基于无人机贴近摄影测量的坡面细沟侵蚀研究

作     者：姚怡航 

作者单位：中国科学院大学(中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心) 

学位级别：硕士

导师姓名：高照良;马理辉

授予年度：2023年

学科分类：081802[工学-地球探测与信息技术] 082802[工学-农业水土工程] 0907[农学-林学] 08[工学] 09[农学] 083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 090707[农学-水土保持与荒漠化防治] 0828[工学-农业工程] 0818[工学-地质资源与地质工程] 0815[工学-水利工程] 081602[工学-摄影测量与遥感] 0816[工学-测绘科学与技术] 

主      题：无人机 贴近摄影测量 高边坡 细沟侵蚀 细沟形态 

摘      要：细沟侵蚀是土壤侵蚀的主要形式之一,监测并量化坡面细沟形态演化过程及侵蚀量等对深入研究细沟侵蚀发生的机理和过程十分重要。传统测量方法效率低、成本高、适用性较差,无人机贴近摄影测量技术兼顾效率和精度且适应性强,但其在高陡坡面细沟侵蚀测量的应用效果尚不清楚。本研究首先利用无人机（M300RTK无人机+Zenmuse P1测绘相机）通过贴近摄影测量技术获取连续6场人工模拟降雨下坡面细沟发育的高分辨率影像,然后运用基于Sf M-MVS技术的大疆智图软件和Arc GIS软件提取和计算细沟侵蚀形态、侵蚀量等指标参数,并进行多期比对,从定位精度、模型精度和模型细节3个方面评估该技术手段的误差及可行性,分析飞行高度、镜头朝向、像控点三个无人机贴近摄影测量技术变量对细沟侵蚀测量精度的影响。最后通过高精度DEM提取对比坡面细沟发育演化形态及过程,实现细沟侵蚀测量数字化、可视化、动态化,以期能为坡面细沟侵蚀演变过程及定量化研究提供新的思路和技术手段。本文主要研究结论如下:（1）无人机贴近摄影测量在坡面细沟侵蚀测量中精度可达到毫米级。在无人机飞行高度8m,镜头角度-60°,重叠率80%～90%,布设10个像控点的情况下,平面均方根误差0.4006cm,高程均方根误差0.8823cm,三维实景模型地理配准均方根误差1.5cm,模型细节清晰,着色均匀,无明显拉花、畸变。（2）无人机贴近摄影测量精度的主要影响因素有飞行高度、镜头朝向、像控点等。飞行高度越高,模型精度越低,但数据获取和处理量也会相应减少,飞行高度对沟深识别精度影响最大;镜头朝向本质上影响着照片重叠率,与物体“面拟合程度越好,照片重叠率越高,模型细节越平滑细致,精度越高;像控点对细沟模型相对精度影响不大,但对于多期模型定位与叠加分析至关重要。（3）多期高精度模型通过“栅格差减运算,结合土壤容重可有效模拟计算土壤侵蚀量。土壤侵蚀量实测值与模拟值之间的相对误差在-18%～13%之间,降雨初期由于面蚀的发生,侵蚀量较大,高程变化却不大,导致模拟误差较大,随着降雨历时的不断增加模拟精度趋于稳定,平均误差10%以内。（4）多期高精度模型能够刻画细沟发育经历的雨滴溅蚀-片蚀-小跌水-断续细沟-连续细沟5个阶段。坡面细沟平均沟宽、沟深、平面密度分别从最初的1.25cm、0.82cm、0.05发展为第6场降雨的3.27cm,4.75cm、0.23;最终主沟最大沟长236cm,最大沟深14.23cm。（5）通过利用无人机技术,可以更加精准地监测坡面细沟侵蚀过程,从而更直观地识别坡面各部位的微地形变化,这种方法比传统的三维激光扫描仪和近景摄影测量更加灵活高效,而且更具针对性和适应性,为坡面细沟侵蚀监测及研究提供了新的思路和技术手段。