[发明专利]基于无人机影像的土壤侵蚀沟深度测算方法

说明书

本发明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。

技术领域：

本发明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

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。

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。

发明内容

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。

为实现上述技术目的，本发明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；

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 (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；

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’：