基于无人机影像的土壤侵蚀沟深度测算方法技术

本发明专利技术提供一种基于无人机影像的土壤侵蚀沟深度测算方法，属于无人机遥感监测领域。首先确定监测区所处地理位置，获取监测区无人机影像并进行预处理，同时记录无人机飞行时间；对无人机影像进行面向对象分类，识别土壤侵蚀沟边界与侵蚀沟内阴影区域；根据研究区所在位置及无人机影像采集时间计算太阳高度角和太阳方位角，确定目标点阴影投射方向；根据阴影方向测算侵蚀沟边缘投射的阴影长度；计算目标点距投射阴影起点的相对高度；测算目标点所处坡度，计算土壤侵蚀沟深度。本方法实现大量土壤侵蚀沟深度的快速测算，为了解监测区土壤侵蚀现状提供数据基础，其实施成本低、速度快、工作量小。工作量小。工作量小。

【技术实现步骤摘要】
基于无人机影像的土壤侵蚀沟深度测算方法

：
[0001]本专利技术涉及一种基于无人机影像的土壤侵蚀沟深度测算方法，属于无人机遥感监测领域。
技术背景
[0002]我国生态环境脆弱，土壤侵蚀是常见的生态环境问题，土壤侵蚀造成大量土壤养分流失，影响区域生态环境。土壤侵蚀分为面蚀和沟蚀，面蚀不容易被人们察觉，而沟蚀则会形成土壤侵蚀沟，破环原有的地表形态。生态环境监测成为发现生态问题的主要手段，在土壤侵蚀沟监测中主要应用遥感技术，实现土壤侵蚀沟的分布、发育以及特征的数据的获取。
[0003]在遥感监测中，由于正射影像属于二维数据，因此对三维空间属性的研究是一个难点。土壤侵蚀沟深度是反映侵蚀状况的重要指标之一，目前调查中多采用现场实地测量的方式，实地测量不仅工作量巨大、效率低、需要消耗大量人力物力，而且无法做到全面调查。若能利用无人机遥感技术实现对侵蚀沟深度的测算对于土壤侵蚀分析具有重要意义，因此，需要一种基于无人机遥影像的土壤侵蚀沟深度的测算方法，以提高土壤侵蚀监测的工作效率。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的不足之处，提供一种法简单、易于实施、成本低、效率高的基于无人机影像的土壤侵蚀沟深度识别方法。
[0005]为实现上述技术目的，本专利技术的一种基于无人机影像的土壤侵蚀沟深度测算方法：首先利用无人机获取监测区的影像并进行预处理，并实时记录无人机飞行时间；对无人机影像进行面向对象分类，识别土壤侵蚀沟边界与侵蚀沟内阴影区域，将影像中土壤侵蚀沟边界的所有像素点作为目标点，然后根据研究区所在位置及无人机影像采集时间计算太阳高度角和太阳方位角，确定各个目标点阴影投射方向；根据阴影方向测算侵蚀沟边缘投射的阴影长度；依次计算所有目标点距投射阴影起点的相对高度，并测算目标点处的坡度，最终计算出目标点区域的土壤侵蚀沟深度；
[0006]具体步骤如下：
[0007]步骤1，确定监测区所处地理位置的环境信息，根据监测区的环境信息设置无人机的飞行参数，利用无人机对监测区进行拍摄获得监测区的正射影像，并在拍摄影像的同时记录拍摄时间，对获取的无人机影像并进行预处理，包括影像拼接、影像校正以及影像裁剪；
[0008]步骤2，对预处理后的正射影像采用面向对象的分类的方法进行分割，采用多尺度分割算法将正射影像中的土壤侵蚀沟的边界识别出来，多尺度分割算法的分割参数则通过多次改变无人机影像的变形状因子和紧致度因子参数进行比较试验，选出最优的分割参数，然后在土壤侵蚀沟边界识别结果范围内进行二次分类识别从而识别出侵蚀沟内阴影区
域；
[0009]步骤3，将影像中土壤侵蚀沟边界的所有像素点作为目标点，分别利用公式(1)和公式(2)计算太阳高度角和太阳方位角，确定各个目标点在太阳下的阴影投射方向：
[0010]sinα＝sinΦsinδ+cosΦcosδcosω
ꢀꢀ
(1)
[0011][0012]其中，Φ为地理纬度；δ为太阳赤纬；ω为太阳时角；α为太阳高度角；γ为太阳方位角；
[0013]步骤4，确定各个目标点阴影投射方向后，计算目标点与在侵蚀沟内部投影点的图上距离，以像素数表示。进而计算目标点与在侵蚀沟内部投影点的实际距离x，通过实际距离等于图上距离乘以图像分辨率计算获得；
[0014]步骤5，将目标点在影像上的垂直投影点作为投射阴影起点，根据公式(3)计算目标点距投射阴影起点的相对高度h
’
：
[0015][0016]其中，h'为目标点距投射阴影起点的相对高度；α为太阳高度角；x为目标点与在侵蚀沟内部投影点的实际距离；
[0017]步骤6，利用公式(4)计算各目标点处的土壤侵蚀沟深度h：
[0018][0019]其中，x为目标点与在侵蚀沟内部投影点的实际距离；α为太阳高度角；β为坡度。
[0020]进一步，所述步骤3中，太阳赤纬与太阳时角计算方法如下：
[0021]太阳赤纬值日变化很小，一年内任何一天的赤纬角δ利用公式(5)计算：
[0022][0023]式中N为日数，自每年1月1日开始计算,δ单位为弧度；
[0024]利用公式(6)计算太阳时角ω：
[0025]ω＝15
°×
(ST
‑
12)
ꢀꢀꢀ
(6)
[0026]其中ST为真太阳时，以24小时计。
[0027]进一步，所述步骤4中，无人机影像分辨率与无人机采集数据时的飞行高度有关，无人机的飞行高度是对于起飞点高程而言的，因此在无人机影像中标注的任一目标点的分辨率利用公式(7)计算：
[0028][0029]其中，a为分辨率，单位cm/pixel；H为飞行器从起飞点起算的飞行高度，单位m；H
起飞点
为起飞点高程，单位m；H
目标点
为目标点高程，单位m。
[0030]进一步，步骤1无人机影像采集时选取晴朗且光线充足的天气，同时采集时间避免太阳高度角过高或过低时刻。
[0031]进一步，步骤2不宜选择宽度过窄的侵蚀沟作为测算目标。
[0032]有益效果：
[0033]本方法利用无人机即可解决了在遥感监测中，对侵蚀沟深度属性监测的难点。利用无人机遥感数据实现侵蚀沟深度的快速调查，其优点在于：相对于现场实地测量的方式，无人机技术的应用大大降低了工作量，提高了调查效率，具有成本低、耗时少的优点；该方法能够实现全面调查，能够极大的避免调查时的遗漏，尤其是对于人员难以进入的地形复杂区域；目前数据信息话管理已经成为主流，利用该方法实现侵蚀沟识别和深度测算后，有利于信息的入库，避免了调查数据的再整理。
附图说明
[0034]图1是本专利技术基于无人机影像的土壤侵蚀沟深度测算方法的流程图；
[0035]图2是利用本专利技术识别出的土壤侵蚀沟影像示意图；
[0036]图3是太阳高度角与太阳方位角示意图；
[0037]图4是影像投射方向结果示意图；
[0038]图5太阳高度角对阴影长度的影响示意图；
[0039]图6是坡面土壤侵蚀沟深度测算示意图。
具体实施方式
[0040]下面结合附图对本专利技术的实施例做进一步说明：
[0041]如图1所示，本专利技术的一种基于无人机影像的土壤侵蚀沟深度测算方法：首先利用无人机获取监测区的影像并进行预处理，并实时记录无人机飞行时间；对无人机影像进行面向对象分类，识别土壤侵蚀沟边界与侵蚀沟内阴影区域，将影像中土壤侵蚀沟边界的所有像素点作为目标点，然后根据研究区所在位置及无人机影像采集时间计算太阳高度角和太阳方位角，确定各个目标点阴影投射方向；根据阴影方向测算侵蚀沟边缘投射的阴影长度；依次计算所有目标点距投射阴影起点的相对高度，并测算目标点处的坡度，最终计算出目标点区域的土壤侵蚀沟深度；
[0042]具体步骤如下：
[0043]步骤1，确定监测区所处地理位置的环境信息，根据监测区的环境信息设置无人机的飞行参本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于无人机影像的土壤侵蚀沟深度测算方法，其特征在于：首先利用无人机获取监测区的影像并进行预处理，并实时记录无人机飞行时间；对无人机影像进行面向对象分类，识别土壤侵蚀沟边界与侵蚀沟内阴影区域，将影像中土壤侵蚀沟边界的所有像素点作为目标点，然后根据研究区所在位置及无人机影像采集时间计算太阳高度角和太阳方位角，确定各个目标点阴影投射方向；根据阴影方向测算侵蚀沟边缘投射的阴影长度；依次计算所有目标点距投射阴影起点的相对高度，并测算目标点处的坡度，最终计算出目标点区域的土壤侵蚀沟深度；具体步骤如下：步骤1，确定监测区所处地理位置的环境信息，根据监测区的环境信息设置无人机的飞行参数，利用无人机对监测区进行拍摄获得监测区的正射影像，并在拍摄影像的同时记录拍摄时间，对获取的无人机影像并进行预处理，包括影像拼接、影像校正以及影像裁剪；步骤2，对预处理后的正射影像采用面向对象的分类的方法进行分割，采用多尺度分割算法将正射影像中的土壤侵蚀沟的边界识别出来，多尺度分割算法的分割参数则通过多次改变无人机影像的变形状因子和紧致度因子参数进行比较试验，选出最优的分割参数，然后在土壤侵蚀沟边界识别结果范围内进行二次分类识别从而识别出侵蚀沟内阴影区域；步骤3，将影像中土壤侵蚀沟边界的所有像素点作为目标点，分别利用公式(1)和公式(2)计算太阳高度角和太阳方位角，确定各个目标点在太阳下的阴影投射方向：sinα＝sinΦsinδ+cosΦcosδcosω
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(1)其中，Φ为地理纬度；δ为太阳赤纬；ω为太阳时角；α为太阳高度角；γ为太阳方位角；步骤4，确定各个目标点阴影投射方向后，计算目标点与在侵蚀沟内部投影点的图上距离，以像素数表示。进而计算目标点与在侵蚀沟内部投影点的实际距离x，通过实际距离等于图上距离乘以图像分辨率计算获得；...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟超，张绍良，梁洁，侯湖平，高峰，米家鑫，王友凤，
申请(专利权)人：内蒙古自治区国土空间规划院，
类型：发明
国别省市：