马 迪
(贵州省地质矿产勘查开发局测绘院，贵州 贵阳 550018)
0 引言
随着现代测量技术的飞速发展，无人机航空摄影测量技术开始广泛普及，在测绘领域及其他行业里逐步大放异彩。作为全数字摄影测量的一种全新方式，无人机航空摄影测量在小区域测绘、大比例尺地图制作等方面显示出其独特的优势，利用无人机航空摄影测量助力山水林田湖草生态修复调查将拥有广阔的发展前景。无人机航空摄影测量是一种全新的数字摄影测量方式，近几年来得到了飞速发展，其具有机动灵活性高、精确性高、作业成本低、适用范围广、生产周期短等多种优点，生产产品精准度高，作用于各类项目上可以大幅度提高生产效率。
通过无人机航空摄影测量得到调查区域的数字正射影像、数字高程模型和倾斜摄影测量实景三维模型等内容，本文基于以上三项技术，分别分析和阐述无人机航空摄影测量技术在山水林田湖草生态修复调查中多方面的应用情况。
1 数字正射影像的应用
数字正射影像(Digital Orthophoto Map,简称DOM)是利用数字高程模型(DEM)对经扫描处理的数字化航空影像,经逐像元进行投影差改正处理、镶嵌,按国家基本比例尺地形图图幅范围剪裁生成的数字影像数据集[1]。DOM拥有信息量丰富、数据实时性强、数据精准度高、数据易读性强等优点。DOM作用于山水林田湖草项目生态修复调查项目有如下应用情况。
1.1 地物预判读
外业调查人员可事先在DOM上进行地物判读，预先了解调查区域地理环境具体情况，并对重点调查地物进行预先判读与勾绘，对无法在DOM上进行判读的地物，再到实地进行调绘，从而极大的减少外业调查工作量，缩短工作周期，提高工作效率。例如调查人员想调查区域内的土壤污染源的具体情况，可先在DOM上对可能成为污染源的地物进行预读并标注，了解其具体位置等大致情况，针对性的设计调查路线，再逐一到现场核实，从而缩短搜索时间，提高效率。对于一些地表地形复杂或相对较危险以至于外业调查人员难以到达现场勘查的区域，利用无人机代替人员进行实地勘查，从DOM上获取实地物信息，降低外业调查工作的危险性与数据获取的精准性。
1.2 矢量数据分析
可通过DOM对各项地物进行矢量化，利用DOM的实时性获取调查区域地物的矢量数据，将获取的数据与地理信息系统相结合，用于对地物矢量数据的处理与分析，如分析调查区域内的林地与耕地分布情况，从多方面掌握调查区域内生态系统的实时情况与重要数据。
1.3 建立遥感监测系统
基于多时态DOM建立遥感监测系统，用于监测调查区域范围内的地表地物变化情况。利用DOM实时性强、信息量大等特点，在不同时间结点获取调查区域DOM，通过对不同时态DOM进行多项对比分析，得到调查区域内生态环境变化监测数据，从宏观上把控调查区域内生态系统的变化。如在每年的同一时段对调查区域进行DOM数据获取，再利用监测系统进行对比分析，可知该季节下该区域年度生态变化情况。
无人机遥感监测系统为调查区域内的地质灾害区域调查、受灾面积及损失评估、土地资源调查、土地复垦与农用地整治[2]、森林资料调查、大气污染与水污染等环境监测提供科学依据[3]，扩展了在生态修复调查中对资源观测的广度与深度。
2 数字高程模型的应用
数字高程模型(Digital Elevation Model，简称DEM)，是通过有限的地形高程数据实现对地面地形的数字化模拟(即地形表面形态的数字化表达)，它是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型，是地表形态的数字化表达，蕴含了丰富的地学应用分析所必须的地形地貌信息。DEM具有数据结构简洁、表达方式直观、对地形因子的解译简单高效等诸多优点。随着我国测绘技术的发展，近年来对DEM的研究逐渐深入，基于DEM的数字地形分析技术已愈发成熟，在水文地质、测绘制图、地质灾害、土地利用与规划等方向的应用中发挥着重大作用[3]。DEM作用于山水林田湖草项目生态修复调查项目有如下应用情况。
2.1 地形分析
数字高程模型是实际地形特征的空间分布模型，其直观且清晰地反映了调查区域内的地形地势特征，包括地貌形态空间格局与地形空间分布特征等，利用DEM数据实时性强的特点，获取区域最新地形地貌数据。DEM是地形分析的基础，从DEM中可提取地表特征信息进行分析，包括生成等高线、地形曲面拟合、多比例尺地形图与断面图制作[6]等。除了进行地貌特征的空间分析之外，还可通过对多时态DEM数据进行系统分析，进行调查区域内地形演化模拟，分析调查区域内地貌演化的继承性特征[4]，加深对调查区域的地貌演化机理与发育态势的研究。
2.2 流域水文分析
基于DEM构建模拟水域河流径流的流域水文模型，提取流域水系特征信息，包括计算水系流向、确定排水方向、流域水利特征值(面积、长度等)计算、划分子流域和计算子流域面积、确定河网结构、计算流域参数[8]等方面，主要用于进行地形分析以及将流域进行参数化，为水文模拟和分析提供有效的数据支撑。在GIS技术的支持下，数字高程模型能够自动提取相应的流域水文信息，使得DEM在构建流域水文模型中得到广泛的应用，为调查区域的水文研究提供科学依据，提高流域水文研究效率。
2.3 土地与气候研究
坡度、坡向与高程等是研究土地与气候的重要地形因子，对山地生态分析与研究起着重要的作用。因坡度、坡向和高程等地形因子影响太阳辐射在表面的差异性分布，不仅影响着局部区域内土地利用的空间分布，还影响着局部区域内气象气候要素的空间分布。以DEM为核心数据进行空间分析，对多种地形因子进行提取与分析，为调查区域内的土壤侵蚀研究、坡耕地分布与土地利用现状分析、农作物分布特征与生物多样性研究、森林资源调查与研究等方面的研究和分析提供科学支持。
2.4 地质灾害研究
众多地质灾害(滑坡、崩塌、地震等)的发生均与地形地貌构造息息相关，研究调查区域内的地形因子对掌握调查区域内地质灾害发生的情况有着重要的作用。以滑坡为例，坡度是众多地质灾害发育的重要内在因素之一，发生滑坡的区域大多数坡度较高。坡向影响着自然要素的规律性分异，从而影响滑坡发育方向[11]。地表曲率影响土壤侵蚀和沉积的速度，从而影响滑坡发育速度[12]。综上所述，基于高精度DEM的地形因子提取分析与监测，对滑坡的发育及分布情况研究提供科学依据与数据支撑。同时可基于多时态DEM数据对调查区域内的地质灾害发育与发生进行连续的监测与分析，更进一步加深对环境变化与地质灾害的研究。
3 倾斜摄影测量三维模型的应用
倾斜摄影测量技术是近几年来新兴发展的一项测绘技术，其特点是利用搭载多个传感器的无人机进行低空摄影作业，从多个角度同时对某一地物进行同步曝光采集影像[13]，获取不同角度的地物信息，在对航摄原始影像进行处理后得到实景三维模型，还原最真实的地物。倾斜摄影测量拥有分辨率高、实时性强、作业灵活、颜色真实、精准度高、三维模型真实还原度强等优点，作为一项高新测绘技术，其出现改变了传统航空摄影测量不能获取地物立体表面的局限性。倾斜摄影测量已在许多领域得到广泛的应用，其实景三维模型以超高的还原度和超高的数据精准度为多个领域的项目提供了新兴的解决方案。倾斜摄影测量作用于山水林田湖草项目生态修复调查项目有如下应用情况。
3.1 地表信息获取
倾斜摄影测量实景三维模型由于其多角度进行同步拍摄，使得其弥补了数字正射影像图中由于地物过高导致图中地物失真的情况，使用实景三维模型对地表物进行矢量化时，精准度较DOM更高。以图1对建筑物观测为例，由于拍摄角度的问题，DOM仅能以垂直角度拍摄，对建筑物的观测仅能捕捉轮廓，甚至存在部分建筑因拍摄角度引起变形等情况，而在倾斜摄影测量实景三维模型中，可从不同角度对建筑物轮廓进行勾绘，从而提高数据精准度。图1中可看出倾斜测量模型可以观测到建筑物的高度、层数、结构与材质等各项属性，获取到的信息较DOM丰富。
同样的问题在山体测量中更加突出，如矿山环境调查等，由于DOM垂直拍摄无法展示山体环境全貌，倾斜摄影测量实景三维模型则弥补了这项不足，真实且立体的还原山体环境。
3.2 矿山环境与地质灾害调查
以调查区域实景三维模型为数据基础，可获取包括山体表面积、体积、边坡高度与长度、矿坑面积与挖填方量等相关矿山地质信息[14]。也可通过旋转与缩放等功能多角度的对矿山环境进行观测，结合获取的地质信息开展矿山环境分析。
以调查区域实景三维模型为数据基础，对滑坡、崩塌等地质灾害发生点进行多角度观测，可直接于三维模型上沿滑坡体边缘勾绘滑坡体轮廓，估计其土方量。同样可对断层及周边地理环境进行观测与研究。使用实景三维模型对地质灾害进行观测能在很大程度上代替调查人员到现场进行作业，不仅避免了再次滑坡或崩塌造成意外，同时提高了观测的效率。
4 结语
目前无人机航空摄影测量技术已较为成熟，在多个领域中都有着不错的表现和广泛的应用，将无人机航空摄影测量技术应用于山水林田湖草生态修复调查中，能大幅缩短调查周期，提升调查精度，提高作业效率，为山水林田湖草提供新的调查方案。但无人机航空摄影测量仍有其局限性，如何与其他调查方式相结合，整合多学科资源与信息，更加助力山水林田湖草调查，将是未来研究的重要方向。
