CN110243347A

CN110243347A - 一种基于近景摄影测量的侵蚀沟监测方法

Info

Publication number: CN110243347A
Application number: CN201910554856.6A
Authority: CN
Inventors: 张斌; 罗君; 覃发超; 吕威; 刘辉; 邓青春; 罗明良; 郑吉林
Original assignee: China West Normal University
Current assignee: China West Normal University
Priority date: 2019-06-25
Filing date: 2019-06-25
Publication date: 2019-09-17

Abstract

本发明公开了一种基于近景摄影测量的侵蚀沟监测方法，包括在侵蚀沟周围布设拍照标靶，采用全站仪或RTK‑GPS对标靶中心点进行测量，获取位置信息；利用非量测普通数码相机，围绕侵蚀沟顺（逆）时针进行人工拍照；将照片导入Agisoft Photoscan软件，经相机定标、照片拼接、标靶检测操，建立侵蚀沟稀疏点云、密集点云和格网，导入标靶点的坐标，得到侵蚀沟的数字高程模型和数字正射影像；将高精度侵蚀沟的数字高程模型导入到ArcGIS 10.2软件中，提取侵蚀沟的形态参数和侵蚀量信息。该方法对于仪器的依赖及要求程度不高，成本低，实验耗材少，能快速得高质量数字高程模型数据，便于精准地提取侵蚀沟的信息。

Description

一种基于近景摄影测量的侵蚀沟监测方法

技术领域

本发明属于水土保持工程技术领域，涉及一种侵蚀沟监测方法，尤其涉及一种基于近景摄影测量的侵蚀沟监测方法。

背景技术

沟蚀是坡面土壤侵蚀的主要形式之一，其使坡面产沙量增加几倍至数十倍，严重破坏了农业生产和生态环境，使土地资源遭受了极大的损失。精确有效地监测方法是掌握侵蚀沟形态变化和发展的基础，对于深入揭示侵蚀沟的形成机理具有重要意义。

侵蚀沟监测是有效提取侵蚀沟形态参数的重要途径。综合国内外的各种侵蚀沟监测技术，大致可分为接触式和非接触式监测。测针板、侵蚀针等传统的接触式监测方法简单，技术要求性不高，但其工作量过大，人工主观性强，精度很难得到保证，仅适用于小尺度的侵蚀沟监测。3S技术在水土保持领域的发展将非接触式测量引入到侵蚀沟监测中，极大地提高了数据获取的精度与效率。高精度RTK-GPS具有亚厘米级高精度定位特征，但其需要以卫星信号为基础，野外条件下的地形复杂，微地貌的坡面沟蚀尺度较小，很难确保以此提取的沟沿线和沟底线的数据质量。三维激光扫描仪通过非接触性激光获取侵蚀沟的地形数据，能够很大程度建立侵蚀沟地形模型，但因仪器昂贵，成本较高，在普适性上有所欠缺，加之仪器设备笨重，在野外的搬运与操作难度也大。利用多时相的遥感影像可以宏观尺度上监测不同时期的侵蚀沟形态，但受时空分辨率制约，难以较好反映具体单一侵蚀沟的变化性，此外，大数据量的计算与存储也使得该方法受到了限制。

另有中国专利公告号为CN102620675A，公开了一种测量土壤侵蚀沟的仪器。目的是提供的仪器应能测量一定范围内坡面或曲面的侵蚀深度，直接测得坡面侵蚀量，并具有检测精度高、检测效率高以及自动化程度高的特点。技术方案是：便携式转角结构激光水土流失监测仪，包括单片机、蓝牙通信器、电池及激光测距仪；其特征在于该测量仪还包括支撑架及测量头；测量头包括支撑外壳、传感器底板及摆动机构；所述支撑外壳包括上下对接且轴线重合的柱状的上外壳和下外壳；下外壳内固定一输出轴竖直往上伸出的水平旋转电机；上外壳内可转动地竖直安装着与前述输出轴插接配合的旋转主轴，上述专利不能监测不同时期的侵蚀沟形态。

综上所述，目前在侵蚀沟的监测领域，尚缺少一种的高效、便捷的中小尺度侵蚀沟监测方法。随着沟蚀研究对数据源的精确性要求不断提升，加之水土保持日常工作的效率需求，都亟需寻求一种高效、简便的侵蚀沟监测方法。在此背景下，对中、小尺度的侵蚀沟监测与提取方法进行探索，可为坡面沟蚀的相关研究提供重要的方法和技术支撑。

发明内容

为了克服上述背景技术中现有侵蚀沟监测方法的不足，本发明提供了一种基于近景摄影测量的侵蚀沟监测办法，具有精度效率高的特点。该方法基于定焦数码相机（硬件）和Agisoft PhotoScan(软件)获取侵蚀沟形态数据。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于近景摄影测量的侵蚀沟监测方法，其特征在于，包括以下过程：

步骤1，近景摄影标靶布设及测量：

在侵蚀沟四周布设拍照标靶，标靶设置方式为：沿侵蚀沟的沟沿线和沟底部，每隔一定间距布设，布设完毕后采用全站仪或RTK-GPS对标靶中心点进行测量，获取位置信息；

步骤2，侵蚀沟近景摄影：

在步骤1基础上，利用非量测普通数码相机，设置固定焦距，曝光时长，围绕侵蚀沟顺和/或逆时针进行人工拍照，拍摄时保证相邻两景影像的重叠率保持在60-80%；

步骤3，Agisoft Photoscan软件处理：

在步骤2的基础上，将拍摄的照片导入Agisoft Photoscan软件，经过相机定标、照片拼接、标靶检测操作后，建立侵蚀沟的稀疏点云、密集点云和格网，导入标靶点的坐标，得到侵蚀沟的数字高程模型和数字正射影像；

步骤4，侵蚀沟形态参数提取：

在步骤3的基础上，将得到的高精度侵蚀沟的数字高程模型导入到ArcGIS 10.2软件中，经水文分析和3D分析工具，提取侵蚀沟的形态参数和侵蚀量信息。

所述步骤1中，标靶为Agisoft PhotoScan软件输出后打印裁剪所得，标靶可分为编码与非编码标靶, 标记类型可分为12位、14位、16位和20位，其中心点半径可手动设置；标靶材质为纸质或金属材质；标靶的布设围绕沟沿线一圈和沟底线，布设距离设置为1m。

所述步骤1中，对标靶坐标位置的测量使用全站仪或RTK-GPS，以标靶中心圆点为测量目标。

所述步骤2中，使用高分辨率数码相机，有固定焦距，在相机设置上，使用原始无损的TIFF图像格式，ISO设为最低值避免噪点，且无曝光补偿、偏中心平均测光、无闪光灯模式和最大图像分辨率。

所述步骤2中，拍照方式：以侵蚀沟为对象，有从沟头至沟口、从沟口至沟头、围绕沟道顺时针和逆时针共四种模式，相邻两景照片的重叠率要保持60%的侧向重叠和80%的正向重叠之间。

所述步骤3中，Agisoft Photoscan软件处理分为四个部分：第一阶段为相机对准，自动匹配相机位置及图像共同点，形成侵蚀沟稀疏点云；第二阶段为密集点云的生成，通过稀疏点云进一步匹配图像所形成；第三阶段为地形重建，即侵蚀沟的数字高程模型、3D模型等产品的生成；第四阶段为侵蚀沟正射影像等的生成。

所述步骤4中的侵蚀沟形态参数为侵蚀沟长度、宽度、深度、沟网密度、沟网割裂度、沟网分叉比和合并节点数中的至少一种。

所述步骤4中的侵蚀量信息为土壤侵蚀量、侵蚀速率、土壤沉积量和侵蚀面积中的至少一种。

该方法可适用于同一侵蚀沟的长时间监测，比较其形态演化情况。

上述发明提出了一种简易高效的监测方法，利用普通非量测数码相机（定焦）对侵蚀沟重叠摄影，通过相关软件构建侵蚀沟的数字正射影像，并获取其数字高程模型，在此基础上提取侵蚀沟形态参数，有效提高了野外侵蚀沟数据获取的效率和精度。该方法可适用于中、小型规模的侵蚀沟长期监测，扩展了侵蚀沟提取的持续性特征，为区域内沟道侵蚀调查与评价、沟蚀演化提供了重要的技术与数据支撑。

同时上述发明提出了一种基于高分辨率定焦相机获取高精度侵蚀沟DEM的思路，在传统基于影像提取侵蚀沟的基础上，通过构建侵蚀沟3D模型方便快捷地获取侵蚀沟形态数据，有效地提高了研究的精度与效率。基于时间尺度获取同一侵蚀沟数据，可快速地分析及监测侵蚀沟的发展情况。本发明从应用的角度来研究干热河谷退化区的临时性侵蚀沟控制技术与方法，以期能为生产实践提供技术与方法方面的有效指导，同时也为生态退化区的生态恢复和治理，以及改善人居环境提供一定的参考。

本发明具有以下优点：

1、本发明提出了一种高精度的侵蚀沟监测方法，为区域的侵蚀沟信息提取、土壤侵蚀防治等提供了应用技术支撑。

2、本发明基于高分辨率数码相机拍摄的侵蚀沟影像，利用Agisoft PhotoScan软件生成高精度侵蚀沟DEM。方法对于仪器的依赖及要求程度不高，成本低，实验耗材少，简单快捷的操作即可获得高质量DEM数据，便于精准地提取侵蚀沟的信息。

3、应用本发明的方法，可以简单方便地进行中、小型侵蚀沟形态的监测，测量结果精确性高，具有很强的野外推广价值，适用于野外中、小型侵蚀沟的形态监测和土壤侵蚀量计算。

附图说明

图1 本发明方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例，所述方法如无特别说明均为常规方法，所述材料如无特别说明均能从公开商业途径而得。

如图1所示，一种基于近景摄影测量的侵蚀沟监测方法，包括以下过程：

步骤1，近景摄影标靶布设及测量：

在侵蚀沟周围布设拍照标靶（Mark），标靶（Mark）设置方式为：沿侵蚀沟的沟沿线和沟底部，每隔一定间距布设，布设完毕后采用全站仪或RTK-GPS对标靶中心点进行测量，获取位置信息；标靶为Agisoft PhotoScan软件输出后打印裁剪所得，标靶可分别编码与非编码标靶, 标记类型可分为12位、14位、16位和20位，其中心点半径可手动设置；标靶材质为纸质或金属材质；标靶的布设围绕沟沿线一圈和沟底线，布设距离设置为1m。对标靶坐标位置使用全站仪或RTK-GPS的测量中，以标靶中心圆点为测量目标。

步骤2，侵蚀沟近景摄影：

在步骤1基础上，利用非量测普通数码相机，设置固定焦距，曝光时长，围绕侵蚀沟顺（逆）时针进行人工拍照，拍摄时保证相邻两景影像的重叠率保持在60-80%；

步骤3，Agisoft Photoscan软件处理：

在步骤2的基础上，将拍摄的照片导入Agisoft Photoscan软件，经过相机定标、照片拼接、标靶检测操作后，建立侵蚀沟的稀疏点云、密集点云和格网，导入标靶点的坐标，得到侵蚀沟的数字高程模型（DEM）和数字正射影像；Agisoft Photoscan软件处理分为四个部分：第一阶段为相机对准，自动匹配相机位置及图像共同点，形成稀疏点云数据；第二阶段为密集点云的生成，通过稀疏点云进一步匹配图像所形成；第三阶段为地形重建，即侵蚀沟的数字高程模型、3D模型等产品的生成；第四阶段为正射影像等的生成。

步骤4，侵蚀沟形态参数提取：

在步骤3的基础上，将得到的高精度侵蚀沟的数字高程模型（DEM）导入到ArcGIS 10.2软件中，经水文分析和3D分析工具，提取侵蚀沟的形态参数和侵蚀量信息。侵蚀沟形态参数为侵蚀沟长度、宽度、深度、沟网密度、沟网割裂度、沟网分叉比和合并节点数中的至少一种。侵蚀量信息为土壤侵蚀量、侵蚀速率、土壤沉积量和侵蚀面积中的至少一种。

进一步，步骤2中，使用高分辨率数码相机，有固定焦距，在相机设置上，使用原始无损的TIFF图像格式，ISO设为最低值避免噪点，且无曝光补偿、偏中心平均测光、无闪光灯模式和最大图像分辨率。拍照方式：以侵蚀沟为对象，有从沟头至沟口、从沟口至沟头、围绕沟道顺时针和逆时针共四种模式，相邻两景照片的重叠率要保持60%的侧向重叠和80%的正向重叠之间。

如图1所示，是本发明的流程图和本发明操作方法示意图，本实施例包含以下步骤：

在自然坡面周围合理布置5个控制点，分别为K1、K2、K3、K4、K5，建立侵蚀沟相对坐标系统。在沟道区域，以合理步长放置75个标靶。用全站仪在相对坐标系统下测量控制点及标靶位置坐标。

在本实例中，采用NIKON D610 (20mm)定焦相机，图像分辨率设置为6016 X4016pix,ISO值设置为最低值。在拍摄过程中，为避免人为抖动，可采用三脚架固定拍摄，减少误差。拍摄时，相邻图像间的移动距离为30cm，保证其重叠率在70%左右。

在Photoscan pro软件中，按照工作流程进行四个阶段的操作。第一阶段为导入拍摄的98张侵蚀沟照片，后进行相机标定等参数设定。自动检测出71张标靶，检测比例为71/75，未检测出的可通过手动添加标靶。从全站仪中导出控制点及标靶点坐标，以标靶编码序号对应输入，建立侵蚀沟图像间的位置关系。第二阶段通过稀疏点云与图像的关系，进一步生成密集点云数据。第三阶段即由密集点云生成侵蚀沟DEM。第四阶段则构建侵蚀沟的正射影像。

将步骤3中的DEM导入到ArcGIS中，通过水文分析和3D分析相关工具，则可得到侵蚀沟的初始形态监测结果。

Claims

1.一种基于近景摄影测量的侵蚀沟监测方法，其特征在于，包括以下过程：

步骤1，近景摄影标靶布设及测量：

在侵蚀沟周围布设拍照标靶，标靶设置方式为：沿侵蚀沟的沟沿线和沟底部，每隔一定间距布设，布设完毕后采用全站仪或RTK-GPS对标靶中心点进行测量，获取位置信息；

步骤2，侵蚀沟近景摄影：

步骤3，Agisoft Photoscan软件处理：

步骤4，侵蚀沟形态参数提取：

2. 根据权利要求1所述的基于近景摄影测量的侵蚀沟监测方法，其特征在于，所述步骤1中，标靶为Agisoft PhotoScan软件输出后打印裁剪所得，标靶可分别编码与非编码标靶, 标记类型可分为12位、14位、16位和20位，其中心点半径可手动设置；标靶材质为纸质或金属材质；标靶的布设围绕沟沿线一圈和沟底线，布设距离设置为1m。

3.根据权利要求1所述的基于近景摄影测量的侵蚀沟监测方法，其特征在于，所述步骤1中，对标靶坐标位置的测量使用全站仪或RTK-GPS，以标靶中心圆点为测量目标。

4.根据权利要求1所述的基于近景摄影测量的侵蚀沟监测方法，其特征在于，所述步骤2中，使用高分辨率数码相机，有固定焦距，在相机设置上，使用原始无损的TIFF图像格式，ISO设为最低值避免噪点，且无曝光补偿、偏中心平均测光、无闪光灯模式和最大图像分辨率。

5.根据权利要求1所述的基于近景摄影测量的侵蚀沟监测方法，其特征在于，所述步骤2中，拍照方式：以侵蚀沟为对象，有从沟头至沟口、从沟口至沟头、围绕沟道顺时针和逆时针共四种模式，相邻两景照片的重叠率要保持60%的侧向重叠和80%的正向重叠之间。

6. 根据权利要求1所述的基于近景摄影测量的侵蚀沟监测方法，其特征在于，所述步骤3中，Agisoft Photoscan软件处理分为四个部分：第一阶段为相机对准，自动匹配相机位置及图像共同点，形成稀疏点云数据；第二阶段为密集点云的生成，通过稀疏点云进一步匹配图像所形成；第三阶段为地形重建，即侵蚀沟的数字高程模型、3D模型等产品的生成；第四阶段为正射影像等的生成。

7.根据权利要求1所述的基于近景摄影测量的侵蚀沟监测方法，其特征在于，所述步骤4中的侵蚀沟形态参数为侵蚀沟长度、宽度、深度、沟网密度、沟网割裂度、沟网分叉比和合并节点数中的至少一种。

8.根据权利要求1所述的基于近景摄影测量的侵蚀沟监测方法，其特征在于，所述步骤4中的侵蚀量信息为土壤侵蚀量、侵蚀速率、土壤沉积量和侵蚀面积中的至少一种。

9.根据权利要求1所述的基于近景摄影测量的侵蚀沟监测方法，其特征在于，该方法可适用于同一侵蚀沟的长时间监测，比较其形态演化情况。