水土保持規劃中低空遙感數據的獲取及應用

張養安, 宋曉強, 段怡紅, 李俊鋒, 夏積德

(1.楊凌職業技術學院， 陜西 楊凌 712100； 2.陜西省水土保持局， 陜西 西安 710004；3.國家測繪地理信息局測繪標準化研究所， 陜西 西安 710054； 4.陜西測繪地理信息局， 陜西 西安 710054)

水土保持規劃中低空遙感數據的獲取及應用

張養安1, 宋曉強2, 段怡紅3, 李俊鋒4, 夏積德1

(1.楊凌職業技術學院， 陜西 楊凌 712100； 2.陜西省水土保持局， 陜西 西安 710004；3.國家測繪地理信息局測繪標準化研究所， 陜西 西安 710054； 4.陜西測繪地理信息局， 陜西 西安 710054)

[目的] 為實現水土保持規劃設計的高精度、高效率及現時性要求，探求低空遙感技術在水土保持規劃設計中的應用基礎和前景。[方法] 選取陜西省榆林市橫山區鮑家寺景區進行低空遙感試驗，通過建立數字高程模型(DEM)和數字正射模型(DOM)，從3個方面比較分析低空遙感數據的優勢，并進一步探索了低空遙感成果在水土保持規劃前期基礎信息獲取階段的基本應用。[結果] 低空遙感不但具有靈活性好，時效性好，數據精度高等基礎優點，而且借助其他地理信息系統軟件可方便、快捷提取地形現狀信息和水土保持治理現狀信息等水土保持規劃基礎資料，大大提高工作效率，能滿足水土保持規劃設計的要求。[結論] 低空遙感數據應用于水土保持規劃設計具備廣闊前景。

低空遙感; 水土保持規劃; 數字高程模型; 數字正射模型

水土保持規劃是水土保持綜合治理開發的總體部署和實施安排的工作計劃，它在防止水土流失，做好國土整治，合理開發和利用水土及生物資源，改善生態環境，促進農林牧及經濟發展等方面具有重要作用[1]。對于大面積的水土保持規劃，在自然條件方面應收集規劃區地質、地貌、氣象、土壤(地表組成物質)、植物等資料，這些基礎資料的精度和時效性直接決定了后期工作質量和效果。依靠傳統人工作業和可公開獲取的影像數據都難以客觀全面地反映調查區域的基本情況和動態變化[2-5]。而應用低空遙感技術，進行水土保持規劃工作，是一種既便捷又準確的新技術手段，對于準確掌握規劃區內的自然條件，推進水土保持規劃工作的定量化、精細化和信息化發展，具有重要引領作用[3-7]。

低空遙感技術是以無人機為空中平臺，通過搭載傳感器可快速獲取地理、資源、環境等空間遙感信息[4]，經過計算機進行處理后，可結合具體區域特點及需求制作數據成果。隨著可搭載的數據化探測設備及新型傳感器的研發成功，低空無人機遙感技術的應用領域得到迅速拓展，與早期的衛星遙感手段相比，低空無人機遙感技術很好地解決了衛星影像固定時空分辨率影響監測精度的問題，它在各個領域的應用研究也全面展開，但在水土保持規劃設計方面的應用研究還處于起步階段[5-10]。筆者結合實際工作情況，選取陜西省榆林市橫山區鮑家寺景區進行低空遙感的試驗，通過建立數字高程模型(DEM)和數字正射模型(DOM)，進一步探索其在水土保持規劃前期基礎資料獲取階段的基礎應用，以期能夠為促進水土保持規劃設計工作的信息化進程，改變傳統的規劃設計工作模式，提高效率與標準化水平提供技術支撐。

1 低空遙感影像數據的獲取

低空遙感影像基礎數據的獲取包括航線規劃、航測數據獲取與整理、數字高程模型(DEM)和數字正射模型(DOM)的制作3個步驟。

1.1 航線規劃

通過試驗區踏勘，根據試驗區范圍和精度要求規劃設計航線，包括飛行高度、角度、航向和旁向重疊度等，其主要航攝因子見表1，航線規劃圖見圖1。同時，為提高影像數據的精度還應布設一定數量的像控點，其具體規格和要求可參考《1∶500，1∶1 000，1∶2 000地形圖航空攝影測量外業規范(GBT 7931-2008)》及《低空數字航空攝影測量外業規范(CHZ 3004-2010)》。

表1 低空遙感航攝因子相關參數

注：高點重疊度的最小航向Px為83.8%， 最小旁向Py為73%。

圖1 低空遙感航線設計

1.2航測數據獲取與整理

當設備配置完畢后，即可根據設計好的飛行路線，實施無人機飛行和拍攝，獲取原始的遙感影像數據。獲取的原始影像資料應包含航飛影像、航攝鑒定表、航帶結合表、航攝儀技術參數等[6-7]。經過拼圖軟件可實現影像的拼接，再利用外業像控點控制成果，采用攝影測量解析法確定區域內所有影像的外方位元素，實現空中三角網的加密結算，形成具有控制信息的遙感影像數據。

1.3數字高程模型(DEM)和數字正射模型(DOM)的生成

數字高程模型(DEM)的制作主要是根據空中三角網加密成果，建立立體模型，進行影像自動匹配，生成DEM，并對DEM進行編輯[8]。同時還可根據空中三角網成果，創建立體模型，并進行相對定向、絕對定向,并利用立體模型采集等高線、高程點、居民地、道路、水系、地貌等其它地形特征點、線。為了獲取更高精度的DEM數據，可利用等高線、高程點以及地形特征點、線來構建不規則三角網，并利用構建的不規則三角網，生成精細DEM數據。而數字正射模型(DOM)則是借助已建立的DEM和其他相關參數，利用相應的構像方程式，或按照一定的數學模型進行控制點解算，從原始非正射投影的數字影像獲取正射影像，再將經過數字微分糾正的影像進行勻光、鑲嵌、拼接、裁切等操作，生成符合要求的DOM數據。其基本流程可歸納為圖2模式。附圖9和圖3分別為2017年1月獲取的試驗區DEM和DOM模型。

圖2 利用低空遙感數據制作DEM，DOM的流程

圖3 2017年1月低空遙感DOM(分辨率0.1 m)

2 低空遙感數據的優勢分析

2.1DEM數據對比

目前，全球可公開獲取的DEM數據包括美國的GTOPO30，ASTER-GDEM，SRTM，GMTED 2010衛星以及德國的DLR衛星[11]。以下從3個方面進行對比分析兩者差異。

(1) 時效性。全球可公開獲取的DEM數據一般為2010年前獲取，后期只進行局部修正，時效性較差；低空遙感可隨時進行無人機航測及外業像控，制作獲取最新的DEM數據，相對而言，低空遙感獲取DEM的更新速度更快，時效性更好。

(2) 分辨率。全球可公開獲取的DEM數據分辨率最高只有30 m，無法細致刻畫黃土高原丘陵溝壑的地形起伏變化；低空遙感獲取的DEM數據分辨率高達1 m，地形起伏變化、地形地貌細節刻畫清晰，對現實地形反映逼真，地形分析數據更加精準細致，能滿足水土保持規劃設計各項數據分析需求。

(3) 高程精度。DEM高程精度直接決定了DOM的精度。全球可公開獲取的DEM數據中能覆蓋中國區域的高程精度一般在20 m以上，僅有的德國DLR數據高程精度為10 m[12]，但只覆蓋了中國約40%的國土范圍。本次試驗區內低空遙感獲取的DEM數據高程精度高達0.53 m，已經達到了1∶1 000比例尺地形圖的高程精度要求，用其糾正的DOM數據精度也會隨之提高。因此，利用低空遙感獲取的DEM數據進行相應的地形分析，結果準確性高，能滿足水土保持規劃設計各項數據分析需求。

2.2 DOM數據對比

為對可公開獲取的DOM數據和低空遙感影像數據進行對比，特下載了不同時期榆林市鮑家寺、定邊縣、橫山區、榆陽區、綏德縣的部分谷歌及其他來源衛星影像，并從以下3個方面進行了對比分析。

(1) 時效性。從更新時間來看，可公開獲取的DOM數據更新周期從2個月到3 a不等，一般情況下，靠近城市的地區更新周期相對較短，靠近郊區或山區的地方一般更新周期較長，有些地方甚至多年沒有更新。低空遙感獲取的鮑家寺2.3 km2的影像數據從航拍到處理出成果只需7 d時間，且可隨時進行無人機航測，更新速度快，周期短，效率高，不受天氣限制，靈活性高。

(2) 分辨率?？晒_獲取的DOM數據最高分辨率只有0.6 m(《遙感影像公開使用管理規定》中明確公開使用的遙感影像地面分辨率不得低于0.5 m)，低空遙感影像數據分辨率高達0.1 m，對地物細節刻畫清晰明確，有利于準確識別和判讀地物類別及劃定地物邊界，對不同時期地物變化的判讀也較為準確、容易(如圖4所示)。

(3) 位置精度。選取試驗區內具有對比性的多個像控點進行位置精度檢測對比。谷歌上下載的試驗區影像偏移量中誤差約為1.75 mm，低空遙感獲取的試驗區影像偏移量中誤差約為0.47 mm?？梢钥闯?，低空遙感獲取的試驗區影像偏移量更小，能真實地反映地物的絕對位置。

201611谷歌下載(0.6 m) 201701低空遙感獲取(0.1 m)

圖4試驗區兩種DOM數據分辨率比較

3 低空遙感在水土保持規劃中的應用

通過上述分析，可以看出低空遙感DEM和DOM數據成果在時效性、分辨率和位置精度上都有巨大的優勢，能夠滿足水土保持規劃的要求。通過DEM和DOM數據，可以很方便地提取到試驗區內的水土保持治理現狀信息。主要包括土地利用現狀、溝道現狀分布、圖斑采集及工程區域內地形的坡度、坡向分布情況等。水土保持治理現狀信息的準確性直接決定了后期水土保持規劃方案的合理性。

3.1 土地利用現狀信息獲取

根據相關規范標準，借助ArcGIS軟件，采用目視解譯的方法，按照用地類型，可繪制試驗區水保治理工程土地利用現狀圖(附圖10)，并可對不同類別現狀圖斑數量、面積及其所占比例進行統計，為后期水土保持規劃提供了詳細的基礎數據支持。

3.2 溝道現狀分布信息獲取

溝道分布圖能夠分析試驗區的溝蝕強度，從而更準確地了解試驗區的水土流失現狀，為水土保持規劃提高支撐。在ArcGIS中加載DEM成果，借助其Spatial Analyst工具中的“水文分析”模塊，可提取試驗區溝道現狀分布圖(圖5)。

圖5 利用低空遙感資料提取的試驗區溝道現狀分布

3.3圖斑采集

依據DOM中不同像元的灰度值所反映出的地物光譜特性，綜合目標物的大小、形狀、陰影、顏色、紋理、圖案、位置及周圍的系統進行分析、比較和判斷，劃定范圍并賦相應屬性，完成圖斑采集(圖6)。同時，為提高獲取圖斑的精度，可在DOM基礎上，疊加DEM，利用DEM包含的地形高程信息構建三維場景，從而進行地物判讀、劃定圖斑邊線并賦相應屬性(圖7)。

圖6DOM圖斑采集圖7DOM疊加DEM圖斑采集

3.4坡度、坡向信息提取

坡度、坡向信息的提取主要依據DEM成果來完成。在ArcGIS軟件中，執行3D Analyst工具下的坡度或坡向分析功能，設置坡度分級和陽坡、陰坡參數，可提取試驗區內的坡度分析結果(附圖11)和坡向分析結果(圖8)。

圖8 利用低空遙感數據完成的試驗區地形坡向分析

4 結 論

通過分析低空遙感技術的基本特點，結合水土保持規劃的相關要求，選取特定試驗區進行低空遙感數據的獲取。從3個方面比較分析了低空遙感數據的優勢所在，探索了低空遙感成果在水土保持規劃前期基礎信息獲取階段的基礎應用。試驗結果表明，低空遙感不但具有靈活性好，時效性好，數據精度高等基礎優點，而且借助其他地理信息系統軟件，可方便、快捷提取地形現狀信息和水土保持治理現狀信息，大大提高工作效率(實際試驗約節省2/3時間)，更能滿足水土保持規劃設計的要求。低空遙感數據應用于水土保持規劃具備廣闊前景。

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AcquisitionandApplicationAnalysisofLowAltitudeRemoteSensingDatainSoilandWaterConservationPlanning

ZHANG Yangan1, SONG Xiaoqiang2, DUAN Yihong3, LI Junfeng4, XIA Jide1

(1.YanglingVocational&TechnicalCollege,Yangling,Shaanxi712100,China; 2.ShaanxiProvincialBureauofSoilandWaterConservation,Xi’an,Shaanxi710004,China; 3.InstituteofSurveyingandMappingStandardizationofStateBureauofSurveyingandMappingGeographicInformation,Xi’an,Shaanxi710054,China; 4.ShaanxiSurveyingandMappingGeographicInformationBureau,Xi’an,Shaanxi710054,China)

[Objective] To realize the conservation planning of the high precision and high efficiency and current requirements, and to explore the application of remote sensing technology in foundation and prospects in the planning and design of soil and water conservation. [Methods] The Baojia Temple scenic spot in Hengshan District of Yulin City, Shaanxi Province was chosen to carry out the low altitude remote sensing experiment. Through the establishment of digital elevation model (DEM) and digital orthophoto model (DOM), this paper analyzed comparative advantage between low altitude remote sensing data and other data, and further explored the basic application of low altitude remote sensing in soil and water conservation planning. [Results] By comparison and application analysis, low altitude remote sensing not only has the advantages of good flexibility, good timeliness, high data accuracy and other basic advantages, but also can easily and quickly extract the status quo information and soil and water conservation management information such as basic information of soil and water conservation planning by using other geographic information system software. It can improve work efficiency greatly, and meet the requirements of soil and water conservation planning. [Conclusion] The application of low altitude remote sensing data to soil and water conservation planning has broad prospects.

lowaltituderemotesensing;soilandwaterconservationplanning;DEM;DOM

A

1000-288X(2017)05-0338-04

S157, V279

文獻參數： 張養安, 宋曉強, 段怡紅, 等.水土保持規劃中低空遙感數據的獲取及應用[J].水土保持通報，2017,37(5)：338-341.

10.13961/j.cnki.stbctb.2017.05.057； Zhang Yangan， Song Xiaoqiang， Duan Yihong， et al. Acquisition and application analysis of low altitude remote sensing data in soil and water conservation planning[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(5)：338-341.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.05.057

2017-08-21

2017-09-24

陜西省2015年水土保持科研示范項目“低空遙感在水土保持規劃設計中的應用”(1502)

張養安(1964—)，男(漢族)，陜西省商洛市人，學士，副教授，主要從事水土保持與工程測量教學及研究工作。E-mail:895903758@qq.com。