小型無人機在水土保持督查中的應(yīng)用探索

劉景發(fā),常溫花 ,喬雨寧,黨小尼 ,郭 嘉

(1.黃河水利委員會 水土保持局， 河南 鄭州 450003； 2.黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003； 3.黃河水土保持西峰治理監(jiān)督局， 甘肅 慶陽 745000)

小型無人機在水土保持督查中的應(yīng)用探索

劉景發(fā)1,常溫花2,喬雨寧3,黨小尼3,郭 嘉3

(1.黃河水利委員會 水土保持局， 河南 鄭州 450003； 2.黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003； 3.黃河水土保持西峰治理監(jiān)督局， 甘肅 慶陽 745000)

小型無人機；水土保持督查；應(yīng)用

依據(jù)水利部關(guān)于國家重點建設(shè)項目水土保持督查的有關(guān)要求，為適應(yīng)政府職能轉(zhuǎn)變和強化細(xì)化行業(yè)管理，黃河水利委員會水土保持局甘肅省督查組，首次在黃土高塬溝壑區(qū)對小型無人機在水土保持督查中的應(yīng)用進(jìn)行了探索。提出了無人機督查的技術(shù)要點，并針對無人機督查中發(fā)現(xiàn)的問題提出了解決的辦法，以期為今后的水土保持督查工作提供新技術(shù)、新方法。

1 督查區(qū)基本情況

(1)地理位置。督查區(qū)為甘肅省黃土高塬溝壑區(qū)，位于甘肅省東部，西近六盤山，東靠子午嶺，北部與環(huán)縣、華池、慶陽、固原一線的丘二區(qū)接壤，西南鄰近達(dá)溪河同丘三區(qū)連接，東南與陜西省長武縣(屬黃土高塬溝壑區(qū))相連。介于東經(jīng)106°40′～108°25′、北緯34°37′～35°52′之間，總土地面積15 149 km2，包括慶陽市的慶城、西峰、合水、寧縣、正寧、鎮(zhèn)原和平?jīng)鍪械臎艽ā⑵經(jīng)?、崇信、靈臺等10個縣(市)的111個鄉(xiāng)。

(2)地貌。督查區(qū)地貌是在古基巖地形基礎(chǔ)上，通過黃土沉積和涇河水系的長期切割侵蝕而形成，地貌景觀呈塬、坡、溝、川、峁等形態(tài)，區(qū)內(nèi)較大的黃土塬約有20個，其中15～30 km2的有店子塬、新集塬、木林塬3條，30～50 km2的有春榮塬、永和塬、草峰塬3條，50～100 km2的有臨涇塬、屯子塬、西華池塬、索羅塬、荔堡塬、柏樹-中原塬6條，100～200 km2的有平泉塬、盤克塬、早勝塬、宮和塬、黨原-玉都-豐臺塬、高平塬、什字塬7條，200 km2以上的有董志塬1條。本區(qū)塬面面積2 681.42 km2，占本區(qū)總面積的17.7%。

黃土塬面地勢平坦開闊，坡度1°～5°，由嶺、坳、胡同等組成，塬邊地形破碎，侵蝕較強的坳溝以葉脈狀伸入塬心，有些地方兩條侵蝕溝幾乎連通，僅留幾米或十幾米的峴子。黃土溝壑地貌復(fù)雜，可分為古代侵蝕谷坡和現(xiàn)代侵蝕溝兩類。甘肅省高塬溝壑區(qū)0～5°土地面積占總面積的36.4%、5°～15°占20.5%、15°～25°占14.4%、25°～35°占13.7%、大于35°占15.0%。

(3)植被。甘肅省高塬溝壑區(qū)植被屬暖溫性森林草原帶，基本上無天然森林植被，僅有的天然草被主要分布在溝坡和山坡上，大多不連片。陰坡生長的優(yōu)勢種有大針茅、鐵桿蒿、本氏針茅、茵陳蒿、沙草等，伴生種有達(dá)烏里胡枝子、紫菀、多裂委陵菜等，一般草高12～18 cm，覆蓋度60%～100%；陽坡地勢相對平緩，大部分已被開墾為梯田，草地面積很小，生長的優(yōu)勢種有白羊草、本氏針茅、麻蒿、茵陳蒿、短花針茅、隱子草等，伴生種有委陵菜、阿爾泰紫菀等，草高15～40 cm，覆蓋度30%～90%。人工草主要為紫花苜蓿，人工喬灌以刺槐、山杏、白榆、檸條、沙棘、紫穗槐等為主?！八呐浴本G化樹種有楊樹、柳樹、楸樹、泡桐、椿樹、國槐、棗樹、核桃、蘋果、梨、李子等。

(4)措施類型。黃土高塬溝壑區(qū)水土保持措施類型，塬面有條田、果園、溝頭防護(hù)、澇池、水窖；坡面有梯田、造林、種草、封禁；溝道有谷坊、溝底防沖林、淤地壩。

2 督查要求

按照《水利部水土保持司關(guān)于開展國家水土保持重點工程督查工作的通知》〔水保生態(tài)(2017)7號〕中關(guān)于督查方式的要求，進(jìn)行項目縣現(xiàn)場督查、抽查，督查組隨機抽查項目縣、小流域、具體措施，每類工程抽查1～2個項目縣，每個項目縣至少抽查一條小流域，每項措施隨機抽查一定比例圖斑。以國家水土保持重點工程項目管理信息系統(tǒng)為基礎(chǔ)，積極應(yīng)用移動檢查驗收終端、遙感技術(shù)及無人機航拍等手段，對措施圖斑進(jìn)行現(xiàn)場復(fù)核。

3 無人機在督查中的應(yīng)用及探索

3.1 前期準(zhǔn)備工作

《民用無人駕駛航空器系統(tǒng)駕駛員管理暫行規(guī)定》規(guī)定，小于等于7 kg的微型無人機，無人機操作員或無人機觀測員與無人機保持直接目視視覺接觸的操作方式，航空器處于駕駛員或觀測員目視視距內(nèi)半徑500 m，相對高度低于120 m的區(qū)域內(nèi)飛行。由于目前我國法律沒有明確規(guī)定無人機飛行高度，所以本次督查暫時在大疆公司統(tǒng)一規(guī)定的200 m航管限制高度內(nèi)飛行。

(1)所需設(shè)備及人員。配置齊全的小型無人機1臺，能熟練掌握飛行技巧的操作員1名、觀察員1名。

(2)所需飛行及處理軟件。大疆手機App DJI GO、自動飛行軟件Altizure、無人機數(shù)據(jù)處理軟件Pix4dmapper。

3.2 航拍及數(shù)據(jù)處理工作

(1)航拍。①使用自動飛行軟件的無人機必須先用DJI GO連接無人機并校準(zhǔn)指南針，刷新返航點，設(shè)置返航高度并調(diào)整飛行模式至F擋。由于自動飛行軟件Altizure與DJI GO后臺沖突，所以打開Altizure前推薦關(guān)閉DJI GO。②打開Altizure，確認(rèn)無人機是否連接正常，返航點是否刷新，返航點與定位點是否一致，在Altizure的地圖內(nèi)找到所需核實圖斑的區(qū)域(推薦使用Google地圖)新建飛行路線并覆蓋該區(qū)域，利用對航向、旁向重疊率及飛行高度的設(shè)置調(diào)整所需飛行時間及成圖精度。鎖定飛行任務(wù)點擊就緒，等待系統(tǒng)自檢并完成上傳任務(wù)后點擊開始，執(zhí)行飛行任務(wù)。當(dāng)一塊電池不足以完成飛行任務(wù)時，可更換多塊電池，每次更換電池后可繼續(xù)執(zhí)行未完成的任務(wù)。③當(dāng)任務(wù)完成后，選擇返航，自動飛行至返航點并降低到可目視的高度后，點擊停止返航，根據(jù)觀察員指示進(jìn)行手動微調(diào)使無人機降落至安全著陸點。

(2)數(shù)據(jù)處理。①將航拍資料導(dǎo)入Pix4dmapper并制作成專業(yè)、精確的三維模型。②根據(jù)現(xiàn)狀圖在三維模型中勾出圖斑范圍并計算與實施方案中圖斑面積的相對誤差。③在圖斑內(nèi)勾出實施措施的范圍，利用相對誤差進(jìn)行校核[1-2]，與竣工測算面積對比，檢驗實際措施面積與核算面積是否吻合。

4 結(jié)果與建議

4.1 無人機督查結(jié)果

(1)正寧縣?，F(xiàn)場檢查的位置離抽查圖斑過遠(yuǎn)，飛行途中浪費大量無人機電量、時間，因此只測繪出抽查圖斑部分面積。

(2)寧縣。未關(guān)閉中國內(nèi)地坐標(biāo)糾偏功能，導(dǎo)致飛行路線偏差，測繪的范圍未涵蓋整個抽查圖斑，對缺少部分進(jìn)行人工糾正后，測算出的面積與實施方案基本相符。

(3)鎮(zhèn)原縣。生成了完整的圖斑3D模型，測算出的措施實施面積與規(guī)劃面積相差較大，建設(shè)單位提供的相關(guān)設(shè)計變更文件顯示，實施圖斑因有居民點，無法按規(guī)劃造林，缺少的造林面積已在其他圖斑中補植。

(4)莊浪縣。由于現(xiàn)場檢查地點的地勢過低，且抽查的圖斑內(nèi)存在村莊，信號受到嚴(yán)重干擾，導(dǎo)致無人機失聯(lián)，無法返航。

4.2 建 議

(1)應(yīng)選擇措施布設(shè)集中的圖斑進(jìn)行抽查以縮短飛行時間，提高數(shù)據(jù)處理效率。

(2)推薦關(guān)閉中國內(nèi)地坐標(biāo)糾偏，防止返航點及定位點錯位，產(chǎn)生飛行路線偏差。

(3)盡量選擇開闊平坦及地勢較高處作為起飛點，飛行時應(yīng)避開村莊等信號干擾嚴(yán)重地區(qū)，防止無人機失聯(lián)。萬一失聯(lián)，起飛點的通視條件好也便于進(jìn)行人工搜尋，減少損失。

5 結(jié) 語

小型無人機具有價格低廉、體積較小、便于攜帶、起飛降落條件要求相對較低、飛行高度符合管制要求、無需辦理飛行手續(xù)等優(yōu)點，適合在水土保持督查工作中進(jìn)行野外措施監(jiān)測。由于其配套的軟件和操作設(shè)備大部分可以在手機或ipad上完成，監(jiān)測的數(shù)據(jù)在短時間內(nèi)可以出結(jié)果，效率高，生成的3D圖像形象直觀、便于判讀，故小型無人機滿足快速督查的時間與精度要求，值得推廣。

[1] 蒲朝勇.推動水土保持監(jiān)測與信息化工作的思路與要求[J].中國水土保持，2017(5):3-4.

[2] 舒婷,李衛(wèi)正,張青萍,等.基于小型無人機的三維實景公園數(shù)字建?！阅暇┭蛏缴止珗@為例[J].建筑與文化，2016(3):120-121.

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1000-0941(2017)12-0061-02

劉景發(fā)(1963—)，男，陜西合陽縣人，高級工程師，主要從事水土保持管理工作。

2017-07-08

(責(zé)任編輯 張培虎)