無人機在生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持“天地一體化”監(jiān)管中的應(yīng)用

曾麥脈，趙 院，李萬能，張廣分，趙 敏

(1.珠江水利科學(xué)研究院，廣東 廣州 510611； 2.水利部 水土保持監(jiān)測中心，北京 100053)

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無人機在生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持“天地一體化”監(jiān)管中的應(yīng)用

曾麥脈1，趙 院2，李萬能1，張廣分1，趙 敏1

(1.珠江水利科學(xué)研究院，廣東 廣州 510611； 2.水利部 水土保持監(jiān)測中心，北京 100053)

生產(chǎn)建設(shè)項目；水土保持信息提取；無人機航拍；傾斜攝影測量

對重點項目的精細化監(jiān)管是實現(xiàn)生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持“天地一體化”監(jiān)管的重要組成部分。無人機攝影測量技術(shù)可以快速獲取生產(chǎn)建設(shè)項目擾動土地情況，取土(石、料)場、棄土(石、渣)場情況，水土流失情況，水土保持措施情況等相關(guān)現(xiàn)場監(jiān)管信息，與傳統(tǒng)方法相比在客觀性、直觀性、工作效率、全局性等方面具有明顯優(yōu)勢，是一種理想的非接觸式高效監(jiān)測手段，可以很好地服務(wù)于生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持“天地一體化”監(jiān)管。

生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持“天地一體化”監(jiān)管工作主要采用多種分辨率遙感影像調(diào)查與現(xiàn)場復(fù)核相結(jié)合的手段，對生產(chǎn)建設(shè)項目的擾動合規(guī)性以及重點項目的水土保持工作實施情況進行監(jiān)督管理。其中，擾動合規(guī)性及部分水土保持措施信息，可以從遙感影像中獲??；擾動合規(guī)性的復(fù)核以及更精細的與空間信息相關(guān)的監(jiān)管指標(biāo)，需要通過現(xiàn)場調(diào)查、測繪等手段獲取。但是，傳統(tǒng)的地面調(diào)查和測繪技術(shù)存在現(xiàn)場操作復(fù)雜度高、工作量大等劣勢。而無人機具有高空全局性視角和機動靈活性，通過無人機航拍，可以獲得項目區(qū)的高分辨率影像、三維實景數(shù)據(jù)、數(shù)字表面模型等數(shù)據(jù)[1]，再通過信息的內(nèi)業(yè)提取，可以快速獲取水土保持監(jiān)督監(jiān)測所關(guān)注的擾動土地、棄渣場、水土流失、水土保持措施中的多種定量化指標(biāo)，服務(wù)于重點生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持情況的監(jiān)管。

1 生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)管指標(biāo)需求與無人機信息獲取方法

參照《水利部流域管理機構(gòu)生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)督檢查辦法(試行)》《生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測規(guī)程(試行)》，以及各級水行政主管部門日常監(jiān)管工作的要求，生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)管內(nèi)容主要包括：水土保持工作組織管理情況；水土保持補償費繳納情況；水土保持方案變更、水土保持措施重大變更審批情況，水土保持后續(xù)設(shè)計情況；表土剝離、保存和利用情況；取、棄土(包括渣、石、沙、矸石、尾礦等)場選址及防護情況；水土保持措施落實情況；水土保持監(jiān)測監(jiān)理情況；歷次檢查整改落實情況；水土保持單位工程驗收和自查初驗情況；水土保持設(shè)施驗收情況等。其中，需采集現(xiàn)場信息的監(jiān)管內(nèi)容主要包括擾動土地情況，取土(石、料)場、棄土(石、渣)場情況，水土流失情況，水土保持措施情況等。

結(jié)合無人機航拍的數(shù)據(jù)成果，將與現(xiàn)場信息相關(guān)的監(jiān)管指標(biāo)和基于無人機的指標(biāo)信息獲取方法歸納如表1。表1中，除土壤流失量需要根據(jù)出口觀測得到、開(完)工日期需要查詢資料得到外，其他各項監(jiān)測指標(biāo)都可以通過無人機快速獲取。無人機獲取指標(biāo)的方式可以歸納為三類：Ⅰ.人機交互勾繪或面向?qū)ο蠓诸?。以高清影像為底圖勾繪圖斑，獲取實際擾動、取土(石、料)場、棄土(石、渣)場、水保措施的位置、范圍、尺寸、面積等。Ⅱ.目視觀察。從高清正射影像、三維實景模型目視觀察得到渣場類型、水土流失情況、水保措施等信息。Ⅲ.DSM(數(shù)字地表模型)計算。利用兩期DSM執(zhí)行挖填方分析可以得到體積指標(biāo)，用以監(jiān)測堆渣方量、表土剝離體積、潛在土壤流失量等。此外，從DSM可以計算坡度、量取坡長，用以監(jiān)測臨時堆放場、棄渣場、高邊坡等情況。

相對于傳統(tǒng)基于GPS和全站儀的地面測繪方法，本方法的效率更高，數(shù)據(jù)成果更加直觀，并且不易受現(xiàn)場條件的限制，也避免了和施工現(xiàn)場的相互干擾。

2 無人機航攝與信息提取流程

無人機攝影測量主要參照GB/T 18316—2008《數(shù)字測繪成果質(zhì)量檢查與驗收》、CH/Z 3003—2010《低空數(shù)字航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》、CH/Z 3004—2010《低空數(shù)字航空攝影測量外業(yè)規(guī)范》、CH/Z 3005—2010《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》等相關(guān)規(guī)范執(zhí)行。無人機生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)管工作流程見圖1。

表1 生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)管指標(biāo)與無人機信息獲取方法歸納

注：①整治方式指硬化、土地整治、植物措施等；②棄渣特點指溝道棄渣場、坡面棄渣場、平地棄渣場、填洼(塘)棄渣場；③土壤流失量指輸出項目建設(shè)區(qū)的土、石、沙數(shù)量；④取土(石、料)棄土(石、渣)潛在土壤流失量指項目建設(shè)區(qū)內(nèi)未實施防護措施，或者未按水土保持方案實施且未履行變更手續(xù)的取土(石、料)棄土(石、渣)數(shù)量；⑤水土流失危害指項目建設(shè)引起的基礎(chǔ)設(shè)施和民用設(shè)施的損毀、水庫淤積、河道阻塞、滑坡、泥石流等危害。

第一階段是航攝與數(shù)據(jù)生成。首先，根據(jù)項目區(qū)的情況進行航拍設(shè)計，按需求的比例尺確定航高、重疊率，結(jié)合現(xiàn)場地形設(shè)計測區(qū)；然后，實施外業(yè)航拍，航拍之前需按規(guī)范進行相機檢校；之后，根據(jù)相應(yīng)比例尺要求的密度，測量地面控制點；最后，生成三維模型數(shù)據(jù)和所需比例尺的DSM、DOM[2-3]。

圖1 無人機航拍與信息提取工作流程

第二階段是信息提取。采用人機交互勾繪或面向?qū)ο蠓诸悺⒛恳曈^察、DSM計算等方式，獲取所需的監(jiān)管指標(biāo)[4-5]。

3 應(yīng)用實例

3.1 渣場實例

3.1.1 渣場基本情況

某大型渣場，棄渣來源主要為工程開挖的土石方，設(shè)計堆渣2 922.37萬m3；原始地表土地利用類型主要為水塘、草地，以及少量農(nóng)田和村莊，地形地貌特征為洼地。

3.1.2 試驗方法

采用DJI Phantom 3 Advanced小型多旋翼無人機進行GPS輔助航攝。其搭載的航拍相機的傳感器為1/2.3英寸SONY EXMOR，光圈f/2.8(20 mm等效焦距)，照片像素分辨率4 000×3 000，100 m高度時拍攝分辨率最高可達到4.33 cm[6]，可以制作1∶500比例尺成果。

2016年3月和7月對棄渣場開展了兩次作業(yè)，并進行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，獲取了兩期的實景三維模型和1∶500比例尺正射影像、DSM數(shù)據(jù)，提取出渣場的位置、范圍及面積、棄渣量、棄渣類型與特點、水土保持措施及存在的問題和水土流失隱患等信息。

3.1.3 結(jié)果分析

(1)位置、范圍與面積。通過圖2(a)(b)影像疊加設(shè)計圖可看出，該渣場棄渣位于設(shè)計棄渣位置，還未到達設(shè)計邊界；利用影像勾繪渣場邊界得出7月已棄渣面積70.40 hm2，與3月相比新增棄渣面積14.87 hm2。

圖2 某渣場DOM與三維信息提取

(2)棄渣量。利用2016年3月和7月兩期DSM進行差值分析得到新增棄渣量19萬m3，見圖3(a)～(c)；用同樣的方法與設(shè)計時的地形數(shù)據(jù)進行挖填方計算，得到總棄渣量1 005萬m3。

(3)棄渣類型與特點。通過高清影像整體觀察得出，棄渣類型多數(shù)為土質(zhì)，夾雜少量碎石；通過圖2(e)三維模型判斷，棄渣特點為填洼(塘)棄渣場。從圖3(d)可知，渣場整體平整，30°以上的坡度在邊緣和中心呈環(huán)狀分布，采用了分級堆放的方式降低整體坡度，從圖2(d)可知，填平區(qū)以上典型堆渣高度為10 m。

(4)水土保持措施及水土流失隱患。通過高清影像和三維模型目視解譯，尚未發(fā)現(xiàn)水土保持措施。從圖2(c)(e)可知，渣場北部棄渣已經(jīng)靠近村莊，距離最近的房屋只有40 m，需引起高度重視，應(yīng)盡快實施紅線內(nèi)拆遷和渣場水保措施。

3.2 項目區(qū)實例

3.2.1 項目區(qū)基本情況

某汽車研發(fā)中心的新建廠區(qū)，面積39.53 hm2，廠區(qū)內(nèi)地塊平整，由跑道、辦公區(qū)及車間、停車場等區(qū)域構(gòu)成，周邊大部分為挖方邊坡，設(shè)計為框架梁護坡形式。

3.2.2 試驗方法

采用DJI Phantom 3 Advanced小型多旋翼無人機進行GPS輔助航攝，之后進行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，獲取項目區(qū)實景三維模型和1∶500比例尺正射影像、DSM數(shù)據(jù)。通過無人機航拍影像與設(shè)計資料的疊加，確定項目區(qū)范圍和防治責(zé)任面積，在此基礎(chǔ)上，劃分項目區(qū)的各類擾動地塊,提取各種水土保持措施，獲得相關(guān)的定量指標(biāo)，如圖4所示。

圖4 某建設(shè)項目區(qū)水土保持信息提取

3.2.3 結(jié)果分析

(1)擾動土地情況。實際擾動大部分控制在防治責(zé)任范圍以內(nèi)，但是東北部超出防治責(zé)任范圍1.19 hm2。項目區(qū)主要由邊坡防護區(qū)、硬化及已建成建筑區(qū)、綠化區(qū)、裸露地表區(qū)構(gòu)成，面積分別為4.23、15.56、2.77、16.97 hm2，分別占項目區(qū)總面積的11%、39%、7%和43%，其中綠化區(qū)林草植被覆蓋率達到了85%以上，土壤流失面積主要為裸露地表區(qū)和東北部尚未開展邊坡防護的裸露區(qū)，共計19.18 hm2。

(2)水土保持措施。項目區(qū)邊緣大部分邊坡開展了框架梁邊坡防護工程，植被覆蓋率達到了70%以上，總面積42 320 m2，但是東北部的修坡尚未開展，無植被覆蓋；水土保持工程措施主要實施了漿砌石排水溝8 296 m、邊坡截水溝1 652 m，完成率100%；水土保持植物措施包括綠化區(qū)栽植的喬灌木、鋪植的草皮等，共計27 699 m2，完成率40%，以及邊坡防護區(qū)噴播的草灌，共計29 624 m2，完成率70%。

(3)水土流失危害。項目區(qū)西面和北面環(huán)山，為挖方邊坡，大部分實施了框架梁護坡和植物措施，水土流失危害??；東北部裸露邊坡的水土流失風(fēng)險較大，需盡快采取防護措施；西南部與居民區(qū)相鄰，但是該區(qū)域地勢平整，中間大部分已布設(shè)植物措施，對居民區(qū)的影響較小。項目區(qū)內(nèi)土地平整，對外界造成水土流失危害的風(fēng)險較小。

4 結(jié) 論

綜上所述，通過無人機航拍的手段，可以獲取大部分生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)管的現(xiàn)場技術(shù)指標(biāo)。該技術(shù)手段與傳統(tǒng)現(xiàn)場調(diào)查和測量方式相比，具有明顯的優(yōu)勢：①無人機航拍形成的影像數(shù)據(jù)可為現(xiàn)場監(jiān)管取證提供客觀、全面的依據(jù)；②現(xiàn)場信息采集效率高、成本低；③可從三維實景模型角度整體觀察項目區(qū)域情況，發(fā)現(xiàn)水土流失隱患和風(fēng)險；④操作簡單，不易受施工現(xiàn)場及復(fù)雜環(huán)境影響。因此，該技術(shù)手段是一種理想的非接觸式高效監(jiān)測手段。

該技術(shù)手段可以推廣應(yīng)用到水土保持設(shè)計、監(jiān)測、評估等各項業(yè)務(wù)中。后期可以研究無人機航攝技術(shù)手段在水土保持行業(yè)應(yīng)用的規(guī)范，以促進其普及應(yīng)用。

[1] 李安福,曾政祥,吳曉明.淺析國內(nèi)傾斜攝影技術(shù)的發(fā)展[J].測繪與空間地理信息,2014,37(9):57-62.

[2] 曲林,馮洋,支玲美,等.基于無人機傾斜攝影數(shù)據(jù)的實景三維建模研究[J].測繪與空間地理信息,2015,38(3):38-43.

[3] 王卿,郭增長,李豪,等.多角度傾斜攝影系統(tǒng)三維量測方法研究[J].測繪工程,2014,23(3):10-14.

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(責(zé)任編輯 徐素霞)

水利部科技推廣項目；水利部預(yù)算項目(SF-201606)；水利部綜合事業(yè)局拔尖人才培養(yǎng)專項資金研究項目(20150608-01)

S157；P231

A

1000-0941(2016)11-0028-04

曾麥脈(1983—)，男，湖北宜都市人，工程師，博士，主要研究遙感、地理信息系統(tǒng)技術(shù)在水土保持中的應(yīng)用。

2016-09-17