空天地一體化水土保持監(jiān)測初探

蔡志洲 袁普金 王森

摘要：北京新機(jī)場工程復(fù)雜，施工點(diǎn)多面廣、土石方量大，而水土保持專業(yè)人員較少、資金有限，水土流失防治任務(wù)艱巨。為控制和減少施工造成的水土流失，“空天地一體化水土保持監(jiān)測”的新技術(shù)被付諸實(shí)踐，將現(xiàn)場地面監(jiān)測、小微型無人機(jī)數(shù)字化地形建模、衛(wèi)星大尺度遙感影像的各自優(yōu)勢結(jié)合在一起，獲取整體高清的工程進(jìn)度圖，發(fā)現(xiàn)和督促解決問題，從而為水土保持監(jiān)測提供了比常規(guī)地面監(jiān)測更為精確和事半功倍的技術(shù)途徑。

關(guān)鍵詞：水土保持監(jiān)測；遙感；空天地一體化；無人機(jī)；北京新機(jī)場

中圖分類號(hào)：S157.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.04.022

生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目的傳統(tǒng)水土保持監(jiān)測多落腳在局部，以“點(diǎn)”帶“面”。但掌握“面”的情況一般需要靠圖紙（資料）和巡視，與實(shí)際差別較大：又由于“點(diǎn)”上的數(shù)據(jù)量少、資料的數(shù)字化程度低，大數(shù)據(jù)應(yīng)用基礎(chǔ)薄弱，因此制約著水保監(jiān)測工作的發(fā)展。

民用無人機(jī)技術(shù)自2010年開始嘗試，2013年后有關(guān)研究逐步走向生產(chǎn)實(shí)踐。前期受制于無人機(jī)龐大、飛控自動(dòng)化程度低，后期因處理軟件功能較弱，一般用于拍攝圖像、視頻。2015年后，以上技術(shù)瓶頸陸續(xù)被打破，民用無人機(jī)在水保、環(huán)保等各行業(yè)的應(yīng)用取得了跨越式發(fā)展，無人機(jī)和衛(wèi)星遙感新技術(shù)擴(kuò)展了工作手段，使對工程整體進(jìn)行全面的水土保持監(jiān)測成為可能。近年來，水土保持工作開始了空天地一體化監(jiān)測的全新實(shí)踐，即采用地面監(jiān)測、低空無人機(jī)監(jiān)測和天空衛(wèi)星遙感監(jiān)測的綜合模式。北京新機(jī)場工程復(fù)雜，施工點(diǎn)多面廣、土石方量大，而水土保持專業(yè)人員較少、資金有限，水土流失防治任務(wù)艱巨。在北京新機(jī)場水土保持監(jiān)測中，空天地一體化立體監(jiān)測技術(shù)得到了進(jìn)一步驗(yàn)證，取得了很好的效果。

1 “空”“天”“地”水土保持監(jiān)測的概念、內(nèi)容和方法

（1）“地”即地面監(jiān)測，是獲得基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的必要手段。通過測釬法、徑流小區(qū)法、簡易坡面量測法、沉沙池法等常規(guī)監(jiān)測技術(shù)對坡面、堆土場、基坑等施工作業(yè)面進(jìn)行監(jiān)測，獲得重點(diǎn)部位水土流失量、土壤侵蝕模數(shù)等數(shù)據(jù)，針對性強(qiáng)、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

（2）“天”即衛(wèi)星遙感監(jiān)測，是獲取工程整體高清影像、全面了解工程擾動(dòng)和水土流失情況的有效、便捷手段。2016年12月，我國自主研制的0.5m分辨率高清商業(yè)遙感衛(wèi)星“高景l(fā)號(hào)”成功發(fā)射，使水土保持衛(wèi)星遙感監(jiān)測成為可能?？赏ㄟ^采購我國和國外衛(wèi)星遙感資料，獲取工程開工后各階段的歷史影像，全面掌握工程施工各階段擾動(dòng)情況，頻次以2～3個(gè)月/次為宜。

（3）“空”即低空無人機(jī)監(jiān)測，是借助無人機(jī)和攝影測量技術(shù)，創(chuàng)建地面三維的精確數(shù)字化模型，通過GIS軟件分析、人工識(shí)別和現(xiàn)場復(fù)核，獲取工程區(qū)和直接影響區(qū)面積、取棄土工程量等各項(xiàng)地理信息。

“空”“天”“地”技術(shù)各有優(yōu)勢與不足，需要取長補(bǔ)短，綜合利用。地面監(jiān)測對象是點(diǎn)狀局部，針對性強(qiáng)、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，但難以在工程全域開展。衛(wèi)星遙感圖像整體尺度大而全面，歷史資料完整，可以彌補(bǔ)某些工程沒有地形地貌等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的不足，但衛(wèi)星遙感反映的主要是平面影像，立面的精度較差，時(shí)間上往往滯后，圖像質(zhì)量受云層、霧霾等影響很大，對于長距離的線性工程需要多幅圖像拼接而導(dǎo)致成本較高，因此衛(wèi)星遙感主要作為歷史資料進(jìn)行管理。無人機(jī)測量作業(yè)時(shí)間、地點(diǎn)機(jī)動(dòng)，數(shù)據(jù)現(xiàn)實(shí)性好、精度高（平面、立面分別可以達(dá)到3cm和10cm的精度），可以達(dá)到一般土石方測量的要求，但不能進(jìn)行更細(xì)致的表面侵蝕量、水中懸浮濃度等測量，也不能進(jìn)行測繪級(jí)別的工作（以免地理信息泄密）。

2 空天地一體化水土保持監(jiān)測實(shí)踐

2.1 無人機(jī)監(jiān)測機(jī)型和飛行參數(shù)

在北京新機(jī)場的水土保持監(jiān)測工作中，使用固定翼無人機(jī)eBee1臺(tái)、多旋翼無人機(jī)DJI悟1臺(tái)。無人機(jī)設(shè)置的航片分辨率為3.4～10.0Cm，對應(yīng)飛行高度為120～500m。根據(jù)機(jī)型和分辨率的不同，每航次飛行時(shí)間為30～40min，覆蓋面積為5～100}lffl2。對大面積工程區(qū)宜分區(qū)、分次飛行，拼合覆蓋。圖1、圖2分別為無人機(jī)eBee的航線規(guī)劃和飛行參數(shù)，包括一次作業(yè)面積64.9hm2、飛行時(shí)間30'4''、平面分辨率3.4cm、飛行高度120m等。

2.2 無人機(jī)監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)字化圖件

利用無人機(jī)拍攝工程區(qū)矢量格式的航片，可以獲取項(xiàng)目區(qū)正射影像圖、全數(shù)字三維地形圖（見圖3）以及DEM、DOM等圖件，這些信息都是數(shù)字化成果，包含了地形、地物、長度、面積、體積等各項(xiàng)地理信息。對其中的地理信息進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，便可獲得水土保持監(jiān)理監(jiān)測相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

2.3 衛(wèi)星遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)字化影像

根據(jù)北京新機(jī)場項(xiàng)目區(qū)域邊界的經(jīng)緯度，取得項(xiàng)目區(qū)0.7m分辨率的衛(wèi)星影像（見圖4），通過對其解譯，獲得用于放大判讀和標(biāo)注工程區(qū)的水土保持信息，以空間視角代替地面巡查。

2.4 地面監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲取

北京新機(jī)場水土保持地面監(jiān)測采用固定監(jiān)測和臨時(shí)監(jiān)測相結(jié)合的方法，具體包括測釬法、徑流小區(qū)法、簡易坡面量測法等。根據(jù)飛行區(qū)、航站區(qū)和工作區(qū)的區(qū)域功能特點(diǎn)、工程施工進(jìn)度，制定監(jiān)測點(diǎn)位布局及監(jiān)測方案。

施工期，飛行區(qū)布設(shè)固定監(jiān)測點(diǎn)7處，其中：4處采用徑流小區(qū)法，3處采用測釬法。航站區(qū)布設(shè)固定監(jiān)測點(diǎn)4處，其中：2處采用測釬法，2處采用簡易坡面量測法。工作區(qū)布設(shè)固定監(jiān)測點(diǎn)5處，其中：3處采用測釬法，2處采用簡易坡面量測法。場外原天堂河布設(shè)6處水樣監(jiān)測點(diǎn)，用于新機(jī)場水土流失對周邊水系污染物貢獻(xiàn)率的監(jiān)測。除此之外，場內(nèi)還布設(shè)了沉降缸風(fēng)蝕監(jiān)測點(diǎn)6處，其中：3處位于西側(cè)常年上風(fēng)向，3處位于東側(cè)常年下風(fēng)向，用于新機(jī)場風(fēng)蝕監(jiān)測。

在飛行區(qū)、航站區(qū)和工作區(qū)布設(shè)水蝕監(jiān)測點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)對新機(jī)場臨時(shí)堆土的土壤侵蝕狀況進(jìn)行監(jiān)測，對比水土保持措施實(shí)施前、后的土壤流失情況。在新機(jī)場東西跑道間原南各莊村自然河道和老天堂河交匯口布設(shè)水樣監(jiān)測點(diǎn)，交匯口下游每隔50m布設(shè)1處水樣監(jiān)測點(diǎn)，共布設(shè)6處水樣監(jiān)測點(diǎn)，當(dāng)大于10mm降雨量（可蝕性降雨最小雨量）的降雨發(fā)生時(shí)，依次取各監(jiān)測點(diǎn)水樣，然后烘干稱重，獲取各監(jiān)測點(diǎn)水樣泥沙含量，計(jì)算就近集水單元水土流失對天堂河水體污染物的貢獻(xiàn)值，同時(shí)通過縱向監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)，判斷泥沙輸移距離和污染物的影響范圍。

利用地面觀測和無人機(jī)監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以繪制項(xiàng)目區(qū)匯水單元圖，對水土流失來源進(jìn)行追蹤，對發(fā)生水土流失部位進(jìn)行精準(zhǔn)定位，進(jìn)而提出針對該部位水土流失的防治對策，減小新機(jī)場建設(shè)過程中對下游及周邊水系、環(huán)境造成的影響，實(shí)現(xiàn)北京新機(jī)場水土保持的精準(zhǔn)監(jiān)測。

2.5 監(jiān)測內(nèi)容的數(shù)字化成果分析

（1）對表土保護(hù)措施監(jiān)測。根據(jù)衛(wèi)片歷史影像，機(jī)場建設(shè)區(qū)農(nóng)田表土資源豐富。相關(guān)法規(guī)和水土保持方案均要求表土剝離、暫存、后期綠化利用。利用空天地一體化監(jiān)測技術(shù)成果，監(jiān)控農(nóng)田表土的去向，對長期堆存的表土標(biāo)記位置、計(jì)算方量，復(fù)核覆蓋及綠化措施。

（2）對全區(qū)棄土場、預(yù)制場、開挖面等施工作業(yè)區(qū)監(jiān)測。通過數(shù)字化航片和三維地形模型判讀所屬施工標(biāo)段及監(jiān)理標(biāo)段，確定工程中心點(diǎn)經(jīng)緯度、占地面積及土地類型，對各類用地進(jìn)行識(shí)別和計(jì)量，如平整裸露而無施工安排的場地位置、面積、類型等（見圖5）。

（3）對水土保持措施落實(shí)情況監(jiān)測。如在棄土場啟用時(shí)，首先落實(shí)排水、攔擋措施，確保使用過程中集中堆置，不得隨意傾倒。建筑基礎(chǔ)、人工濕地等工程完成后，及時(shí)檢查場地平整、復(fù)耕或綠化等措施實(shí)施效果。

夏秋雨季水土保持重點(diǎn)監(jiān)測。利用地理信息進(jìn)行項(xiàng)目區(qū)排水分析，評(píng)價(jià)臨時(shí)排水措施的必要性和重要性，必要時(shí)協(xié)調(diào)補(bǔ)充設(shè)計(jì)并督促實(shí)施。

冬春風(fēng)沙季節(jié)和大氣環(huán)境重污染日期對揚(yáng)塵重點(diǎn)監(jiān)測。大面積裸露地表揚(yáng)塵會(huì)加重大氣霧霾。對于短期裸露地表，應(yīng)督促施工單位采取覆蓋措施：對于較長時(shí)間裸露地表，應(yīng)督促施工單位采取快速、低成本綠化措施及時(shí)防護(hù)：對于已基本完成施工的場地，應(yīng)督促施工單位及時(shí)按水土保持方案采取相應(yīng)防護(hù)措施。

在航片上重點(diǎn)關(guān)注項(xiàng)目區(qū)天堂河改道施工情況，圖6陰影部分為河床施工范圍，無人機(jī)定期監(jiān)測施工面積變化、是否影響周邊環(huán)境，并監(jiān)測底泥、棄渣去向。

（4）對臨時(shí)堆土監(jiān)測。識(shí)別和標(biāo)記臨時(shí)堆土場的位置（見圖7），利用GIS軟件計(jì)算工程量，復(fù)核覆蓋、綠化措施，進(jìn)一步獲取土方處置計(jì)劃，并針對下步施工計(jì)劃進(jìn)行監(jiān)控。

表1為利用無人機(jī)定量觀測的臨時(shí)堆土場8項(xiàng)典型指標(biāo)。若以地面為基準(zhǔn)，挖方是指高于地平面的土方，即堆高的土石方；填方是指低于地面的土方，即少量低洼需要填到與地面齊平的土石方。

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

（1）空天地一體化水土保持監(jiān)測，通過獲得低“空”無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)、高“天”衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)以及“地”面監(jiān)理監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用空、天獲得的整體資料與地面監(jiān)測的代表性局部數(shù)據(jù)互相補(bǔ)充、對照、印證，可獲得更全面的水土保持監(jiān)測數(shù)據(jù)，從而將原來幾乎是定性和局部表述的監(jiān)測工作，提高到定量的、全面的高度。

（2）在獲得比傳統(tǒng)方法更多數(shù)字化信息的基礎(chǔ)上，利用GIS軟件，統(tǒng)計(jì)、匯總和分析任意關(guān)注區(qū)域的工程量，可針對性地進(jìn)行重點(diǎn)工區(qū)（點(diǎn)）現(xiàn)場核查，分析其工程內(nèi)容、工程進(jìn)度以及水土流失影響與水土保持措施。無人機(jī)輔助建立工程全區(qū)的數(shù)字化用地臺(tái)賬，可為水土保持現(xiàn)場管理提供翔實(shí)的技術(shù)資料，結(jié)合工程監(jiān)理，加強(qiáng)對水土保持工程質(zhì)量、進(jìn)度和費(fèi)用的控制。

（3）公路、鐵路、河流型水庫等線型建設(shè)項(xiàng)目點(diǎn)多線長，常規(guī)地面監(jiān)測難以承受巨大工作量，且其結(jié)果不夠全面。采用空天地一體化監(jiān)測技術(shù)，可以大大提高工作效率，并在長時(shí)間的施工期留下可定量測量的數(shù)字化結(jié)果，大大提高水土保持監(jiān)測水平。

（4）依靠空天地一體化的水土保持監(jiān)測技術(shù)，可以對水保工程措施做到更全面和精準(zhǔn)的監(jiān)測，從而更好地控制工程質(zhì)量、進(jìn)度和成本。

3.2 建議

（1）建立數(shù)據(jù)庫，延伸數(shù)據(jù)價(jià)值。通過定期、全面的空天地一體化監(jiān)測，比較不同時(shí)期的航片、GIS數(shù)據(jù)，掌握地表周期變化、表土利用、土石方動(dòng)向、地表裸露等情況，結(jié)合日常不定期的無人機(jī)局部巡查，動(dòng)態(tài)掌握工程進(jìn)度及水土流失影響的范圍等，在此基礎(chǔ)上建立水土保持監(jiān)理監(jiān)測大數(shù)據(jù)庫，積累施工期歷史全過程資料，為水土流失責(zé)任倒查、回顧評(píng)價(jià)以及水保工程竣工驗(yàn)收打下堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

（2）在空天地大數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)+，進(jìn)一步開發(fā)移動(dòng)APP等管理平臺(tái)，使各級(jí)管理人員按權(quán)限隨時(shí)掌握水土保持工程進(jìn)展，溝通聯(lián)絡(luò)，發(fā)布有關(guān)信息、檢查落實(shí)情況。