董彥麗，楊世君，高鈺婷，李 景，馬 濤，劉原峰

(1.甘肅省水土保持科學(xué)研究所，甘肅 蘭州 730020；2.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

0 引 言

地貌形態(tài)是影響土壤侵蝕的一個關(guān)鍵因素，坡度、坡向等地形地貌特征的提取主要基于DEM[1-2]和遙感影像[3]。在大尺度區(qū)域進行地貌形態(tài)的分析研究多是基于航空影像，而針對小尺度區(qū)域的研究則越來越多地依靠無人機航測技術(shù)，其既可快速生產(chǎn)出高精度DEM和影像數(shù)據(jù)，又降低了外業(yè)勞動強度。無人機LiDAR系統(tǒng)是一種將無人機與LiDAR的優(yōu)勢相結(jié)合形成的無人機載LiDAR系統(tǒng)，能靈活起降、低空飛行及快速獲取數(shù)據(jù)，不受特殊地域限制，可同時穿透植被，獲得探測目標(biāo)的距離、坡度、粗糙度和反射率等高精度的三維坐標(biāo)點云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)[4-5]，真實地反映地表信息。近年來，國內(nèi)外研究者利用無人機LiDAR在各個領(lǐng)域做了很多相關(guān)研究，如利用該技術(shù)開展沙丘特征線自動提取的算法研發(fā)[6]，對采煤塌陷區(qū)進行立體監(jiān)測[5]，應(yīng)用無人機激光點云估測林木有效葉面積指數(shù)[7]、在潮間帶開展地形測量[8]等應(yīng)用研究。

在黃土丘陵溝壑區(qū)，坡度、坡向、坡位是影響土壤侵蝕的主要地形因子[9]，控制著坡面降雨徑流方向。淤地壩控制區(qū)是一個獨立的小流域，壩形態(tài)和土壤侵蝕類型都影響著溝道泥沙及水流走向。利用高精度DEM和影像數(shù)據(jù)提取小區(qū)域范圍內(nèi)的相關(guān)地貌參數(shù)，進行地貌的定量指標(biāo)分析和多維度、精細(xì)化、全方位的區(qū)域地貌特征分析，更好地服務(wù)于土壤侵蝕學(xué)科的精確化研究[1]。本研究針對黃土丘陵溝壑區(qū)淤地壩控制面積較小的區(qū)域，利用無人機LiDAR系統(tǒng)，獲取研究區(qū)三維點云數(shù)據(jù)和可見光影像數(shù)據(jù)，生成高分辨率DEM和DOM，分析地貌形態(tài)特征，劃分壩控流域侵蝕分區(qū)，以期為淤地壩壩控區(qū)水土流失監(jiān)測提供精確的數(shù)據(jù)支撐。

1 無人機激光雷達系統(tǒng)

無人機激光雷達系統(tǒng)主要配備激光掃描儀、高精度全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)&慣性測量單元(GNSS &IMU)和光學(xué)相機等載荷。激光掃描儀用于獲取地物的三維點云數(shù)據(jù)，高精度GNSS&IMU提供姿態(tài)和位置信息用來解算激光點三維位置，光學(xué)相機用于地物類型識別及結(jié)構(gòu)信息提取[10]。本研究使用TS-600無人機激光雷達系統(tǒng)獲取地面三維激光點云數(shù)據(jù)和可見光影像數(shù)據(jù)。TS-600飛行平臺參數(shù)如表1所示。RIEGL VUX-1LR激光掃描儀參數(shù)如表2所示。

表1 TS-600飛行平臺參數(shù)

表2 RIEGL VUX-1LR激光掃描儀技術(shù)參數(shù)

2 無人機激光雷達測量原理和方法

2.1 無人機激光雷達測量原理

無人機激光雷達系統(tǒng)可通過動態(tài)差分GPS接收機獲取激光發(fā)射瞬間的位置信息，根據(jù)IMU導(dǎo)航定位獲得飛行的姿態(tài)數(shù)據(jù)，以及通過激光掃描裝置記錄脈沖往返時間進而求解激光腳點至參考點間距。結(jié)合上述數(shù)據(jù)所在的坐標(biāo)系及對應(yīng)轉(zhuǎn)換關(guān)系，按照空間三角測量的原理，求出目標(biāo)點三維坐標(biāo)信息。

圖1中G點為激光掃描儀投影中心，位置信息由差分GPS提供；(ψ,ω,κ)為飛行姿態(tài)參數(shù)，分別代表俯仰、翻滾及偏航；M點為待求的目標(biāo)點位置，基于該圖進行目標(biāo)點位置解算的計算公式如下:

圖1 無人機激光雷達測量原理示意圖

(1)

式中,b=sinψcosωcosκ+cosωsinκ，將b帶入公式(1)即可獲取目標(biāo)點M點的三維信息[11]。

2.2 無人機激光雷達測量方法

無人機激光雷達系統(tǒng)外業(yè)實施過程包括作業(yè)前準(zhǔn)備階段和數(shù)據(jù)獲取階段，最后進行數(shù)據(jù)檢查匯總。詳細(xì)流程如圖2所示。

圖2 無人機激光雷達系統(tǒng)實施外業(yè)工作流程

2.2.1 無人機航線設(shè)計

激光雷達設(shè)置及航線設(shè)計在保證測程的基礎(chǔ)上盡量保證更高的點密度，由于張家新莊壩控區(qū)所在地形多為山區(qū)，高差較大，在設(shè)計航線時需考慮起飛位置高度、高差起伏等因素。此次飛行設(shè)計相對航高為300 m，飛行速度80 km/h，單條航帶點密度為9 pts/m2，相鄰航向和旁向重疊率在60%，保障最終無人機成果16 pts/m2的點密度，確保影像重疊率滿足后期DOM成果計算。

2.2.2 控制點布設(shè)

本次航攝時間是2020年1月，為保證無人機掃描點云成果與正射影像(DOM)成果統(tǒng)一在CGCS-2000坐標(biāo)系下，且具備較高精度，利用RTK對無人機靜態(tài)基站坐標(biāo)和影像控制點進行測量。流動站服務(wù)為千尋知寸，經(jīng)長時間收斂觀測，保證RTK精度控制在2 cm以內(nèi)?；炯茉O(shè)前，為保證數(shù)據(jù)絕對坐標(biāo)的準(zhǔn)確，提前獲取準(zhǔn)確的中心點坐標(biāo)及基站天線高，從而保障整體數(shù)據(jù)的水平和高程精度，基站采樣間隔設(shè)置在1 s以內(nèi)。為避免控制點被遮擋和信號被干擾，控制點布置在空曠平坦、無高大樹木的測區(qū)[12]。

3 應(yīng)用實例

3.1 研究區(qū)概況

張家新莊骨干壩壩控區(qū)位于渭源縣唐家河流域，唐家河是渭河的一級支流，呈現(xiàn)以黃土長梁為主，溝谷、臺地、塌坡兼有的地貌景觀。流域西北高、東南低，海拔高程在2 030～2 548 m之間，地形破碎，溝深坡陡。壩控區(qū)面積4.61 km2。唐家河屬中溫帶半濕潤向半干旱過渡區(qū)域，降水集中在7～9月，多年平均降水量525.7 mm。土壤主要有黃綿土、黑壚土及紅土。植被屬半干旱草原草場類，喬灌木有山楊、旱柳、沙棘、檸條等；草種有針茅，芨芨草等。

3.2 成果生成

3.2.1 DOM和DEM生成

利用RIEGL無人機雷達配套的RIPROCESS軟件對點云數(shù)據(jù)進行處理(圖3)，打開數(shù)據(jù)預(yù)先存儲的工程文件，導(dǎo)入預(yù)先解算好的軌跡數(shù)據(jù)成果，根據(jù)無人機飛行軌跡進行數(shù)據(jù)打斷，成果保存為一條直線航帶一條數(shù)據(jù)的形式。將打斷數(shù)據(jù)進行第一次數(shù)據(jù)解算，解算為以航帶為單位的可視化點云成果；根據(jù)解算數(shù)據(jù)結(jié)果進行航帶間數(shù)據(jù)平差，對x、y、z、roll、pitch、yaw 6個數(shù)值進行細(xì)微調(diào)整；對平差后數(shù)據(jù)進行第二次數(shù)據(jù)解算，反復(fù)進行平差、解算的步驟，使航帶平差中誤差在5 cm以內(nèi)；對平差后點云成果進行點云分類，根據(jù)分類結(jié)果，提取地面點云數(shù)據(jù)(圖4)，抽稀為不同精度點間距地面點，生成1 m分辨率DEM數(shù)據(jù)(圖5)。應(yīng)用Inpho UASMaster正射影像處理軟件，在EO文件的基礎(chǔ)上計算空中三角測量成果和編輯DTM，并根據(jù)外業(yè)像控點進行正射影像糾正和鑲嵌勻色，生成經(jīng)過正射校正，地理標(biāo)定和光色均衡的5 cm分辨率數(shù)字正射影像(DOM)(圖6)。

圖3 無人機掃描數(shù)據(jù)處理流程

圖4 無人機掃描點云數(shù)據(jù)圖

圖5 壩控區(qū)DEM

3.2.2 壩控區(qū)土壤侵蝕分區(qū)

利用GIS10.2.2，以DOM為底圖，通過目視解譯將壩控區(qū)劃分為梯田區(qū)、坡面侵蝕區(qū)和溝道侵蝕區(qū)三種類型侵蝕分區(qū)(圖7)，結(jié)果顯示，梯田區(qū)面積最多為2.48 km2，比例達到53.80%，高于坡面侵蝕區(qū)45.34%，高于溝道侵蝕區(qū)16.06%。坡面侵蝕區(qū)和溝道侵蝕區(qū)分布著黃土洞穴侵蝕、溝蝕、滑坡等多種侵蝕方式，是發(fā)生土壤侵蝕現(xiàn)象最多區(qū)域。壩控區(qū)陡坡、溝坡邊緣等是黃綿土分布區(qū)，成為黃土洞穴侵蝕主要形成區(qū)，從DOM圖可以清晰看到坡面侵蝕區(qū)分布著大大小小以漏斗狀和串珠狀陷穴為主的黃土洞穴(圖8a、圖8b)。溝道侵蝕區(qū)以溝蝕、滑坡為主，壩控區(qū)各級支溝多處在發(fā)育階段，發(fā)生暴雨產(chǎn)生溝蝕，使溝床下切、溝頭延伸，引發(fā)溝岸崩塌、滑坡，致使紅土裸露(圖8c)。

圖7 壩控區(qū)不同侵蝕分區(qū)圖

圖8 土壤侵蝕類型圖

3.2.3 地形因子提取

坡度是影響區(qū)域水土流失的主要地形因子，通過影響坡面滲透量與徑流量大小和水流速度，從而影響地表侵蝕方式，且對坡面水文過程的影響較為復(fù)雜，產(chǎn)沙量也隨坡度的增大而增多[13]。按>0°～5°、>5°～8°、>8°～15°、>15°～25°、>25°～35°、>35°～45°、>45°～65°、>65°將坡度值分為8級，得到壩控區(qū)坡度圖(圖9)。不同坡向日照時間、晝夜溫差及土壤種子庫密度[14]不同，導(dǎo)致土壤風(fēng)化程度和植被類型及覆蓋度各不相同，因而土壤侵蝕程度也不一樣。將坡向分為平面(-1°)、北(0～22.5°、337.5°～360°)、東北(>22.5°～67.5°)、東(>67.5°～112.5°)、東南(>112.5°～157.5°)、南(>157.5°～202.5°)、西南(>202.5°～247.5°)、西(>247.5°～292.5°)、西北(>292.5°～337.5°)9個方向，得到壩控區(qū)坡向圖(圖10)。基于DEM數(shù)據(jù)提取壩控區(qū)高程，壩控區(qū)海拔分布在2 082～2 428 m，得到壩控區(qū)高程圖(圖11)。

圖9 壩控區(qū)坡度分級圖

圖10 壩控區(qū)坡向分級圖

圖11 壩控區(qū)高程分級圖

4 結(jié) 語

利用無人機激光雷達系統(tǒng)對黃土丘陵溝壑區(qū)淤地壩壩控區(qū)掃描可快速得到點云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)，經(jīng)RIPROCESS和Inpho UASMaster軟件處理，生成高精度DOM，可提取壩控流域坡度、坡向等地形因子，結(jié)合DEM判別流域內(nèi)土壤侵蝕類型及侵蝕分區(qū)的面積分布，可為壩控流域內(nèi)土壤侵蝕量化研究和水土流失監(jiān)測提供更多維的研究方法。