基于无人机遥感的侵蚀沟形态监测方法评价

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沟蚀是一种剧烈的土壤侵蚀类型,在空间上具有三维形态特征,沟蚀一旦形成会造成严重的土地退化和环境恶化。如何使用合适的方法来准确地测量沟蚀形态在沟蚀监测和发育的研究中是非常重要的,无人机的发展使得无人机摄影测量技术能快速方便地运用到沟蚀研究中。而目前针对沟蚀形态的无人机测量研究中,缺乏高效获取和处理数据的统一方案,鲜有关于地形数据的精度和误差方面的研究。本研究的目的是通过分析不同方案的误差来评价数据的精度,分析数据的处理效率,为无人机的沟蚀测量研究提供方案设计思路。选取元谋干热河谷冲沟为研究对象,使用不同的飞行方案和控制点(Ground Control Point,GCP)布设方案来获取和处理数据,最终通过数字正射影像(Digital Orthophoto Model,DOM)和数字表面模型(Digital Surface Model,DSM)来分析误差,探明影响测量精度的环境干扰因素,优化侵蚀沟形态的无人机航测方案。论文主要得到了以下结论:(1)由于侵蚀沟道沟缘线、沟壁、沟床等部位高程、形态存在显著差异,控制点的数量和布设位置对测量精度有显著的影响,数据处理过程中引入3个布设合理的控制点能减少24.5%的误差。在当前的冲沟规模下,控制点数量为9个且综合考虑其水平及高程均匀分布的方案最佳,该方案效率较高且能提高22.7%的精度。当飞行高度较低时,在布设方案合理的前提下可适当减少控制点的数量。(2)通过比较不同方案发现,飞行高度为30 m,照片重叠度为80%/70%(航向重叠度/旁向重叠度),控制点数量为11个的方案精度最高(平均绝对误差为0.0353 m,相对均方根误差为0.0525 m),但是该方案需花费较多的数据收集和处理时间,效率较低。无人机航高对侵蚀沟地形数据精度影响较大,在同一飞行高度下沟床的精度最低,飞行高度变化时沟床的误差变化最明显。飞行高度为100 m时,重叠度对监测精度的影响并不显著,所有方案的MAE(Mean absolute error,平均绝对误差)和RMSEz(Root mean square error,相对均方根误差)分别在7 cm和13 cm附近波动,在部分方案中沟缘线处出现了较大的误差。(3)飞行高度为65 m,重叠度不低于50%/40%,控制点数量为9个且布设合理时,DSM的平均高程精度能达到4 cm左右,监测结果能同时兼顾精度和测量效率两个方面。从阴影、坡度、坡向和植被四个方面分析了误差来源和误差较大的检查点的分布位置,因为沟道的形态和植被导致光照条件不同会使DSM的高程误差存在一定差异。在坡度小于50°的范围内,误差和坡度的相关性较小。沟道中生长的植被会在DSM中引入误差且它对测量精度的影响难以消除。在沟蚀研究中使用无人机是非常方便和快捷的,能得到精度为厘米级别的后期产品,本文使用无人机摄影测量的方法来调查研究元谋干热河谷区冲沟的形态,通过不同的控制点方案和飞行方案获取沟道数据,分析和讨论后期数字产品的精度、数据量和数据处理效率,查明误差来源,为高效快速便捷地获取干热河谷侵蚀沟形态数据提供了方案设计思路和研究方法支撑。
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