閻世煜， 王秀茹?， 王 霄， 韓曉亮

(1.北京林業(yè)大學水土保持學院，100083，北京; 2.河北省保定市一中577班，071000，河北保定)

生產建設項目水土保持監(jiān)測是準確及時地反映項目區(qū)內水土流失狀況的一項工作，對水土流失綜合治理以及科學合理地布設水土保持措施具有重要意義[1-2]。棄土場面積和棄土量的監(jiān)測是生產建設項目水土保持監(jiān)測工作中的重要內容[3]。傳統(tǒng)方法基于全站儀或其他測量儀器進行面積測算，誤差約為5%[4]；使用等高線法進行棄土量的計算，誤差約為6%[5]。無人機遙感技術為棄土場監(jiān)測提供了新的技術手段[6]；但目前市場上有諸多無人機遙感數(shù)據(jù)處理軟件，基于這些軟件可以構建不同的無人機遙感數(shù)據(jù)處理模型，其計算精度存在差異，并且建模和使用成本差別較大，因此有必要對模型的精度和實用性進行比較分析，進而為推薦適宜在生產建設項目中推廣使用的模型提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

引黃入冀補淀工程的主輸水線路總長482 km，自河南省濮陽市渠村引黃閘引水，途經河南省濮陽市、河北省邯鄲市、邢臺市、衡水市、滄州市、保定市最終進入白洋淀[7]。本研究選取河南省濮陽市內的5個平地棄土場為研究對象，棄土場的位置及輸水線路如圖1所示。

圖1 濮陽市內5個棄土場位置圖Fig.1 Location map of 5 disposal grounds in Puyang city

研究區(qū)位于華北平原，黃河下游北岸，地貌類型為平原，氣候屬暖溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫13.4 ℃，年均降水量626 mm。研究區(qū)內土壤成土母質主要是黃河沖積物，土壤可蝕性較高，屬于河南省水土流失重點預防區(qū)，土壤侵蝕類型主要是水力侵蝕，容許土壤流失量為200 t/(km2·a)，土壤侵蝕強度屬微度。

2 材料與方法

2.1 獲取無人機遙感數(shù)據(jù)

本研究選取了渠首段1號棄土場，河南一標段2號、3號、4號棄土場，河南二標段2號棄土場為研究對象，并依次編號為1、2、3、4和5棄土場，它們位置相近、自然條件基本相同，并且在棄土前均為平地。無人機為大疆精靈4，搭載FC330鏡頭，符合《無人機航攝系統(tǒng)技術要求》中的相關規(guī)定。

依據(jù)航空攝影技術規(guī)范：航向重疊度不低于53%，一般應為60%～65%；旁向重疊度不低于13%，一般要求為30%～35%。本研究中設置航高為100 m，航向重疊度為80%，旁向重疊度為40%，采用“Z”字型航線，拍攝正攝影像，得到分辨率為5 472×3 078的無人機遙感數(shù)據(jù)。

如圖2所示，采用光盤作為標記，在每個棄土場布設控制點和檢查點。

使用差分式GPS采集地面控制點和檢查點的經緯度及高程數(shù)據(jù)，控制點精度符合《低空數(shù)字航空攝影測量外業(yè)規(guī)范》中的相關規(guī)定。航圖獲取情況見表1。

圖2 棄土場上的控制點和檢查點Fig.2 Control point and checkpoint on the disposal ground

表1 航圖獲取情況Tab.1 Acquisition of aeronautical chart

2.2 構建數(shù)據(jù)處理模型

2.2.1 理論基礎 本研究在試用和篩選多種相關軟件后，采用PhotoScan和Pix4D對無人機遙感數(shù)據(jù)進行初步處理，得到棄土場的DOM和DSM影像，采用Global Mapper、LocaSpaceViewer和Context Capture對DOM和DSM影像進行提取信息，得到棄土場的面積和棄土量[8]。軟件特點詳見表2。

2.2.2 模型構建 基于以上理論基礎，構建出Pho-Glo、 Pho-Loc、 Pho-Con、 Pix-Glo、 Pix-Loc和Pix-Con 6組數(shù)據(jù)處理模型[9]。構建過程如圖3所示。

2.2.3 數(shù)據(jù)處理 將無人機航拍獲取的原始影像代入模型，在影像中找到控制點，輸入GPS記錄的控制點實際經緯度及高程[10]，即可進行初步處理，得到棄土場的DOM和DSM影像。將DOM影像和DSM影像疊加進行信息提取，通過DOM影像判斷棄土場邊界并進行勾畫，利用數(shù)據(jù)處理模型即可提取出每個棄土場的面積和棄土量。

2.3 精度分析

2.3.1 DOM影像精度分析 DOM影像是計算棄土場面積、棄土量時的背景參考影像，這里采用外業(yè)實際檢測的方法進行精度分析[11]。在拼接成的DOM影像上找到檢查點，讀取、記錄它的經緯度，作為其影像值，把GPS實測檢查點的經緯度作為其實測值，代入以下公式進行計算：

(1)

(2)

(3)

表2 軟件特點對比Tab.2 Comparison of the software characteristics

Pho-Glo model refers to UAV remote sensing data processed by PhotoScan and area and volume extracted by Global Mapper, Pix-Glo model correspondingly refers to Pix4D and Global Mapper, Pho-Loc model correspondingly refers to PhotoScan and LocaSpace Viewer, Pix-Loc model correspondingly refers to Pix4D and LocaSpace Viewer, Pho-Con model correspondingly refers to PhotoScan and Context Capture, Pix-Con model correspondingly refers to Pix4D and Context Capture. The same below.圖3 無人機遙感數(shù)據(jù)模型精度分析流程圖Fig.3 Framework of the accuracy analyses of UAV remote sensing data models

式中：Xi,Yi為檢查點影像坐標，cm；Xi0,Yi0為檢查點的實測坐標，cm；mx為X方向的精度，my為Y方向的精度，cm；mxy為影像的平面位置精度，cm；n為檢查點個數(shù)。

2.3.2 棄土場面積、棄土量計算精度分析 6組模型計算面積的原理都是通過地物的地理位置信息確定兩點之間的距離，再把需要量測的區(qū)域概化為多邊形來計算面積；計算棄土量的原理是基于DOM和DSM影像將棄土場的表面概化成三角形(圖4)。通過下式計算若干個三棱柱的體積(圖5)并求和，從而得到棄土量[12]，

Vi=Si(h1+h2+h3)/3；

(4)

(5)

(6)

式中：Vi為每個三棱柱的體積，m3；Si為棄土場被劃分成n個三棱柱后每個三棱柱的底面面積，m2；h1、h2和h3為三棱柱底面到各頂點的高，m；S0為棄土場的面積，m2；V0為棄土量，m3。

圖4 棄土場表面概化為三角形Fig.4 The surface of disposal ground is generalized to triangle

圖5 計算三棱柱體積示意圖Fig.5 Calculation of the tri-prism volume

在計算棄土量時，不同數(shù)據(jù)處理模型將棄土場劃分為三棱柱的密度不同，因此得到的結果也不同。本研究分別采用6組無人機遙感數(shù)據(jù)處理模型對5個棄土場的面積和棄土量進行計算，以施工單位計量值為基準值，分析每組模型計算結果的誤差，得出精度最高的模型。之后使用R語言進行t值檢驗，可進一步分析得出構建模型過程中使用的每個軟件精度情況。

3 結果分析

本次航拍5個棄土場得到的所有DOM影像精度達0.05 m，DSM影像精度達0.20 m，滿足無人機在水土保持監(jiān)測中應用的要求，模型計算棄土場面積結果如表3所示，計算棄土場棄土量的結果如表4所示。

3.1 DOM、DSM影像精度分析

對比5個棄土場的DSM影像可以發(fā)現(xiàn)：2和5棄土場高程變化最小，棄土場內高差僅為2 m，使用PhotoScan和Pix4D得到的影像也最接近；1、3和4棄土場高程變化大，不同軟件得到的DSM影像差別也大，說明棄土場高程變化越大，使用不同軟件得到的DSM影像差別也越大。棄土場影像特征詳見表5。

采用外業(yè)實際檢測的方法對DOM影像進行精度分析，計算各個DOM影像中3個檢查點的誤差均值如圖6所示，并計算所有DOM影像中檢查點誤差的箱線圖(圖7)。

從箱線圖中可以看出，Pix4D處理得到的DOM影像誤差低于PhotoScan產生的誤差，這一結果和柱狀圖中表現(xiàn)出的信息相吻合。

參考《1∶500 1∶1 000 1∶2 000 地形圖航空攝影測量數(shù)字化測圖規(guī)范》中的規(guī)定，在平地和丘陵地中，地物點的位置誤差不能超過0.6 m。計算每個棄土場中3個檢查點的誤差均值，并將其作為該棄土場的位置誤差?？梢钥闯?，PhotoScan和Pix4D處理得到的DOM影像精度均符合相關規(guī)范中的要求。

3.2 棄土場面積計算結果

基于表3的計算結果做出箱線圖如圖8所示。

計算棄土場面積精度最高的模型為Pix-Con，誤差為1.23%，精度最低的模型為Pho-Glo，誤差為5.57%；使用Pix4D進行初步處理的模型誤差較小，并且誤差分布較為集中，計算結果較為穩(wěn)定;使用PhotoScan進行初步處理的模型誤差較大，且分布較為離散，計算結果不穩(wěn)定。

基于R語言對誤差進行t值檢驗。針對初步處理時使用的PhotoScan和Pix4D 2款軟件產生的誤差進行分析，經計算得到，二者產生誤差的均值分別為1.82%和5.15%，并且2組數(shù)據(jù)差異顯著(P<0.05)；因此Pix4D軟件產生的誤差顯著低于PhotoScan產生的誤差。

同理，針對數(shù)據(jù)處理模型中用以提取信息的Global Mapper、 LocaSpace Viewer、 Context Capture 3款軟件產生的誤差進行分析。計算得到三者產生的誤差均值分別為3.37%、4.05%和3.03%，對這3組數(shù)據(jù)兩兩進行t值檢驗，結果表明每2組數(shù)據(jù)之間差異均不顯著(P>0.05)，因此不能判定3種軟件在計算面積時精度有顯著不同。

3.3 棄土場棄土量計算結果

基于表4的計算結果做出箱線圖如圖9所示。

基于R語言對棄土量誤差進行t值檢驗，原理、過程同3.2，結果如下：PhotoScan和Pix4D產生的誤差分別為5.07%和8.03%，P<0.05，說明用數(shù)據(jù)處理模型計算棄土量時，使用Pix4D的模型精度顯著高于使用PhotoScan的模型。Global Mapper、LocaSpace Viewer和Context Capture產生的誤差分別為7.4%、8.4%和3.86%，對3組數(shù)據(jù)兩兩進行t值

表3 棄土場面積計算結果Tab.3 Calculated results of the disposal grounds’ areas

表4 棄土場棄土量計算結果Tab.4 Calculated results of the disposal grounds’ volumes

表5 棄土場影像特征Tab.5 Image characteristics of each disposal ground

圖6 檢查點誤差均值圖Fig.6 Map of mean error in checkpoints

圖7 檢查點誤差箱線圖Fig.7 Box plot of error in checkpoints

檢驗，使用Global Mapper的模型和使用LocaSpace Viewer的模型計算棄土量的精度沒有顯著區(qū)別，使用Context Capture的模型計算棄土量的精度顯著高于其他模型。

4 討論

1)在計算面積時，使用Pix4D的模型精度顯著高于使用PhotoScan的模型；但是Global Mapper、 LocaSpace Viewer、 Context Capture三者提取信息的差別不顯著。這是因為誤差主要來源于初步處理這一步驟，在獲取DOM和DSM影像后，提取面積的技術已經較為成熟，因此提取信息時使用的3款軟件并沒有表現(xiàn)出顯著差異。

2)在計算棄土量時，使用Pix4D的模型精度顯著高于使用PhotoScan的模型，這是因為Pix4D得到的影像精度較高、畸變較小；而Context Capture提取信息的精度也顯著高于Global Mapper和LocaSpace Viewer，這是因為通過DSM影像計算棄土量的技術尚未足夠成熟，不同模型提取信息的差別顯著。

3)采用不同模型處理得到的1、3和4號棄土場DSM影像高程差別較大，但在這種差別下最終計算結果也較為準確。這是因為無人機成像的特點是相對誤差較小、絕對誤差較大[13]，這種誤差相當于棄土場整體在空間中傾斜，因此對棄土量計算結果影響較小。

4)PhotoScan對拍攝區(qū)域的水面處理更準確，得到的DSM影像與實際情況更相符。

圖8 6組模型面積計算誤差對比Fig.8 Area calculation error by the 6 models

圖9 6組模型棄土量計算誤差對比Fig.9 Volume calculation error by the 6 models

5)由于本研究中采用單“Z”字型航線拍攝項目區(qū)，當項目區(qū)內高差較大時，主航線兩側高程將會呈現(xiàn)從一側向另一側逐漸增大或減小的趨勢，如果采用雙“Z”字型航線，即可消除這種誤差。

6)前人在2個棄土場基礎上，利用微分法估算棄土量，以施工單位計量值為參考值計算誤差，得到棄土量誤差分別為10%和7.5%[14]。本研究通過構建無人機遙感數(shù)據(jù)處理模型，可以更準確地計算棄土場的棄土量，控制誤差在3%左右。

7)由于棄土場的空間尺度較為特殊，介于坡面尺度和流域尺度之間，因此傳統(tǒng)的地面觀測不是監(jiān)測棄土場面積及棄土量的最佳方法。無人機遙感技術相比于傳統(tǒng)地面監(jiān)測具有準確、快捷、高效等優(yōu)勢，又能彌補傳統(tǒng)遙感監(jiān)測中高分影像成本過高且難以在第一時間獲取所需影像的缺陷[15-16]；因此，將無人機應用在棄土場監(jiān)測中，可以快捷地獲取棄土場高精度的遙感數(shù)據(jù)[17-18]，進而應用數(shù)據(jù)處理模型，準確地得到棄土場的面積、棄土量[19-20]。

5 結論

1)采用無人機數(shù)據(jù)處理模型計算棄土場的面積、棄土量時，Pix-Con模型的計算結果精度最高。

2)如實際工作中只需獲取項目區(qū)的DOM和DSM影像，則使用Pix4D得到的影像精度最高；但項目區(qū)內如有坑塘等水域，使用PhotoScan得到的DOM和DSM影像精度最高。

3)如已經獲取了項目區(qū)的DOM和DSM影像，只需計算棄土場的面積和棄土量，則使用Context Capture 得到的結果精度最高。

4)參考目前國內市場價格，構建文中的6組數(shù)據(jù)處理模型：Pho-Glo、 Pix-Glo、 Pho-Loc、 Pix- Loc、 Pho-Con和 Pix-Con，費用分別為2.3萬、8萬、2.3萬、8萬、29.3萬和35萬元。Pix-Con模型雖然價格最高，但計算結果的精度也最高，并且其很多功能本研究并未使用，其應用潛力較大；因此推薦該模型在生產建設項目中推廣使用。