无人机遥感技术在水土保持监测中的应用_王武修.pdf

116 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 （第 51 卷）H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y （T o t a l N o.51）无人机遥感技术在水土保持监测中的应用王武修，吴双阳，刘 莹(黑龙江大学 水利电力学院，哈尔滨 150080)摘 要：随着国家经济的飞速发展，传统方式已难以满足日益严格的水土保持监管要求。以惠民段河道治理工程为例，引入无人机垂直摄影和倾斜摄影测量技术，对项目区的两个地块和一处堆土区进行拍摄，利用AgisoftmetashapeProfessional、ContextCaptureMaster 等软件生成项目区正射影像以及三维模型。结果表明，利用无人机遥感技术可获取项目区扰动土地面积及堆土土方量等数据，并且监测精度符合水土保持监测要求，在水土保持监测中无人机遥感技术发挥了重要作用，为水土保持监管提供重要技术支撑。关键词：无人机；遥感技术；水土保持监测中图分类号：S157；TP79文献标识码：BApplication of UAV Remote Sensing Technology in Soil and WaterConservation MonitoringWangWuxiu;WuShuangyang;andLiuYing(Water Conservancy and Hydropower Institute of Heilongjiang University,Harbin 150080,China)Abstract：Withtherapiddevelopmentofnationaleconomy,itisdifficultfortraditionalmethodstomeettheincreasinglystrictsupervisionrequirementsofsoilandwaterconservation.TakingtheHuiminSectionriverchannelregulationprojectasanexample,UAVverticalphotographyandtiltphotographytechnologywereintroducedtophotographtwoplotsandasoilpileareaintheprojectarea.AgisoftmetashapeProfessional,ContextCaptureMasterandothersoftwarewereusedtogenerateorthophotoimagesand3Dmodelsoftheprojectarea.TheresultsshowthatUAVremotesensingtechnologycanbeusedtoobtainthedataofdisturbedlandareaandpilesoilvolumeintheprojectarea,andthemonitoringaccuracymeetstherequirementsofsoilandwaterconservationmonitoring.Unmannedaerialvehicleremotesensingtechnologyplaysanimportantroleinsoilandwaterconservationmonitoring,providingimportanttechnicalsupportforsoilandwaterconservationsupervision.Key words：unmannedaerialvehicle;remotetechnique;soilandwaterconservationmonitoring近年来，受到环境和人为损害等方面的干扰，水土流失问题越来越严峻，水土保持监测成为水土流失方面的重点研究工作，将受到极大的考验。通过无人机遥感技术，可以快速准确的进行水土保持监收稿日期2022-03-10项目基金大学生创新创业训练项目（2022110）作者简介 王武修（1997-），男，黑龙江齐齐哈尔人，硕士研究生，研究方向为农业水土资源与环境；吴双阳（2003-），男，黑龙江绥化人，本科，水利水电工程专业；刘莹（1980-），女，黑龙江哈尔滨人，副教授。文章编号:1007-7596（2023）05-0001-04DOI:10.14122/ki.hskj.2023.05.023 117 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 （第 51 卷）H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y （T o t a l N o.51）测，并获得有效的数据。无人机遥感技术不仅不受任何地形影响，而且无人机在空中作业时灵活自如，使我们能够更加精准和高效地获取水土保持监测的重要信息，为水土保持监测工作带来诸多便利1-2。1 无人机摄影工作处理流程水土保持监测数据测量的无人机摄影工作流程，无人机摄影工作流程，见图 1。首先，对无人机飞行前资料进行收集、阅读与整理。其次，做好无人机飞行前设备准备工作，根据研究区的实际情况设计航拍路线，操控无人机进行航拍。再次，对航拍获取的遥感图像进行数据处理与精度检验。最后，通过数字正射影像与三维模型获取水土保持监测数据，并与实际值进行精度检验。图 1 无人机摄影工作流程2 工程实例2.1 研究区概况惠民县地处黄河三角洲腹地，位于山东省济南市东北 120km，北与阳信县接壤，东邻滨州市滨城区，南隔黄河与高青县、邹平县相望，西与商河县、济阳县交界。研究区地形地貌复杂多样，土壤类型主要分为潮土、盐土和风沙土，气候类型为温带季风性气候，冬季空气寒冷，夏季亚热带太平洋暖气团势力增强，冷暖气团交绥机会较多，雨水集中。多年平均年降水量 564mm，集中在 69 月份。年平均气温 12.70，极值低温-22.20，极值高温 45.80，多年平均无霜期210d，最长 240d，最短 180d。研究区水土流失类型主要是沙质土壤的风蚀，研究区造成水土流失的主要原因是黄河泛滥所造成的冲击、植被覆盖率低以及人们过度开发土地。2.2 数据采集由于惠民县段河道治理工程为线状工程，占地面积较大，本次航拍选择该项目的典型区域3，将对两个地块和一个堆土区作为研究对象，在天气较好的情况下进项航拍，航拍采用的设备为大疆“御”Mavic2 无人机。无人机：本研究采用大疆“御”Mavic2 无人机，搭载1/2英寸影像传感器，可拍摄4800万像素照片及4K/60fps视频，图传远达10km，更有焦点跟随、8K移动延时摄影等功能。大疆“御”Mavic2无人机参数，见表 1。表 1 大疆“御”Mavic2 无人机参数参数名称参数起飞重量907g最大上升速度5m/s(S 模式)4m/s(P 模式)最大下升速度3m/s(S 模式)3m/s(P 模式)最大水平飞行速度15m/s(S 模式)最大飞行海拔高度6000m飞行时间38min卫星定位模块GPS/GLONASS 双模影像传感器4/3CMOS；有效像素 2000 万ISO 范围视频：1006400；照片：1003200（自动）10012800（手动）电子快门速度电子快门：81/8000s照片最大分辨率547236482.3 数据处理无人机遥感影像后处理软件为 ContextCaptureMaster，水土保持监测内容提取软件为 ContextCaptureViewer、GeomagicSpark。2.4 水土保持监测内容提取根据生产建设项目水土保持监测规程（试行），本项目水土保持监测内容包括扰动土地情况监测、取土（石、料）弃土（石、渣）监测2。118 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 （第 51 卷）H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y （T o t a l N o.51）水土保持监测内容和提取方法，见表 2。表 2 水土保持监测内容和提取方法检测项目检测内容提取方法扰动土地情况监测扰动土地面积利用ContextCaptureViewer软件的测量工具在三维模型中选取待测区域，即可完成对扰动地表面积快速提取1。取土（石、料）弃土（石、渣）监测堆土方量利用 GeomagicSpark 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1。3 精度分析为了检验无人机遥感影像的精度，文章根据项目区实际情况，在已有的数据基础上，通过无人机遥感生成的数字正射影像、倾斜影像和三维模型进行水土保持监测数据获取。3.1 扰动土地面积的测定通过正射影像和倾斜影像分别获取了地块 A、地块 B 和临时堆土区的扰动土地面积，并与实地测量面积对比。可见，垂直影像测量地物面积的相对误差分别为 2.1%、1.9%、2.5%，倾斜影像测量地物面积的相对误差平均值分别为 1.94%、1.62%、1.6%，均可满足水土保持监测需求。垂直影像测量面积精度检验表，见表 3；倾斜影像测量面积精度检验表，见表 4。表 3 垂直影像测量面积精度检验表测量对象测量面积/m2实地测量面积/m2相对误差/%地块 A11210114502.1地块 B936595451.9临时堆土区485049752.5表 4 倾斜影像测量面积精度检验表测量对象测量面积/m2实地测量面积/m2相对误差/%相对误差平均值地块 A11200114502.11.94%面积 1234524801.5面积 2197920211.5面积 3115011042.4面积 4472346202.2地块 B967595451.41.62%面积 1193119631.6面积 2155215852.1面积 310139941.9面积 4402939851.1临时堆土区521050752.71.6%面积 19879910.4面积 26456571.8面积 35605452.8面积 4240323860.7.3.2 临时堆土区土方量的测定本研究用两种摄影方式：垂直摄影和倾斜摄影来制作堆土区的三维模型，可以通过 Acute3DViewer 可直接测量堆土区的土方量。土方量测量值实际值对比，见表 5。表 5 土方量测量值实际值对比模型类型测量土方量/m3实际土方量/m3相对误差/%垂直摄影模型729047.42 万1.8倾斜摄影模型863588.74 万1.2根据堆土区的形状特征，传统的测量方法已不（下转第 171 页）171 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 （第 51 卷）H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y （T o t a l N o.51）参考文献：1 叶东升，章敏，范北林.桥墩设计原理与实践 M.郑州:黄河水利出版社,2004:56-60.2 梁小刚.关于桥梁壅水计算中几种经验公式应用的探讨 J.治淮,2011(11):73-75.3 陈晨，许珊珊.基于 MIKE11 模型的昆山市张浦镇张西联圩水系活水畅流方案研究 J.黑龙江水利科技，2022(01):126-129.4 冯金鹏，王凯，张利.MIKE11 模型的北沙河河道防洪能力评估研究 J.水土保持应用技术，2018(02):35-37.5 任梅芳，徐宗学，苏广新.基于二维水动力模型与经验公式的桥梁壅水计算及其对比分析 J.水力发电学报，2021(06):78-87.6 安莉莉.基于HEC-RAS 和 MIKE11 的水面线对比分析 J.人民黄河，2021(06):11-13.7 王 刚，朱 亚 峰，王 贺 然，等.北 京 市 凉 水 河 干流两座阻水桥梁防洪影响分析 J.中国防汛抗旱,2021(05):149-154.8 陈璇，杨根林，杨红卫.基于 MIKE11 模型的秦淮河流域洪水调度方案 J.水电能源科学，2019(01):70-73.9 李彬.几种特殊情况的桥梁阻水比探讨J.人民珠江,2016(12):82-86.能满足要求，因此，我们采用了更加精确的三维模型来进行测量。经计算，由垂直影像生成的三维模型土方量为 72904m3与实际值相差 1301m3，相对误差值为 1.8%，而倾斜影像生成的三维模型土方量为 86358m3与实际值相差 1062m3，相对误差值为 1.2%。垂直摄影生成的三维模型土方量的准确度要低于倾斜摄影，但倾斜摄影与垂直摄影相比，倾斜摄影的路线规划更为复杂，在拍摄时间与生成数据时间上更为耗时。经比较，两种模型的准确性均满足水土保持监测需求，所以，在实际水土保持监测中，它们都可以有效地用来测算堆土区土方量，从而更好地保护水土资源。4 结 论文章通过工程实例，利用无人机遥感技术对项目区进行水土保持监测4，得到地块 A、地块 B 及临时堆土区的数字正射影像和三维模型，通过正射影像可以有效提取出各个地块的扰动面积，与实际值对比，精度满足水土保持监测需求。基于垂直摄影生成的三维模型土方量相对误差为 1.8%，倾斜摄影生成的三维模型土方量相对误差为 1.2%，两种模型都达到了监测规程要求，证明了无人机遥感技术在水土保持监测中应用的可行性与便利性。参考文献：1 刘越,万程辉,陈玲玲,等.无人机遥感技术在水土保持监测中的应用J.科技与创新,2021,(12):160-161.2 杨晓娟,宋振振,李飞,等.无人机遥感技术在线型工程水土保持监测中的应用J.安徽农业科学,2020,48(19):222-226.3 张雅文,许文盛,韩培,等.无人机遥感技术在生产建设项目水土保持监测中的应用以鄂北水资源配置工程为例J.中国水土保持科学,2017,15(02):132-139.4 何艳丽.无人机遥感技术在水土保持监测中的应用J.低碳世界,2020,10(07):37-38.5 胡云华,许海超,曲双锋,等.倾斜摄影测量技术在生产建设项目水土保持监管中的应用J.水土保持研究,2022,29(06):438-443.6 李凯嘉.无人机遥感在获取水土保持监测数据中的应用J.中国新技术新产品,2022(13):7-9.7 陈淼鑫,袁树才,孙雨.无人机航空摄影测量在土方平衡中的应用J.测绘与空间地理信息,2017,40(12):177-179，182.8 林成行,朱首军,周涛,等.基于无人机遥感技术的 水 土 保 持 植 被 恢 复 率 提 取 J .水 土 保 持 研究,2018,25(06):211-215.9 张华.无人机航空摄影技术在土地整治监测中的应用J.资源信息与工程,2018,33(03):112-113，115.10 刘永健.无人机遥感技术在辽河流域水土保持监测中的应用J.海河水利,2021(03):117-119.11 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