一种基于无人机的沙障固沙功能监测方法与流程

1.本发明属于防风固沙技术领域，特别是一种基于无人机的沙障固沙功能监测方法。


背景技术：

2.目前，针对沙障固沙功能的监测仍然普遍采取传统的“标签法”。随着监测仪器的出现也产生了“积沙仪法”。这些方法是在沙障建植区即沙障控制区以地面形式设置标桩和积沙仪的定点固定的测量方法，最后以定位点的沙面活动变化来推算活沙障的固沙效果(固沙功能)。现在还没有利用航空无人机手段对沙障固沙功能进行大范围监测的技术手段。
3.传统沙障固沙功能监测方法具有以下不足：
4.一、传统的监测方法以定位点的沙面活动变化来推算活沙障的固沙效果(固沙功能)，无疑会对沙障整体(或一个完整的沙障建植区)的固沙效果定量评价带来一定的误差，况且风带动沙粒的流动在一定区域中并不呈现均一性，因此传统的以点带面的监测方法存在以偏概全的严重不足；
5.二、在通过传统监测方法进行大面积监测时，需要许多符合监测标准的标桩和仪器，同时还需要人工现地对标桩和仪器进行布设，并不时测量和取样记载；可见传统监测方法费时、费事、费力；
6.三、传统的监测方法中，标签法只能获得沙面的高度变化；积沙仪法只能获得沙粒移动的体积。也就是说，传统方法直接监测的仅为单项指标。并且通过传统监测方法无法监测到沙丘三维形态的直观变化。
7.因此，如何快速有效地对沙障固沙功能进行监测，同时提高监测效率，降低监测成本，成为当前研究的关键问题。


技术实现要素：

8.鉴于上述问题，本发明提供一种至少解决上述部分技术问题的一种基于无人机的沙障固沙功能监测方法，通过该方法能够快速有效地对沙障固沙功能进行监测，同时提高监测效率，降低监测成本。
9.本发明实施例提供了一种基于无人机的沙障固沙功能监测方法，包括：
10.s1、采用无人机获取目标沙障控制区图像；
11.s2、对所述目标沙障控制区图像进行空三运算，获得所述目标沙障控制区的数字正射影像图dom和数字地表模型图dsm；并对所述数字地表模型图dsm进行处理，获得所述目标沙障控制区的数字高程模型图dem；
12.s3、根据所述数字高程模型图dem绘制所述目标沙障控制区的地形图；
13.s4、根据所述数字正射影像图dom、数字高程模型图dem和地形图，计算所述目标沙障控制区的风积量和风蚀量。
14.进一步地，所述s1具体包括：
15.布设像控点和检查点：在所述目标沙障控制区的四角及中心部位各设一个像控点，在所述无人机航飞区域内均匀布设多个检查点；
16.对所述无人机的飞行参数进行设置：所述无人机的旋偏角不大于15
°
；所述无人机的航线弯曲度不大于3％；所述无人机的航线旁向重叠度为70％；所述无人机的航摄像片航向重叠度为80％；所述无人机航速为7.9m/s；所述无人机航高为100m；所述目标沙障控制区航摄图像的长和宽比例为4:3。
17.进一步地，所述无人机上承载有rtk仪器和摄像机。
18.进一步地，所述s2具体包括：
19.s21、采用pix4dmapper软件对所述rtk仪器和摄像机拍摄的目标沙障控制区图像进行空三运算，获得所述目标沙障控制区的数字正射影像图dom和数字地表模型图dsm；
20.s22、采用pixelgrid软件对所述数字地表模型图dsm进行立体编辑，获得所述目标沙障控制区的数字高程模型图dem。
21.进一步地，所述s3具体包括：
22.s31、采用eps三维测图软件，加载经所述数字地表模型图dsm的垂直影像图，以面选方式按预设大小网格提取高程点；对于沙丘脊线、坡底线以点选方式加密提取；并将提取出的高程点导出扩展名为.dat的高程点数据文件；
23.s32、通过cass软件对所述高程点数据文件进行处理，具体为剔除畸变点后，基于预设等高距生成等高线，并对所述等高线进行光滑处理；
24.s33、基于所述s32光滑处理后的等高线，通过eps软件将所述目标沙障控制区内的景物以相应的符号勾绘到图中，形成所述目标沙障控制区的地形图。
25.进一步地，所述s4具体包括：
26.根据所述地形图计算所述目标沙障控制区的沙丘脊线水平位移和坡脚线水平位移变化数据；
27.根据所述数字正射影像图dom和地形图，计算所述目标沙障控制区的沙丘高程变化数据；
28.根据所述数字高程模型图dem计算所述目标沙障控制区的沙丘移动土方量变化数据。
29.进一步地，所述根据所述地形图计算所述目标沙障控制区的沙丘脊线水平位移和坡脚线水平位移，具体包括：
30.在eps三维测图软件中，分别载入历史数字地表模型图dsm和当前阶段数字地表模型图dsm；
31.采用点选方式分别采集所述历史数字地表模型图dsm和当前阶段数字地表模型图dsm中，沙丘脊线与坡脚线的地形特征点，并将所述沙丘脊线与坡脚线的地形特征点导出为dat数据文件；
32.将所述dat文件导入所述cass软件中，分别绘制出历史阶段和当前阶段的沙丘脊线与坡脚线；
33.用当前阶段的沙丘脊线与坡脚线数据减去历史阶段的沙丘脊线与坡脚线数据，所得正值属风蚀量；所得负值属风积量。
34.进一步地，所述根据所述数字正射影像图dom和地形图，计算所述目标沙障控制区的沙丘高程变化数据，具体包括：
35.通过arcgis分析历史阶段所述目标沙障控制区的数字正射影像图dom中的沙丘分布形态，以及当前阶段所述目标沙障控制区的数字正射影像图dom中的沙丘分布形态；并分别沿关键沙丘脊线切画出历史阶段与当前阶段的高程变化剖面线；
36.将所述高程变化剖面线与对应阶段的所述地形图叠加，采用cass分别绘制出历史阶段沙丘脊线高程变化图，以及当前阶段沙丘脊线高程变化图；
37.通过当前阶段沙丘脊线高程变化数据减去历史阶段沙丘脊线高程变化数据，所得正值属风积量；所得负值属风蚀量。
38.进一步地，所述根据所述数字高程模型图dem计算所述目标沙障控制区的沙丘移动土方量变化数据，具体包括：
39.分别根据历史阶段与当前阶段的所述数字高程模型图dem，生成历史阶段与当前阶段的数字地形模型dtm；
40.通过cass软件分别从历史阶段与当前阶段的数字地形模型dtm中，获取历史阶段与当前阶段的沙丘移动土方量数据；
41.通过当前阶段的沙丘移动土方量数据减去历史阶段的沙丘移动土方量数据，所得正值属风积量；所得负值属风蚀量。
42.与现有技术相比，本发明记载的一种基于无人机的沙障固沙功能监测方法，具有如下有益效果：
43.通过无人机进行监测，实现大范围面上监测，提高了监测效率，同时降低了监测成本。
44.通过沙丘脊线的水平位移、沙丘高程和体积(土方)变化数据，反映风蚀量和风积量来判断沙障固沙功能，大大提高监测内容和精度。
45.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
46.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
47.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
48.图1为本发明实施例提供的基于无人机的沙障固沙功能监测方法流程图。
49.图2为本发明实施例提供的毛乌素沙地监测样区1沙障控制区沙丘脊线及坡脚线水平移动变化图。
50.图3为本发明实施例提供的毛乌素沙地监测样区2沙障控制区丘脊线及坡脚线水平移动变化图。
51.图4为本发明实施例提供的毛乌素沙地监测样区1沙障控制区沙丘高程变化图。
52.图5为本发明实施例提供的毛乌素沙地监测样区2沙障控制区沙丘高程变化图。
53.图6(a)为本发明实施例提供的毛乌素沙地监测样区1沙障控制区沙丘历史三维变
化图。
54.图6(b)为本发明实施例提供的毛乌素沙地监测样区1沙障控制区沙丘当前阶段2期三维变化图。
55.图7(a)为本发明实施例提供的毛乌素沙地监测样区2沙障控制区沙丘历史三维变化图。
56.图7(b)为本发明实施例提供的毛乌素沙地监测样区2沙障控制区沙丘当前阶段2期三维变化图。
具体实施方式
57.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
58.参见图1所示，本发明实施例提供了一种基于无人机的沙障固沙功能监测方法，具体包括如下步骤：
59.s1、采用无人机获取目标沙障控制区图像；
60.s2、对所述目标沙障控制区图像进行空三运算，获得所述目标沙障控制区的数字正射影像图dom和数字地表模型图dsm；并对所述数字地表模型图dsm进行处理，获得所述目标沙障控制区的数字高程模型图dem；
61.s3、根据所述数字高程模型图dem绘制所述目标沙障控制区的地形图；
62.s4、根据所述数字正射影像图dom、地形图和数字高程模型图dem，计算所述目标沙障控制区的风积量和风蚀量。
63.下面以毛乌素沙丘为例，分别对上述各个步骤进行详细的说明。
64.在上述步骤s1中，首先布设像控点和检查点：
65.在目标沙障控制区的四角及中心部位各布设一像控点；在航飞区域内均匀布设6个检查点。其中，像控点标志采用白底红色“+”型图案预制喷绘布，布设于空阔明显处，检查点使用红色喷漆临时喷涂于平坦开阔处。像控点、检查点平面位置及高程以cors—rtk方式进行两次测量，测量结果取中数使用。像控点数据经整理导出为文本格式(txt)文件。监测区坐标系统采用2000国家大地坐标系，高斯三度带第37带，中央子午线经度为108
°
，高程系统为2000国家大地高程基准。
66.其次，对无人机的飞行参数以及飞行航线进行设置：
67.飞行平台为大疆精灵4rtk(phantom)无人机，搭载相机像素为2400万。依据监测区范围，规划航线，设置无人机的旋偏角不大于15
°
；无人机的航线弯曲度不大于3％；无人机的航线旁向重叠度为70％；无人机的航摄像片航向重叠度为80％；无人机航速为7.9m/s；目标沙障控制区图像的长和宽的比例为4:3。设置相对航高为100m。起飞点设置在监测区通视条件较好的平坦高地上，基于此可以确保具有足够的航摄图像分辨率，同时还可以保障飞行安全。航摄图像像素块分辨率(即地面最小采样距离)为2.74cm，对像控点的刺点误差其平面位置小于2.4cm，高程小于3cm。
68.在上述步骤s2中，对无人机获取的目标沙障控制区图像进行处理：
69.应用瑞士pix4dmapper软件对目标沙障控制区图像进行空三解算，输出目标沙障控制区的数字正射影像图(dom)、数字地表模型(dsm)等成果。具体为：首先，对目标沙障控制区图像进行空三解算，空三解算检验合格后，由软件自动生成密集点云数据，生成地表纹理，进而输出dom(数字正射影像图)和dsm(数字地表模型)。然后，使用pixelgrid软件对上述获得的dsm文件进行立体编辑(对监测区域地面建筑、植被等进行处理)生成数字高程模型(dem)。
70.其中，空三运算即解析空中三角测量或电算加密。空中三角测量是立体摄影测量中，根据少量的野外控制点，在室内进行控制点加密，求得加密点的高程和平面位置的测量方法，其目的是为缺少野外控制点的测图区域提供绝对定向的控制点。空三解算精度、内业加密点相对于附近控制点的平面位置中误差小于0.2m，航测内业规范限差为1.1m；加密点高程相对于附近控制点的高程中误差小于0.3m，航测内业规范限差为1.2m。
71.在上述步骤s3中，首先，采用eps三维测图软件，加载经空三解算后生成的数字地表模型图dsm的垂直影像图，以面选方式按预设大小网格提取高程点，本发明实施例中，网格大小为3m
×
3m；对于沙丘脊线、坡底线等关键部位以点选方式加密提取；并将提取出的高程点导出扩展名为.dat的高程点数据文件；
72.然后，通过cass软件对高程点数据文件进行处理，具体为剔除畸变点后，基于预设等高距生成等高线；并对等高线进行光滑处理；例如，纠正诸如尖角、重叠等错误，尤其是对低凹部位的等高线进行处理，使其表示更趋合理；本发明实施例中，将等高距设为1m。
73.最后，基于光滑处理后的等高线，通过eps软件将目标沙障控制区内的景物(如道路、树木等)以相应的符号勾绘到图中，形成目标沙障控制区的地形图。
74.在该步骤中，目标沙障控制区的地形图成图比例尺为1:500。地形图的主要元素绘制完成后，对全图进行整饰，图面高程点作过滤抽稀处理，顾及到后续图件需使用完整的等高线，故对高程注记压盖的等高线不作剪断处理。图件整饰完成后，采用任意分幅彩色出图。
75.在上述步骤s4中，目标沙障控制区内沙丘的动态变化可由风蚀量和风积量来表示，而风蚀量和风积量主要通过沙丘脊线和坡脚线的水平位移变化、沙丘的体积变化及沙丘分布形态上的变化来分析衡量。
76.步骤s4具体包括：根据地形图计算目标沙障控制区的沙丘脊线水平位移和坡脚线水平位移变化数据；根据数字正射影像图dom和地形图，计算目标沙障控制区的沙丘高程变化数据；根据数字高程模型图dem计算目标沙障控制区的沙丘移动土方量变化数据。
77.(1)对沙脊线、坡脚线位移变化进行分析：
78.在eps三维测图软件中，分别载入历史阶段和当前阶段的数字地面模型(dsm)，以点选方式分别采集其沙丘脊线及坡脚线的地形特征点，生成包括点号、x、y坐标及高程值的沙丘脊线及坡脚线的dat数据文件。
79.绘制比例尺为1:500的沙障控制区沙丘移动变化图。在cass软件中导入所生成的dat数据文件，分图层以不同颜色逐点连线分别绘制两期沙丘脊线及坡脚线。
80.其中，地形特征点是获得沙丘脊线和沙丘坡脚线发生移动的标志点，分别沿脊线和脚线等距离(通常特征点间距离为20m)在dsm图上手工标注，历史和当前两期的特征点的位置须一致，这样以特征点为准，判断脊线和脚线的移动变化。
81.由图2和图3可见，历史阶段和当前阶段的沙丘脊线及坡脚线的位移变化状态，用当前阶段的沙丘脊线与坡脚线数据减去历史阶段的沙丘脊线与坡脚线数据，所得正值属风蚀量；所得负值属风积量。如，监测区2沙脊线平均位移量为2.79m，最大位移量为6.38m，坡脚线平均位移量为1.64m，最大位移量为2.39m；沙障造林监测区沙脊线平均位移量为2.44m，最大位移量为4.71m，坡脚线平均位移量为2.28m，最大位移量为5.15m。
82.(2)对沙丘高程变化进行分析：
83.在arcgis中判读分析历史阶段和当前阶段中，数字正射影像图dom所表现的沙丘分布形态，沿主要的沙丘脊线切画出历史阶段与当前阶段的高程变化剖面线，导出为dwg格式。
84.在cass中将生成的高程变化剖面线与对应阶段的地形图叠加，利用cass中的绘制断面图功能模块，分别绘制出历史阶段和当前阶段的剖面线图并进行叠加处理，经适当编辑生成沙丘脊线高程变化图。
85.对图4和图5中沙丘脊线高程变化数据计算。由当前阶段沙丘脊线高程变化数据减去历史阶段沙丘脊线高程变化数据，所得正值为风积量；所得负值为风蚀量。如，历史阶段和当前阶段期间监测样区1点11个统计样本的高程变化量的平均值为0.358m，最大值为1.59m(下降)；监测样区2的18个统计样本的高程变化量的平均值为0.861m，最大值为3.1m(下降)。两组数据比较可知，建植沙障之后对沙丘高度的影响较为显著。
86.(3)对沙丘移动土方量变化进行分析：
87.依据历史阶段与当前阶段航摄资料提取的高程数据，分别生成历史阶段与当前阶段的数字地形模型dtm，在cass软件中，通过当前阶段的沙丘移动土方量数据减去历史阶段的沙丘移动土方量数据，所得正值为风积量；所得负值为风蚀量。本发明实施例经过统计后获得下表1和表2：
88.表1：监测样区1沙障控制区沙丘体积变化量统计表
89.[0090][0091]
表2：监测样区2沙障控制区体积变化量统计表
[0092]
[0093][0094]
通过上表1和表2可知，监测样区1总面积为96029.7
㎡
(其中：裸沙地块面积67401.7
㎡
，沙障地块面积28628.0
㎡
)；沙障建植区块风积量总量为17713.2m3(其中：裸沙地块风积量为13622.1m3，沙障地块风积量为4091.1m3)；沙障建植区块风蚀量总量为1838.1m3(其中：裸沙地块风蚀量为1589.4m3，沙障地块风蚀量为248.7m3)。监测样区2总面积为115194.0
㎡
(其中：裸沙地块总面积91736.6
㎡
，沙障地块总面积23457.4
㎡
)；裸沙丘风积量总量为24680.8m3(其中：裸沙地块风积量为23118.9m3，沙障地块风积量为1561.9m3)；裸沙丘风蚀量总量为14696.8m3(其中：裸沙地块风蚀量为12491.2m3，沙障地块风蚀量为2205.6m3)。
[0095]
(4)三维影像图
[0096]
用arcgis中加载所提取的高程数据或筛选地形图中的等高线，创建tin(不规则三角网)以生成数字高程模型即dem，应用分级色彩功能，在其属性中选择适当的渐变颜色(绿-黄-红)以0.5m高程间隔对生成的dem栅格图进行色彩分级，从而直观(三维)表现沙丘由高到低的变化细节。当前阶段和历史阶段的三维影像图分别参照图6(a)、图6(b)、图7(a)和图7(b)。
[0097]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。