無人機(jī)遙感在生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取中的應(yīng)用

張琳琳 張艷 張文謙 吳林川 高飛

摘要：指出了生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目的監(jiān)測是水土保持監(jiān)測工作的重要內(nèi)容，可以及時(shí)全面且準(zhǔn)確地反映工程的水土保持措施建設(shè)情況，水土流失防治效果。為了快速、準(zhǔn)確、有效地估算生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目擾動(dòng)及水土保持措施實(shí)施情況，掌握其變化規(guī)律，以北京市昌平區(qū)的兩個(gè)處于施工期的項(xiàng)目為例，通過無人機(jī)遙感生成的數(shù)字正射影像和三維模型進(jìn)行水土保持監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取，獲得了地塊A、地塊B和臨時(shí)堆土區(qū)的擾動(dòng)土地面積、水土保持措施實(shí)施數(shù)量及堆土量，證明了無人機(jī)在生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測中應(yīng)用的可行性和便利性。

關(guān)鍵詞：生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目;水土保持監(jiān)測;無人機(jī)

中圖分類號(hào)：Q948. 18

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-9944（ 2019） 24-0023-06

1 引言

隨著國家經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目日益增多，由此產(chǎn)生的水土流失問題日益嚴(yán)重[1]。水土保持監(jiān)測是生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目中必不可少的環(huán)節(jié)，也是水土保持工作的基礎(chǔ)。如何快速準(zhǔn)確的進(jìn)行水土保持監(jiān)測，得到有效的數(shù)據(jù)是現(xiàn)階段水土保持監(jiān)測需要解決的關(guān)鍵性問題之一。無人機(jī)遙感技術(shù)在自2011年來取得了飛速發(fā)展，其具備精度高.時(shí)效性強(qiáng)、機(jī)動(dòng)靈活等特點(diǎn)心[2]，在各個(gè)行業(yè)中的應(yīng)用中取得了一定的效果。將無人機(jī)遙感技術(shù)應(yīng)用于水土保持監(jiān)測具有實(shí)踐意義和價(jià)值[3]。

以北京市昌平區(qū)兩處生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目作為研究對(duì)象，使用無人機(jī)拍攝兩個(gè)地塊和一處堆土區(qū)，針對(duì)堆土區(qū)使用了垂直攝影的攝影方法。通過軟件處理影像獲得正射影像和三維模型[4]，對(duì)影像處理獲得監(jiān)測相關(guān)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了無人機(jī)在生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測中應(yīng)用的可行性和便利性。

2 研究區(qū)概況及實(shí)驗(yàn)方法

2.1 研究區(qū)概況

所選建設(shè)項(xiàng)目位于北京市昌平區(qū)，地貌類型屬城市平原區(qū)，土壤類型主要為褐土氣候類型為暖溫帶大陸性半濕潤季風(fēng)氣候，冬季寒冷干燥，夏季高溫多雨。多年平均降雨量550 mm，集中在6～8月份。年平均氣溫為11.8℃，受地貌影響氣溫差異較大，年平均日照時(shí)長2685 h。

所選建設(shè)項(xiàng)目為相鄰南北兩個(gè)地塊（下文用地塊A、地塊B代替）。依據(jù)項(xiàng)目的水土保持方案，地塊A和地塊B項(xiàng)目地性質(zhì)均為F1住宅混合公建用地。建設(shè)內(nèi)容均為住宅、公建及配套商業(yè)用房。地塊A總占地9. 51 hm2，地塊B總占地8. 65 hm2，臨時(shí)堆土區(qū)位于B地塊東側(cè)，占地面積1. 25 hm2。

項(xiàng)目于2018年4月初開工，計(jì)劃于2020年10月末完工，工期總計(jì)31個(gè)月。施工時(shí)序總體按照基坑開挖一基坑回填一主體建筑一地形塑造一管線、灌溉工程一道路工程一種植土回覆一綠化景觀工程的順序進(jìn)行。按照項(xiàng)目的施工安排進(jìn)度表和實(shí)地勘察，研究進(jìn)行時(shí)地塊A正處于主體建筑施工期，地塊B處于基坑開挖期。

2.2 無人機(jī)影像獲取

本研究所采用的無人機(jī)是大疆Phantom 4，飛機(jī)及相機(jī)參數(shù)見表1。航拍參數(shù)設(shè)置見表2，航線設(shè)置見圖1～3，飛行日期2019年3月2日，氣溫15℃，多云，風(fēng)力小于三級(jí)，適合無人機(jī)作業(yè)。

2.3 無人機(jī)影像數(shù)據(jù)處理

本次實(shí)驗(yàn)選擇了Agisoftmetashape Professional和ContextCapture Center Master作為影像處理軟件。使用Agisoftmetashape Professional制作兩個(gè)地塊和堆土區(qū)的的正射影像，三維模型使用ContextCapture CenterMaster制作。

3 結(jié)果與分析

3.1 擾動(dòng)土地面積分析

3.1.1 擾動(dòng)面積測定

對(duì)正射影像進(jìn)行識(shí)別，識(shí)別結(jié)果地塊A的擾動(dòng)面積（圖中黃線范圍內(nèi)部分）為10. 69 hm2，采用手持GPS實(shí)測地塊A面積為10. 69 hmz，識(shí)圖面積同實(shí)測面積相同（圖4）。

根據(jù)項(xiàng)目水土保持方案，地塊A的水土流失防治責(zé)任范圍面積為9. 57 hm2，擾動(dòng)土地面積超出防治責(zé)任范圍1. 12 hm2，由圖A對(duì)比水土保持方案設(shè)計(jì)防治責(zé)任范圍，可直觀發(fā)現(xiàn)項(xiàng)目區(qū)北側(cè)、東側(cè)及南側(cè)施工臨建發(fā)生新增擾動(dòng)（圖5）。

對(duì)正射影像進(jìn)行測量，識(shí)別結(jié)果地塊B的擾動(dòng)面積為8. 42 hm2，采用手持GPS實(shí)測面積為8.42 hm2，識(shí)圖面積同實(shí)測面積相同。

地塊B的水土流失防治責(zé)任范圍面積為8. 71hm2，地塊B正處于基坑開挖期，先前設(shè)計(jì)表土堆土區(qū)并未開始實(shí)施使用。擾動(dòng)土地范圍并未超出設(shè)計(jì)防治責(zé)任范圍（圖6、圖7）。

對(duì)正射影像進(jìn)行測量，識(shí)別堆土區(qū)的擾動(dòng)面積為1. 25 hm 2，采用手持GPS實(shí)測堆土區(qū)面積為1.25 hm2（圖8）。

項(xiàng)目區(qū)外側(cè)的堆土區(qū)在水土保持方案中并未設(shè)計(jì)，均為新增占地。

3.1.2 精準(zhǔn)性驗(yàn)證及合法性分析

由表3可見，圖中提取面積與手持GPS實(shí)測面積一致，在單位為公頃的條件下精度可以達(dá)到100%，監(jiān)測過程中地塊A實(shí)際發(fā)生擾動(dòng)面積為10.69 hm2，超出了設(shè)計(jì)的防治責(zé)任范圍1. 12 hm2;地塊B實(shí)際擾動(dòng)范圍為8. 42 hm2，在防治責(zé)任范圍之內(nèi);臨時(shí)堆土區(qū)在水土保持方案中并未設(shè)計(jì)，屬于新增臨時(shí)用地。需在水土保持監(jiān)測材料中說明，并向水行政主管部門報(bào)備。

3.2 水土保持措施實(shí)施情況分析

3.2.1 設(shè)立遙感的解釋標(biāo)志

在建立遙感影像解釋標(biāo)志時(shí)，主要根據(jù)地物的顏色、形狀、位置、紋理等。并經(jīng)過實(shí)調(diào)查分析，確認(rèn)各地物的解釋標(biāo)志見表4。

3.2.2 水土保持措施提取

地塊A目前處于主體建筑施工期，通過正射影像，可以識(shí)別出現(xiàn)狀實(shí)施的水土保持措施有：基坑內(nèi)的臨時(shí)苫蓋及臨時(shí)硬化，施工臨時(shí)建筑區(qū)的地面臨時(shí)硬化、臨時(shí)排水溝、施工車輛清洗池以及配套沉淀池，項(xiàng)目區(qū)地塊外側(cè)的臨時(shí)攔擋。經(jīng)過對(duì)正射影像的勾畫測量，臨時(shí)苫蓋措施面積為27414. 67 m2，覆蓋基坑內(nèi)大部分裸露地表?；觾?nèi)臨時(shí)硬化面積為3478. 53 m2，施工臨時(shí)建筑區(qū)地表全部使用硬化處理，面積為15910. 62 m2，基坑內(nèi)部及施工臨時(shí)建區(qū)設(shè)置了臨時(shí)排水溝，長度分別為1128.26 m、280.92 m。地塊設(shè)置了4處施工車輛清洗槽及沉沙池，分別位于地塊北部、南部以及東部上下兩個(gè)出口處。同時(shí)地塊四周設(shè)置有攔擋，長度為1431. 34 m（圖9）。

地塊B已實(shí)施的水土保持措施有：臨時(shí)苫蓋，臨時(shí)排水溝及沉沙池。正射影像的勾畫測量后得出，臨時(shí)苫蓋面積64539. 47 m2，臨時(shí)排水溝長度943. 42 m，在地塊北部出口設(shè)置了一個(gè)施工車輛清洗槽，地塊周圍設(shè)置有攔擋，總長度1323. 51 m（圖10）。

堆土區(qū)主要采取的水土保持措施同樣為臨時(shí)苫蓋，面積為9360. 63 m2，同時(shí)在堆土區(qū)四周設(shè)置有排水溝，長度372. 95 m。在堆土區(qū)外圍設(shè)置一圈臨時(shí)攔擋，長度為513. 17 m（圖11、表5）。

3.2.3 水土保持措施提取準(zhǔn)確性驗(yàn)證

同時(shí)也進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)地調(diào)查測量，選取水土保持措施進(jìn)行測量，與正射影像提取值對(duì)比精度見表6。各項(xiàng)水土保持措施滿足監(jiān)測規(guī)程規(guī)定的95%以上準(zhǔn)確率[6]。

3.3 臨時(shí)堆土區(qū)土方量的測定

地塊B東側(cè)馬路對(duì)面新增臨時(shí)堆土區(qū)，根據(jù)正射影像圖測算其占地面積為1. 25 hm2，堆土區(qū)四周有攔擋，攔擋長度為513.17 m。

本研究采用垂直攝影制作堆土區(qū)的三維模型。通過Acute3D Viewer測量堆土區(qū)域的土方量。垂直攝影生成的三維模型堆土量經(jīng)測量為44423. 88 m3.土方堆高為4～6 m。根據(jù)施工單位所提供數(shù)據(jù)，堆土區(qū)在當(dāng)天的堆土方量為4. 35萬m3（圖12、表7）。

由于堆土區(qū)土方形狀不規(guī)則，無法通過傳統(tǒng)手段實(shí)測土方量，因此以施工單位所給的土方數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。經(jīng)計(jì)算，由垂直攝影生成的三維模型土方量值與實(shí)際值相差2676. 12 m3，準(zhǔn)確性為94.32%。土方量準(zhǔn)確性滿足大于90%[6]的要求。因此在實(shí)際水土保持監(jiān)測中，垂直攝影用于計(jì)算堆土區(qū)土方量，是完全可行的。

4 討論

通過目視判別、勾繪測量等方式對(duì)于無人機(jī)遙感生成的數(shù)字正射影像和三維模型進(jìn)行水土保持監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取。由正射影像獲得了地塊A、地塊B的和臨時(shí)堆土區(qū)的擾動(dòng)土地面積并對(duì)其進(jìn)行合規(guī)性判別，地塊A實(shí)際擾動(dòng)面積為10. 69 hm2，超出水土保持方案設(shè)計(jì)防治責(zé)任分區(qū)1. 12 hm2，地塊B擾動(dòng)土地面積和范圍均小于防治責(zé)任面積，項(xiàng)目外圍新增臨時(shí)堆土占地1. 25hHi2?；谡溆跋窨梢杂行Й@取水土保持措施種類和數(shù)量，與實(shí)際測量對(duì)比精度滿足監(jiān)測規(guī)程95%以上要求。通過三維模型測量了臨時(shí)堆土區(qū)的土方量，并與實(shí)際土方量對(duì)比?；诖怪睌z影生成的三維模型精度為94. 32%達(dá)到了監(jiān)測規(guī)程要求的90%以上，可以作為數(shù)據(jù)來源。

遙感影像成果中水土保持監(jiān)測數(shù)據(jù)提取主要依靠目視識(shí)別人機(jī)交互。這是由于建設(shè)項(xiàng)目施工期數(shù)字圖像內(nèi)容較為復(fù)雜，如果交由電腦進(jìn)行分類識(shí)別需進(jìn)行較多的前期準(zhǔn)備工作。人工目視判別與計(jì)算機(jī)分類技術(shù)在大規(guī)模尺度上的效率差距較為明顯。單獨(dú)的一個(gè)或幾個(gè)點(diǎn)狀項(xiàng)目水土保持監(jiān)測使用人機(jī)交互判別、勾畫測量工作量還較為適中[7-9]。但對(duì)于監(jiān)管單位來說大量的數(shù)據(jù)人工目視判別具有較多工作量。可以通過建立和完善建設(shè)類項(xiàng)目遙感圖像解釋標(biāo)志庫，通過機(jī)器學(xué)習(xí)的方式，完成數(shù)字化、自動(dòng)化的遙感圖像數(shù)據(jù)提取，讓水土保持監(jiān)測工作更加信息化、高效化。

5 結(jié)論

（1）本文根據(jù)無人機(jī)拍攝影像，通過使用Agisoft-metashape，Context Capture Center Master生成項(xiàng)目區(qū)正射影像以及三維模型，得到了地塊A、地塊B及臨時(shí)堆土區(qū)地面分辨率為0. 05 m的數(shù)字正射影像和三維模型，測定生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目擾動(dòng)面積及水土保持措施實(shí)施數(shù)量。

（2）通過正射影像可以有效準(zhǔn)確地提取出各地塊的擾動(dòng)土地面積、水土保持措施并判斷其合規(guī)性。獲取水土保持措施與實(shí)際測量對(duì)比，精度滿足監(jiān)測規(guī)程95%以上要求?；诖怪睌z影生成的三維模型土方量測量精度為94.32%，證明了無人機(jī)在生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測中應(yīng)用的可行性和便利性。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔡志洲，袁普金，王森，空天地一體化水土保持監(jiān)測初探[J].人民黃河，2018.40（4）：92-95.

[2]陳英智，淺談開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測[J].水利天地.2003（11）：22.

[3]張德平，王效科，孫宏偉，等.呼倫貝爾沙質(zhì)草原風(fēng)蝕坑研究（Ⅳ）——人類活動(dòng)的影響[J].中國沙漠.2007 ，27（2）：214～220.

[4]李凌霄.多旋翼無人機(jī)單鏡頭傾斜影像采集關(guān)鍵技術(shù)研究[D].武漢：長江科學(xué)院，2016.

[5]陳宇，付貴增，凌峰，等，無人機(jī)技術(shù)在水土保持中的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望[J].海河水利.2018（3）：61～63.

[6]中華人民共和國水利部.SL 277 - 2002.水土保持監(jiān)測技術(shù)規(guī)程[S].北京;中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

[7]史俊鳳.生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測的RS與GIS的應(yīng)用研究[D].北京：北京林業(yè)大學(xué)，2016.

[8]孫政，曹永康，基于消費(fèi)級(jí)無人機(jī)采集圖像的攝影測量在建筑遺產(chǎn)測繪中的精度評(píng)估—一以吉祥多門塔為例[J].建筑遺產(chǎn)，2017（4）：120-127.

[9]馬紅斌，周利軍.生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)督性監(jiān)測探討[J].中國水土保持，2018（2）：25-26.

收稿日期：2019-11-13

作者簡介：張琳琳（1987-），女，工程師，碩士，主要從事水土保持與荒漠化防治研究。

通訊作者：張艷（1984-），女，工程師，碩士，主要從事水土保持與荒漠化防治研究。