大疆精灵4在水土保持监测中的应用

2022-08-18刘鹏

河南水利与南水北调 2022年7期

刘鹏

（广东博源建设工程有限公司，广东汕头 515041）

1 项目概况

在该项目中，使用的小型无人机型号为大疆精灵4无人机Phantom4，属于四旋翼飞行器。飞行载重为1 380 g，飞行时间为28 min，最大上升速度为6 m/s，最大下降速度为4 m/s。若处于运动模式，其飞行速度为20 m/s，螺旋桨为9 450 s 快拆桨。其有效像素为1 240 万左右，图片分辨率为4 000×3 000，具有较强的操作性，可以有效满足该生产建设项目水土监测的需求。

2 数据采集

2.1 收集相关资料

在实际进行该生产建设项目水土监测时，主要根据检测区域的实际情况，合理确定测区范围，并提前搜集监测区域的天气、水源以及植物生长情况，确保对该区域有充足的了解。

2.2 现场勘查

在对监测区域有了初步认识之后，应前往现场进行实地勘查。调查周围地面的相应物体情况，找出比较适合无人机起降的区域，应确保起降场地具有一定的空间，不存在较大的障碍物，并且地形比较平坦，从而确保飞行器起降的安全性。

2.3 选择航拍时间

为了确保飞行器的安全性以及得到精确的航拍图像，要合理选择航拍时间。由于使用的是大疆精灵4多旋翼无人机，具有较小的体积，没有稳定的抗风性能，所以在选择航拍时间时，应确保天气不会出现大风。另外，其他恶劣天气也会影响拍摄质量，所以应尽量选择晴天进行拍摄。同时，为了防止航拍图像出现阴影，应在白天开展航拍作业，最好太阳高度角超过45°，这样才能保障充足的光照，最大程度上减小阴影面积。

2.4 布设控制点

根据水土保持监测的要求，并结合航拍区域的实际情况，应在地面布设多个控制点，以校准整体精度，使处理结果符合精度要求。在实际操作过程中，并没有对控制点材料作出强制要求，可以根据区域内的实际情况选择控制点材料的颜色，只要能够在航拍图像上能够明显分辨出来。如：在绿色植被覆盖区域，可以选择白色材料控制点，这样就能与其形成强烈的色彩反差，不会出现混淆的情况。控制点的尺寸大小应是地表分辨率的10倍左右，最好使用十字形。在实际操作过程中，航线起点和终点这两个控制点的布设，不仅要与方位线保持垂直，而且要通过航拍图像的中心点。

2.5 校准工作

在使用一段时间后，无人机会出现一定的误差，可能是受到运输晃动的影响，也有可能是内部元件的影响，所以要想保障其安全性，需要在起飞前进行校准工作，如：校准指南针以及电调等。在校准时要注意，不能在具有较强磁场的区域进行校准，如：金属矿场等区域。另外，在完成相应校准工作后，如果无人机仍然出现飞行问题，如：云台严重晃动等，这时需要将其送到专业的校准机构进行校准。

2.6 航线规划

在设计无人机航线时，要考虑到诸多因素的影响，如能否覆盖整个目标区域，以及无人机的续航时间是否充足等。在实际规划航线的过程中，要满足这两点要求：其一航向的重叠率要满足相关要求；其二是要尽量覆盖整个目标区域，并且由于目标区域成像时，边缘地带会出现模糊的问题，所以应将目标区域拓展80 m左右的范围。因此，可以将航线设计为“S”形。

2.7 起飞航拍

利用无人机烟感技术进行航拍，其飞行航拍过程可以设定为自动飞行，也可以手动操作飞行；如：在此次航拍过程中，一共拍摄将近200张图像，航向重叠率为80%，飞行时间为17 min左右，旁向重叠率为60%。

3 数据处理

3.1 处理工具

计算机配置应基于一下要求：4GB 容量的显卡，8GB 的内存容量，CPU三级缓存等。另外，还要合理选择处理软件，在当前的市场上，存在诸多类型的无人机数据处理软件。通过大量实践证实，Agisoft Photoscan软件具有良好的使用性能，便于操作、没有对计算机配置有较高的要求、具有良好的出图效果等。

3.2 处理对象

小型无人机在飞行的过程中，比较容易受到外界环境的影响，导致相邻图像的重叠度不够理想。因此，为了保障数据的精度，应选址拍摄质量较好的图片，并且格式为JPG。

3.3 处理过程

在对无人机数据进行处理时，由于比较复杂，并且具有较强的专业性，应严格按照相关规范要求进行操作，才能保障处理结果的精度符合水土保持设计要求。在使用Agisoft Photoscan软件的过程中，需要改正图像的畸变差，因为出现这种情况会使得实际地面景物位置改变。

3.4 处理成果与精度检验

在使用上述软件对航拍数据进行处理后，可以得到连接点、三维动漫、Tield Model等数据。对于得到的这些影像，需要进行精度检验，确保其满足相关规范要求，这样才能保障水土保持监测信息的实用性，能够真实反映出实际情况。若精度较低，那么该图像就不够准确。由于经过大量研究，已经证实无人机拍摄影像的水平精度符合相应要求，所以该项目主要对数据的高程精度进行检验。此次检验的实测检验值，是对明显地物点的高程值的采集，而无人机测算值，是DEM上同名地物点的高程值，并选取具有代表性的多个明显同名地物点，检验高程精度，其高程误差计算公式如下：

其中：n 为检测点的个数；mp 为点位中误差；zi 为i 点的纵坐标检测值；Zi为i点的纵坐标原测值。

在此次高程检验过程中，将其分行高度设定在150 m，飞行17 min，从拍摄图像中选出优质图像196 张，经过软件处理后得出最终的高程精度检验对象。在处理成果上选取了多个检验点，对其高程精度进行检验，并通过对比得出残差，最终得出高程中误差，如表1 所示。可以发现，高程精度基本满足水土保持监测需求。

表1 高程精度检验表

4 分析对比叠加及成果输出

4.1 数据提取

在对航拍照片处理后，并生成三维模型等影像后，应采取人际交互的方式对生产建设项目的相关情况进行获取，如：项目位置、水土流失情况以及施工情况等。首先，对位置和面积信息，利用相应的空间信息提取软件可获取该信息，然后对水土保持方案进行对比，确保项目的规范性。其次，对于取弃土渣量，可以根据堆渣高度，以及量测的面积进行计算。在实际操作过程中，由于很多土渣场为坡地，所以需要进行差值分析才能得到相应数据。最后是水土保持措施，通过三维模型，可以直接看到项目水土保持措施类型，并通过量测，判断现有措施是否需要进一步完善，并判断是否存在水土流失隐患。

4.2 体积测定和土壤侵蚀量计算

通过无人机数据对废土渣量进行提取，比较容易出现偏差，一旦原始地貌改变，那么使用无人机技术提取的数据也会比较容易出现偏差。因此，在实际进行航拍之前，应对所获取的相应数据进行修正，之后再计算差值，才能得到准确的堆渣量。另外，在生产建设项目水土保持检测工作中，土壤侵蚀量的计算是重点内容。要对其进行计算，首先应获取某一时期的项目的三维模型，然后按照相应方法计算出土壤流失的控制比，虽然得出的结果是估算，不能保障数据的准确性，但在一定程度上可以体现出生产建设项目的水土流失情况。