基于无人机遥感技术的水土保持监测信息数据管理方法_张李均

2022 年第 10 期

随着全球经济的发展 ，各国都在加快工业现 代化进程 ，对于土地资源的开发也与 日俱增 [1] 。 这会出现大量的土石方挖掘 、弃土弃渣和过多的 临时土堆建筑等 ，导致地表 、地貌和土壤植被受 到严重破坏 [2] 。甚至会产生严重水土流失 ，诱发 泥石流山体滑坡等自然灾害 ，使生态环境受到严 重破坏 [3] 。

水土保持对于人文生态的保护具有重要意义， 而现阶段水土保持的信息化水平较低 ，不能满足当 前环境检测保护的需要 。传统的水土保持监管更多 基于人工监测 ，效率低 、精度差 、信息反馈不及 时 ，存在诸多问题 [4] 。通过高新技术的应用 ，利用 遥感技术与计算机网络信息管理 ， 获取数据精度 高 、可以对相关方面实时监控 ，从而能够实现对于 水土保持工作的高效管理 [5] 。

传统的水土保持信息主要通过野外勘测来收

集 ，获得地形地貌的一系列数据 ，容易出现大量数 据误差 ，对于数据的保护和管理方面 ，也会出现图 像更新不及时 ，数据资料缺乏等困难 。利用计算机 技术和遥感测算 ，能够提高水土保持的信息获取效 率 ，受到了研究人员的热切关注 [6] 。无人机可以用 来制作水土保持情况的影像图 ，结合低空航测 ，可 以快速获取待测区域范围内的地形地貌数据 、植被 分布情况等信息 。通过管理系统可以有效实现遥感 数据的采集 、处理和应用 [7] 。

本文主要研究基于无人机遥感技术的水土保

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持监测信息数据管理办法 ，通过无人机获得的数 据影像 ，利用辅助软件构建水土保持数据库 ， 实 现对于地貌合规性和植被保护情况的动态监控， 保证对 于 水 土 保 持 数 据 的 高 效 获 取 和 快 速 分 析 处理 。

1 水土保持监测

1. 1 监测数据内容

根据 2015 年水利部办公厅发布的《生产建设项 目水土保持监测规程( 试行) 》文件 。对于水土保持 监测需要与开发建设同步开展 [8] 。监测内容主要 包括:

( 1) 施工区域水土流失状况和开发建设项目的 相关防治效果;

( 2) 水土保持方案的设计和施工情况 ，相关工 程的进度情况;

( 3) 督查水土流失隐患 ，并进行相关防治建议 的提出和改进;

( 4) 水土保持监管以及公众监督技术支持。

1. 2 监测方法

土地资源的开发和利用 ，方式多种多样 ，住宅 建筑 、公路铁路 、资源开发 、管路铺设等 。尽管开

收稿日期: 2022-06-06

作者简介: 张李均( 1982 年—) ，男 ，工程师。

E-mail: linye77079583067@ 163. com

发的项目情况不同 ，但是对于水土资源的破坏情况 都有一定的相似性 [9] 。引发水土资源流失 ，扰动范 围大等 ，而且水土的流失还会随着时间的变化而 变化。

对于水土保持的监测方法有很多种 ，对于一些 防治责任范围较小的项目 ，可以采用实地测量 、现 场观察 、数据分析等方法和手段 。而对于大范围的 项目就需要采用遥感监测 ，主要依托卫星监测和无 人机监测等 。利用遥感手段 ，全面了解相关项目进 行区域的地形地貌数据 ，获取水土流失数据。

2 基于遥感影像的监测方法

2. 1 遥感影像数据的获取

利用无人机的遥感影像获取水土保持的监测数 据需要 3 个步骤 ，分别为飞行路径规划设计 、无人 机原 始 图 像 数 据 获 取 和 无 人 机 原 始 图 像 数 据 处理 [10] 。

对于原始数据的处理工作 ，需要通过专用的图 像处理软件来完成 [11] ，诸如三维建模 、数据分布 等精细的目标区域数据重建 。对于同一个目标位置 的三维建模 ，需要的图像不能低于 2 张 。通过照片 的阵列排布 ，软件会自动完成相关的影像命名匹配 工作 ，并根据路径规划估算图像拍摄时的相机角 度 ，从而进行数据校正 。根据上述信息构建点云， 进而实现多边形网格重建 ，再根据相应的图像效果 添加完成数据的处理过程。

2. 2 监测信息的数字图像提取

对于水土保持工作 ，需要监测的信息主要包括 土地类型 、各地物的位置 、监测对象的尺度和位置 信息 、这些 均 可 以 在 完 成 后 的 图 像 处 理 信 息 中 获得 [12] 。

对于图像中监测对象的位置信息 、尺寸信息和 体积高度信息等均采用计算机微积分的形式进行相 应处理 [13] 。利用网格的尺度估计对象的体积高度 面积等信息 ，并可以利用时间差作积分 ，评估对象 信息的变化速率情况 。利用三维图像效果 ，可以真 实反映项目区域内的水土保持情况和处理细节 ，对 于有误差的信息可以采用局部修正来保证图像数据 的可靠性。

3 无人机遥感监测信息数据库设计

3. 1 设计原则

对于无人机遥感监测信息数据的数据库设计，

需要遵循一定的规则。

主要包括:

( 1) 数据库系统技术性强 、实用水平高 。根据 数据库技术的发展 ，综合考虑系统的普及性情况， 可以利用成熟度高 、综合成本较低的 Oracle 作为数 据库开发工具 ，能够有效满足用户的各种需求 ，且 具有很强的扩展性 [14] 。

( 2) 数据库系统稳定性好 、可靠性能佳 。对于 无人机遥感数据来说 ，其数据库系统必须具备较强 的数据恢复能力 ，Oracle 系统数据库数据备份能力 强 ，可以为系统提供良好的容错能力 ，有效保障遥 感影像数据的完整性 。为了保证数据的安全性 ，可 以在系统中设置管理权限 ，通过授权加密设计保证 核心数据的访问安全 。数据库系统同样需要具备强 大的抗干扰能力 ，对于操作错误等 ，能够及时提出 处理方案和警告信息。

( 3) 数据库系统需要具备一定的扩展性和灵活 性 [15] 。 由于无人机遥感技术发展迅速 ，大量的升 级功能正在开发 ， 因此对于相关影像数据库方面， 就需要具备良好的开放性和扩展性 ，能够兼容各种 类型的系统 ，对于用户的功能需求可以在不影响原 系统稳定的情况下迅速扩展 ，数据的格式和数据的 接口需要复合国家标准。

( 4) 数据库系统具备 一 定的独立性和良好的 数据共享能力 。保证影像数据库能够独立于无人 机而存 在 ， 同 时 能 够 与 其 他 用 户 之 间 共 享 数 据 服务 。

3. 2 数据管理关键技术

3. 2. 1 地理参照。

作为元数据的一部分 ，地理参照是将栅格图像 与地面坐标之间的进行转换 ，是两者之间的一种对 应关系 ，通过坐标对应 ，地理参照可以将无人机拍 摄的图像单位转换成地面的直接坐标 。理论上可以 认为地面参照的原理就是在大点的坐标系中将栅格 图像进行坐标定位 ，如图 1 所示。

图 1 图像坐标系与地面坐标系关系

地理参照的作用只是在于对图像坐标和地面位

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置坐标之间建立一种关系 ，通过对应将栅格中的点 找到对应的位置 ，但是对于栅格图像的单元数据等 并不会有所改变。

式中 ，row— 图像的行坐标; col— 图像的列坐标; x—大地坐标对应的横坐标; y—大地坐标对应的纵 坐标; a 、b 、c 、d 、e、f—对应的参数。

3. 2. 2 影像数据分块与金字塔结构。

在影像数据的管理中 ， 由于影像数据量较大， 对于其数据提取只是选择其中的一部分 ，从而保证 系统读写速率。

对于大量的栅格数据需要按照一定的规则进行 存储 ，提高系统运行效率 。栅格数据一般按照正方 形的分块方法进行划分 ，根据实际系统需要 ，对数 据块进行划分。

对于图像长宽比例不能满足分块整数倍的情

况 ，需要对于图像进行补零操作 ，对图像的数据的 左右或者上下补上一定的零数据 ，实现图像有效划 分 。补充零数据的图像如图 2 所示。

图 2 图像数据补 0 操作

对于栅格图像的显示 ，通常情况下并不需要显 示全部图像 ，而是需要缩小的显示效果 ，根据情况 加载缩小化图像可以提高系统显示速率 ，尤其是在 不需要详细显示的时候 ，显示图像的轮廓就能完成 基本要求 ， 图像金字塔技术就是在栅格图像显示管 理中一种提高显示素的技术。

金字塔结构是一种具有多种分辨率层级的模

型 ，用一组栅格数据来代表同一个地理位置上的不 同分辨率图像 ，一般呈等比数列分布。

影像金字塔的构建主要通过一次次对最高分辨 率图像进行压缩 ，得到一组尺寸逐级递减的影像序 列 ，如图 3 所示。

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图 3 影像显示金字塔

影像金字塔可以有效提高用户操作过程中的查 询效率 ，但是建立金字塔的层级越多 ，数据库中需 要存储的数据越多 ，复杂性也就越高。

如果金字塔的最下面一级为 0 级 ，则可以用 r( 0) ，c( 0) 和 h( 0) 表示其对应的行尺寸 、列尺寸 和分辨率 。对于第 n 级的影像来说 ，其对应的尺寸

数据如下式: r( n) = ( int) c( n) = ( int) h( n) = h( 0) × 2 × n 3. 2. 3 空间索引

( 2) ( 3) ( 4)

空间索引的建立 ， 主要是为了在数据查询过 程中 ，可以通过数据库快速定位到对象的位置， 提高系统操作的效率和响应速度 。通过组织方式 的改进 ，有效减少数据响应时间提高数据库性能， 是数据库管理的核心和关键 。主要包括四叉树和 R 树 2 种 索 引 机 制 ， 可 以 单 独 使 用 也 可 以 混 合 作用 。

( 1) 四叉树索引主要适用于空间索引 ，包括各 类点数据 、区域数据和多维数据等 。可以将其根据 数据长度分成定长索引和变长索引。

定长索引主要将空间数据进行四等分划分 ，并 持续递归四等分划分 。直到所有元素均落入方格 内 ，根据莫顿编码生成四叉树。

变长索引主要是在定长索引的形成过程中， 对于空间对象集中的区域 ，会过度划分网格 ，造 成整个空间内的冗余数据增多 。仅对于元素覆盖 密集的区域进行继续划分 ，则可以有效降低冗余 数据 量 ， 形 成 一 般 的 四 叉 树 ， 对 应 索 引 为 变 成 索引 。

( 2) R 树索引是 Oracle 中默认推荐使用的空间 索引 ，通过最小矩形边界来对几何体进行空间匹 配 。对于特定的几何体图层 ， R 树索引中包括该 图层上 面 的 所 有 几 何 体 的 最 小 矩 形 边 界 索 引 。 该索引的数 据 也 同 样 存 储 于 空 间 索 引的 数 据 表 格中 。

3. 3 无人机遥感技术在水土保持中的应用

无人机遥感技术是伴随着无人机技术的发展而 来的 ， 以无人机作为空中媒介 ，搭载各类型传感 器 ，获取相关数据图像信息 。 由计算机对数据进行 相应处理 ，结合特定数据需求完成数据收集和整理 工作。

将无人机技术与水土保持监测结合 ，使用方法 简便 ，监测效果良好 ，可以为各建设项目的水土保 持提供更好的技术支持。

3. 4 无人机遥感水土保持监测信息数据管理

对于水土保持数据的管理 ，主要通过元数据的 管理形式 ，用于说明数据中的内容 、质量 、水土保 持状况和其他相关信息。

元数据可以对于收集到的水土监测数据进行很 好的说明 ，从而使得用户在查询过程中能够快速了 解数据的相关信息。

水土保持的元数据主要包括 2 大部分数据信

息 ，分别为目标基本属性信息和目标附加属性信 息 。基本属性如无人机传感器类型 、数据获取时 间 、获得图像分辨率 、地图坐标位置 、数据类型 等 ，是关于监测数据影像的关键部分 。附加信息主 要是与数据应用相关的一 系列信息如信息记录者、 数据编写日期 、存放方式等 ，主要是对于相关水土 保持数据提供索引信息。

遥感影像数据的管理 ， 可以采取结构化数据 存储方 式 。通 过 同 时 存 储 遥 感 影 像 数 据 和 对 应 元数据 ， 能 够 快 速 发 挥 数 据 库 管 理 的 效 率 和 作 用 ，是当前 水 土 保 持 监 测 信 息 管 理 的 主 要 存 储 方式 。

4 结语

无人机遥感监测技术提供了水土保持监测技 术的手段 ，大大提高了数据监测的效率 ，结合水 土保持监测的要求 ， 可以从遥感数据获取 、监测 信息提取和数据库管理等方面 ，构建无人机遥感 的水土保持监测数据管理系统 ， 实现对于地貌合

规性和植被保护情况的动态监控 ，保证水土保持 数据的高效获取和快速分析处理 。构建水土保持 的数据库 ，对水土保持数据进行管理 ，通过元数 据的管理形式 ，进一 步提升了信息监测和数据管 理的效率 。但是由于水土流失受自然现象影响严 重 ，破坏情况无法实时获取 ，需要研究人员在相 关方面 继 续 研 究 ， 为 水 土 保 持 提 供 更 好 的 技 术 支持 。

参考文献

[1] 任怀泽，张榆兴．无人机低空遥测技术在水土保持监测中的应

用 [J] ．南方农业，2021，15( 18) : 229-231．

[2] 马倩．基于无人机遥感技术的作物分布信息提取方法研究 [D] ．

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) ，2021．

[3] 窦智，马军，杨可明，等 ．无人机视频图像遥感质量监控的

实时拼接关键技术 [J] ． 科 技 创 新 与 应 用，2020 ( 35 ) : 34 - 36 ，39．

[4] 张子仪，徐华强．水利工程水土保持措施方案研究 [J] ．水利技

术监督，2020( 6) : 244-247．

[5] 刘灿，杨浩翔，王鹏，等．无人机低空遥感技术在生产建设项目

水土保持监测中的应用: 以某燃机电厂为例 [J] ．亚热带水土保 持，2020，32( 1) : 60-64．

[6] 邹凯，孙永华，李小娟，等．基于无人机遥感的水质监测研究综

述[J] ．环境科学与技术，2019，42( S2) : 69-75．

[7] 王新星，刘涛，董亚维，等 ．卫星遥感与无人机遥感技术在

生产建设项目水土 保 持 监 管 中 的 应 用: 以 晋 陕 蒙 接 壤 地 区 部批生产建 设 项 目 为 例 [J] ． 中 国 水 土 保 持，2019 ( 11 ) : 29 -33．

[8] 周敏姑，邵国敏，张立元，等．基于无人机遥感的冬小麦叶绿素

含量多光谱反演[J] ．节水灌溉，2019( 9) : 40-45．

[9] 曾宏琦，文承荣．无人机遥感技术在开发建设项目水土保持监

测中的应用 [J] ．广东水利水电，2019( 8) : 91-95．

[10] 阎世煜，王秀茹，王霄，等．无人机遥感数据处理模型的计算

精度分析: 以引黄入冀补淀工程水土保持监测为例 [J] ． 中国 水土保持科学，2019，17( 2) : 121-131．

[11] 应恩宇，张立存．水土保持与荒漠化防治思路 [J] ．水利技术

监督，2021( 11) : 70-72，163．

[12] 胡玉杰，屈创．无人机遥感在水土保持领域的应用研究 [J] ．

中国水土保持，2019( 4) : 57-61，69．

[13] 李广，张立元，宋朝阳，等．小麦倒伏信息无人机多时相遥感

提取方法 [J] ．农业机械学报，2019，50( 4) : 211-220．

[14] 花蕊，周睿，王婷，等．基于无人机遥感的高寒草原沙化模型

及等级划分[J] ．中国沙漠，2019，39( 1) : 26-33．

[15] 张瑜，张立元，Zhang Huihui，等．玉米作物系数无人机遥感协

同地面水分监测估算方法研究 [J] ．农业工程学报，2019，35 ( 1) : 83-89．

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