,m;△hmax(d(pi,pj))為第i個點與第j個點的高程差閾值,m。

根據(jù)閾值的置信區(qū)間,確定無人機遙感技術的影像圖濾波函數(shù)如公式(2)所示[8]。

Δhmax(d(pi,pj))=cd+f(pi,pj,a)

(2)

式中:d為第i個點與第j個點的距離,m;c為第i個點與第j個點的坡度,度;a為顯著水平;f (pi,pj,a)為改正函數(shù)。

濾波后的影像圖數(shù)據(jù)集符合公式(3)。

B={pi∈A∣?pi∈A:hpi-hpj≤Δhmax(d(pi,pj))}

(3)

式中:B為影像圖濾波后的集合;A為影像圖原始數(shù)據(jù)集合。

3 基于無人機遙感技術的開發(fā)建設項目水

土保持監(jiān)測數(shù)據(jù)分析為了分析無人機遙感技術數(shù)據(jù)的精度,對開發(fā)建設項目地形數(shù)據(jù)進行測量中誤差計算,其計算方法如公式(4)所示。

(4)

式中:δ為數(shù)據(jù)高程模型中誤差;n為數(shù)據(jù)樣本總量;Zi為檢查點的高程,m;Ri為數(shù)據(jù)高程模型內(nèi)插點高程,m。

對開發(fā)建設項目地形三維數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)點進行中誤差分析,按照現(xiàn)場地形高程差0～10 m、10～14 m、14～18 m和>18 m進行數(shù)據(jù)分級,每級數(shù)據(jù)抽取500個數(shù)據(jù)樣本點,其中誤差計算結(jié)果如圖2和表1所示。從圖2中可以看出,不同高程范圍的三維數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)中誤差呈現(xiàn)不同程度的波動,除了個別數(shù)據(jù)點的中誤差出現(xiàn)劇烈波動外,各個高程范圍的三維數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)中誤差均有一個穩(wěn)定的波動范圍,并隨著高程差的不斷減小,其中誤差也不斷減小。在高程差≥18m時,其中誤差平均值為108.74 mm,而在高程差范圍為14～18 m時,其中誤差平均值為100.11 mm,在高程差范圍為10～14 m時,其中誤差平均值為88.86 mm,在高程差為0～14 m時,其中誤差平均值為84.74 mm。

表1 基于無人機遙感的三維數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)中誤差計算結(jié)果

圖2 不同高程差范圍的三維數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)中誤差計算曲線

對各個高程差范圍的三維數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)中誤差進行頻數(shù)統(tǒng)計,結(jié)果如圖3和表2所示。從圖3中可以看出,不同高程差的三維數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)中誤差的集中度存在顯著的不同,在高程差≥18 m時,其中誤差主要集中在110～120 mm,頻數(shù)為157,其次為100～110 mm,頻數(shù)為128;而在高程差范圍為14～18 m時,其中誤差主要集中在110～120 mm,頻數(shù)為268,其次為90～100 mm,頻數(shù)為162;在高程差范圍為10～14 m時,其中誤差主要集中在90～100 mm,頻數(shù)為225,其次為80～90 mm,頻數(shù)為223;在高程差小于10 m時,其中誤差主要集中在80～90 mm,頻數(shù)為326,其次為90～100 mm,頻數(shù)為92。

表2 基于無人機遙感的三維數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)中誤差頻數(shù)計算結(jié)果

圖3 不同高程差范圍的三維數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)中誤差頻數(shù)分布

為了驗證無人機遙感技術的測試精度,也采取了機載三維激光雷達掃描技術進行平行試驗,以機載三維激光雷達掃描技術測試成果為基準,將無人機遙感技術實測結(jié)果與之對比,計算平面誤差如表3所示。從表3中可以看出,基于無人機遙感技術的測繪成果精度較高,其平面誤差△xy控制在0.0285～0.143 m范圍內(nèi),遠小于0.250 m的規(guī)范控制要求。

表3 三維激光雷達掃描技術與水上多波束測量技術的地形測繪成果對比

4 結(jié)語

本文基于無人機遙感技術對研究區(qū)內(nèi)的開發(fā)建設項目進行監(jiān)測,并采用機載三維激光雷達掃描技術進行平行試驗,研究其監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取方法及監(jiān)測效果,得到以下幾個結(jié)論:

(1)不同高程范圍的三維數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)中誤差呈現(xiàn)不同程度的波動,除了個別數(shù)據(jù)點的中誤差出現(xiàn)劇烈波動外,各個高程范圍的三維數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)中誤差均有一個穩(wěn)定的波動范圍,并隨著高程差的不斷減小,其中誤差也不斷減小;

(2)不同高程差的三維數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)中誤差的集中度存在顯著的不同,在高程差≥18 m時,其中誤差主要集中在110～120 mm;在高程差范圍為14～18 m時,其中誤差主要集中在110～120 mm;在高程差范圍為10～14 m時,其中誤差主要集中在90～100 mm;在高程差小于10 m時,其中誤差主要集中在80～90 mm。

(3)無人機遙感技術的測繪成果精度較高,其平面誤差控制在0.028 5～0.143 m范圍內(nèi),遠小于0.250 m的規(guī)范控制要求。