無(wú)人機(jī)技術(shù)在水土保持重點(diǎn)治理工程措施核查工作中的應(yīng)用

高 遠(yuǎn)，楊 帆

（1.松遼水利委員會(huì)水文局（信息中心），吉林長(zhǎng)春130021；2.生態(tài)環(huán)境部松遼流域生態(tài)環(huán)境監(jiān)督管理局生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)與科學(xué)研究中心，吉林長(zhǎng)春130021）

0 引言

水土保持重點(diǎn)工程措施核查工作是水行政主管部門法定性和經(jīng)常性工作[1]，而且工作時(shí)間緊、工作量大、工作環(huán)境艱苦，迫切需要應(yīng)用現(xiàn)代化手段和方法，提高工作效率和核查數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度。近年來(lái)，松遼水利委員會(huì)在全國(guó)率先將無(wú)人機(jī)技術(shù)應(yīng)用到水土保持核查工作中，通過(guò)無(wú)人機(jī)航拍及后期航拍影像拼接處理、分析，可以快速提取水土保持措施面積、措施尺寸等數(shù)量指標(biāo)和質(zhì)量指標(biāo)；結(jié)合ArcGIS等制圖軟件，可以快速生成直觀的水土保持措施現(xiàn)狀圖，為水土保持監(jiān)管部門提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

1 無(wú)人機(jī)核查對(duì)象和指標(biāo)

水土保持措施分為面狀措施、線狀措施、點(diǎn)狀措施3種類型。面狀措施主要包括梯田、地埂植物帶、保土耕作、經(jīng)果林、種草、封育治理等；線狀措施主要包括截水溝、排水溝、護(hù)岸工程、作業(yè)路等；點(diǎn)狀措施主要包括溝頭防護(hù)、谷坊、蓄水池、橋涵、過(guò)水路面、標(biāo)志牌、宣傳碑等。

核查指標(biāo)分為數(shù)量指標(biāo)和質(zhì)量指標(biāo)。數(shù)量指標(biāo)主要包括面積、長(zhǎng)度、數(shù)量（個(gè)、座）等。質(zhì)量指標(biāo)主要包括長(zhǎng)度、寬度、高度等措施斷面尺寸，而對(duì)于水土保持措施的內(nèi)部質(zhì)量無(wú)人機(jī)不能進(jìn)行核查。

2 無(wú)人機(jī)核查技術(shù)流程

無(wú)人機(jī)核查技術(shù)流程包括核查前準(zhǔn)備、無(wú)人機(jī)航攝、航攝影像處理、措施核查等多項(xiàng)具體工作，各工作流程間具有較強(qiáng)的協(xié)調(diào)銜接性，具體技術(shù)流程見(jiàn)圖1。

2.1 核查前期準(zhǔn)備

1）前期資料收集整理

收集項(xiàng)目實(shí)施方案報(bào)告（含措施布局矢量圖、邊界矢量數(shù)據(jù)）、竣工驗(yàn)收?qǐng)?bào)告（含竣工驗(yàn)收措施布局矢量圖、邊界矢量數(shù)據(jù)）、主管部門的驗(yàn)收意見(jiàn)書(shū)（表）、等高線數(shù)據(jù)（矢量）。

2）小流域及措施圖斑抽取

圖1 無(wú)人機(jī)核查技術(shù)流程圖

通常一個(gè)水土保持項(xiàng)目區(qū)由多個(gè)小流域組成，每個(gè)小流域由土地利用、水土保持措施類型相同且空間連續(xù)的范圍措施圖斑組成。在無(wú)人機(jī)核查前，先在項(xiàng)目區(qū)內(nèi)抽取水土保持措施實(shí)施小流域，然后根據(jù)相關(guān)規(guī)定及每次核查工作的具體要求，對(duì)照小流域水土保持措施總體布置圖或水土保持措施竣工圖，按照抽取比例要求對(duì)每類措施隨機(jī)抽取無(wú)人機(jī)核查圖斑。

3）飛行條件調(diào)查

無(wú)人機(jī)在執(zhí)行任務(wù)前，需開(kāi)展環(huán)境條件調(diào)查和氣象條件調(diào)查。環(huán)境條件調(diào)查包括了解待核查小流域及其周邊有無(wú)禁飛區(qū)、限制區(qū)、危險(xiǎn)區(qū)以及電磁干擾源的分布，了解小流域的地形地貌。氣象條件調(diào)查包括提前了解飛行當(dāng)天待核查小流域的氣象條件，充分考慮氣溫、降水、霧、風(fēng)等氣象因素對(duì)飛行的影響。根據(jù)調(diào)查情況結(jié)合無(wú)人機(jī)的性能指標(biāo)，判斷飛行條件是否適合無(wú)人機(jī)飛行，如環(huán)境條件不合適，應(yīng)重新抽取小流域及措施圖斑。

4）無(wú)人機(jī)及人員配備

根據(jù)水保措施類型、航拍范圍大小、拍攝內(nèi)容（錄像、照片）、拍攝角度（垂直、傾斜）選擇無(wú)人機(jī)類型。一般小范圍、短距離、多角度的照片和視頻拍攝采用多旋翼無(wú)人機(jī)；大范圍、遠(yuǎn)距離的垂直拍攝采用固定翼無(wú)人機(jī)；線狀措施、點(diǎn)狀措施選用旋翼無(wú)人機(jī)（既可錄像、多角度拍照，又可垂直拍照）；面狀措施垂直拍攝時(shí)，圖斑面積小于0.50 km2的圖斑選用多旋翼無(wú)人機(jī)，圖斑面積大于0.50 km2的圖斑選用固定翼無(wú)人機(jī)。

每架現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)無(wú)人機(jī)應(yīng)至少配備1名無(wú)人機(jī)駕駛員、1名觀察員。

2.2 無(wú)人機(jī)航攝

1）臨飛前準(zhǔn)備

主要包括實(shí)地踏勘、航線規(guī)劃等。執(zhí)行飛行任務(wù)前，無(wú)人機(jī)作業(yè)人員需對(duì)飛行任務(wù)區(qū)進(jìn)行實(shí)地踏勘，掌握高程變化、標(biāo)志性地物、交通情況等信息，熟悉飛行環(huán)境，同時(shí)為無(wú)人機(jī)起降場(chǎng)地的選取、航線規(guī)劃、應(yīng)急預(yù)案制訂等提供資料。實(shí)際踏勘后，綜合考慮無(wú)人機(jī)飛行環(huán)境限制和飛行任務(wù)要求、無(wú)人機(jī)物理限制和實(shí)時(shí)性要求，為無(wú)人機(jī)規(guī)劃出一條或多條自出發(fā)點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的最優(yōu)和次優(yōu)航線，保證無(wú)人機(jī)高效、圓滿地完成飛行任務(wù)，并安全返回起降點(diǎn)。

2）航攝

宏觀或局部?jī)A斜拍攝時(shí)，避開(kāi)陽(yáng)光照射，采用側(cè)逆光。全覆蓋垂直航拍時(shí)，航拍范圍超出抽查圖斑邊界線應(yīng)不少于像幅的50%。航向重疊度為60%～65%，旁向重疊度為30%～35%[2，3]。地貌起伏增大時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增大像片重疊度。垂直航拍像片傾斜角一般不大于2°，個(gè)別最大不大于4°。同一航線的像片原則上應(yīng)保持同一高度，相鄰像片的航高差不得大于20 m，最大和最小航高之差不得超過(guò)30 m[2，3]。

航攝過(guò)程中，無(wú)人機(jī)駕駛員需全神貫注進(jìn)行操作，不得與圍觀人員進(jìn)行交談，嚴(yán)禁實(shí)施急轉(zhuǎn)、急加速、急減速等危險(xiǎn)動(dòng)作。無(wú)人機(jī)駕駛員須密切監(jiān)視無(wú)人機(jī)的位置、航高、機(jī)載電源電壓、飛行姿態(tài)等，一旦出現(xiàn)異常，應(yīng)及時(shí)發(fā)送指令進(jìn)行干預(yù)。無(wú)人機(jī)最大飛行速度一般不得超出標(biāo)定技術(shù)參數(shù)最大速度的80%，機(jī)載電源電壓低于40%應(yīng)考慮返航。

3）航攝影像質(zhì)量快速檢查

在飛行現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)有關(guān)軟件結(jié)合人工，對(duì)無(wú)人機(jī)航拍影像進(jìn)行快速檢查，檢查主要內(nèi)容：像片間重疊度是否滿足要求，有無(wú)航空漏洞，影像分辨率是否能滿足質(zhì)量要求等。檢查航攝影像質(zhì)量后，及時(shí)決定是否對(duì)飛行任務(wù)區(qū)進(jìn)行航攝重拍或補(bǔ)拍。

2.3 航攝影像處理及措施核查

1）航攝影像分選

無(wú)人機(jī)航攝完畢，首先對(duì)航拍影像按照小流域、措施種類、圖斑進(jìn)行分類。對(duì)分類后的影像按場(chǎng)景影像和垂直航拍照片再次進(jìn)行分類。場(chǎng)景影像包括全景照片、局部照片、視頻及現(xiàn)場(chǎng)工作照片等，所篩選的影像要求能清楚、直觀反映所抽查圖斑的整體情況，影像中最好具有典型地標(biāo)。此外，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的錄像進(jìn)行剪輯，刪除無(wú)關(guān)視頻。對(duì)垂直航拍照片進(jìn)行整理，剔除被抽查圖斑以外明顯的突出的照片，剔除傾斜角較大照片，對(duì)影像重疊率較高區(qū)域的照片進(jìn)行精簡(jiǎn)。

2）正射影像生成

將篩選后的多幅無(wú)人機(jī)垂直航拍照片導(dǎo)入相關(guān)數(shù)據(jù)處理軟件，全自動(dòng)進(jìn)行幾何校正、匹配拼接、空中三角測(cè)量、鑲嵌及勻色等步驟，最終生成能被軟件自身及GIS軟件讀取的DSM，DOM，空三成果等數(shù)據(jù)。

3）指標(biāo)測(cè)量

基于生成的DSM、DOM數(shù)據(jù)，利用三維數(shù)據(jù)分析軟件、ArcGIS軟件等對(duì)水土保持措施數(shù)量指標(biāo)和質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量指標(biāo)主要包括垂直投影面積、斜面面積、水平長(zhǎng)度、斜面長(zhǎng)度、水平寬度、垂直高度等，測(cè)量精度可達(dá)到厘米級(jí)。對(duì)每項(xiàng)措施質(zhì)量進(jìn)行測(cè)定，測(cè)量的部位、方法以及取樣的數(shù)量都應(yīng)該按照該項(xiàng)措施質(zhì)量測(cè)定的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。為減少誤差，盡可能將航攝影像放在大比例尺下進(jìn)行指標(biāo)勾繪（測(cè)量），要求圖斑邊界勾繪偏差不超過(guò)2個(gè)像元或2個(gè)柵格[3]。

4）制圖

根據(jù)ArcGIS等軟件的制圖功能，對(duì)水土保持措施進(jìn)行勾繪、標(biāo)記、空間分析，生成所抽查區(qū)域（圖斑）的水土保持措施現(xiàn)狀圖。制圖比例原則上不小于1∶10 000，能夠清晰、全面反映所抽查圖斑的水土保持措施現(xiàn)狀。不同水土保持措施圖斑采用不同顏色線條勾繪，所選用的線條顏色醒目，與底圖能形成鮮明對(duì)比。圖名采用“年＋水土保持治理工程項(xiàng)目名稱＋行政區(qū)＋小流域名稱+圖斑號(hào)+水土保持措施現(xiàn)狀圖”的形式。圖斑標(biāo)記原則標(biāo)記于圖斑范圍內(nèi)，包括圖斑編號(hào)、水土保持措施名稱、面積（長(zhǎng)度）等。

2.4 核查分析

根據(jù)核查指標(biāo)測(cè)量結(jié)果及核查后的措施平面布置圖，對(duì)應(yīng)最終批復(fù)設(shè)計(jì)，對(duì)被抽查小流域進(jìn)行核查分析。分析主要內(nèi)容：抽查圖斑位置是否與批復(fù)設(shè)計(jì)一致；圖斑實(shí)際實(shí)施措施內(nèi)容是否與批復(fù)設(shè)計(jì)一致；圖斑措施的數(shù)量指標(biāo)是否達(dá)到設(shè)計(jì)數(shù)量；涉及長(zhǎng)度、寬度、高度等質(zhì)量指標(biāo)是否滿足批復(fù)設(shè)計(jì)或規(guī)范要求。

3 結(jié)語(yǔ)

國(guó)家水土保持重點(diǎn)工程核查工作是一項(xiàng)時(shí)間緊、責(zé)任重、工作量大的工作，應(yīng)用無(wú)人機(jī)技術(shù)開(kāi)展此類工作，可摒棄傳統(tǒng)的尺量、GPS徒步測(cè)量、目測(cè)估算等落后方法，實(shí)現(xiàn)核查工作不受地形、交通、地塊大小等因素影響；同時(shí)又可在有限的時(shí)間內(nèi)，大幅度增加核查項(xiàng)目數(shù)量和抽查地斑比例。完成的核查成果豐富、數(shù)據(jù)可靠，既有定量數(shù)據(jù)、場(chǎng)景影像，又有直觀的平面布置圖及3D效果圖，并可實(shí)時(shí)通過(guò)電腦調(diào)出核查過(guò)程及成果數(shù)據(jù)，保證核查結(jié)果的客觀性、權(quán)威性。