無(wú)人機(jī)遙感在水土保持監(jiān)督管理中的應(yīng)用

張君

摘 要：由于我國(guó)水土流失面積大、分布廣，傳統(tǒng)的水土保持研究和調(diào)查方法已不能滿(mǎn)足目前水土流失數(shù)據(jù)采集的需要。無(wú)人機(jī)遙感作為一種新型的遙感平臺(tái)，為水土保持監(jiān)測(cè)、監(jiān)管等相關(guān)工作提供了一種可以及時(shí)、準(zhǔn)確、高效地獲取數(shù)據(jù)的技術(shù)手段。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī);遙感;水土保持;監(jiān)管;監(jiān)測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：S127;S157 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）14-0206-02

0 引言

隨著我們科學(xué)和技術(shù)的不斷進(jìn)步，科學(xué)和技術(shù)在許多領(lǐng)域得到了更好的利用。特別是在土壤保護(hù)監(jiān)測(cè)、高水平遙感和越來(lái)越多的使用和控制無(wú)人機(jī)技術(shù)方面，在水土保持監(jiān)管的過(guò)程中，工作人員可以通過(guò)高水平的遙感和無(wú)人機(jī)技術(shù)來(lái)最大限度地提高效率和工作能力。

1 關(guān)于無(wú)人機(jī)

1.1 無(wú)人機(jī)簡(jiǎn)介

無(wú)人機(jī)技術(shù)是一種無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)技術(shù)，它可以通過(guò)飛機(jī)上搭載的計(jì)算機(jī)或無(wú)線遙控進(jìn)行控制。安裝了小型高清晰度數(shù)碼相機(jī)，利用慣性導(dǎo)航技術(shù)和衛(wèi)星無(wú)線電通信技術(shù)進(jìn)行低空飛行，并迅速獲得地面影像數(shù)據(jù)。它由兩部分組成：硬件部分主要是航空載載系統(tǒng)和地面監(jiān)控系統(tǒng)。軟件主要包括飛行控制，航道設(shè)計(jì)，攝影檢查，數(shù)據(jù)預(yù)處理等系統(tǒng)。無(wú)人機(jī)（UAV）是一種能夠獨(dú)立執(zhí)行計(jì)劃飛行任務(wù)的綜合程序控制。早在第二次世界大戰(zhàn)之前，無(wú)人機(jī)原型機(jī)就出現(xiàn)了，應(yīng)用于軍事訓(xùn)練。在20世紀(jì)90年代，隨著通信和信號(hào)處理技術(shù)的進(jìn)步，特別是自動(dòng)駕駛儀的進(jìn)步，無(wú)人機(jī)得到了相當(dāng)大的發(fā)展。到目前為止，無(wú)人機(jī)幾乎已經(jīng)形成了航空攝影領(lǐng)域的綜合技術(shù)。無(wú)人機(jī)（UAV）已經(jīng)成為遙感設(shè)備的信息平臺(tái)，如使用激光傳感器，微型單反相機(jī)和高分辨率航空攝影機(jī)來(lái)獲取信息，然后由計(jì)算機(jī)處理圖像信息，并能根據(jù)需求做出相應(yīng)的維度，這是航空攝影測(cè)量、遠(yuǎn)程控制、遙感、視頻圖像傳輸結(jié)合3D數(shù)字圖像處理技術(shù)的新應(yīng)用技術(shù)。

1.2 無(wú)人機(jī)的優(yōu)勢(shì)

低空無(wú)人機(jī)可以獲得高分辨率的圖像。這項(xiàng)技術(shù)解決了大型飛機(jī)和衛(wèi)星在云層覆蓋下偏離目標(biāo)區(qū)域的航空攝影問(wèn)題，并填補(bǔ)了遙感航空攝影的不足，耗時(shí)等問(wèn)題。傳統(tǒng)的航空遙感技術(shù)受到更高的經(jīng)濟(jì)成本，因?yàn)樵S多因素，如傳感器、目標(biāo)空域、航空平臺(tái)等。小型無(wú)人機(jī)有便宜、無(wú)人駕駛、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。它們不僅可以在海拔較低的小范圍內(nèi)很快獲得高清晰度遙感的結(jié)果，而且有利于補(bǔ)充傳統(tǒng)的大型航空遙感的細(xì)節(jié)。一般來(lái)說(shuō)，無(wú)人機(jī)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)主要包括以下幾個(gè)方面：高空作業(yè)不受云層的影響，而是在云層下面飛行。其結(jié)果是多種多樣，不僅是大型飛機(jī)和衛(wèi)星的量私營(yíng)商等傳統(tǒng)模型，還可以從多種角度綜合收集地形和地形數(shù)據(jù)，支援三維景觀模型、數(shù)碼曲面模型等。著陸場(chǎng)要求少，著陸方便，靈活，準(zhǔn)備程序簡(jiǎn)單，不受地形限制。它可以對(duì)人體無(wú)害，實(shí)現(xiàn)對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域或交通不便區(qū)域的監(jiān)測(cè)和檢測(cè)。旋翼可以對(duì)特定的地物進(jìn)行靜止航向測(cè)定，也可以對(duì)固定區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)航向測(cè)定。工作效率高，應(yīng)急能力強(qiáng)，時(shí)間短。生產(chǎn)成本低，維修簡(jiǎn)單，維修成本低，操作人員培訓(xùn)相對(duì)簡(jiǎn)單。

2 無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)特點(diǎn)

2.1 低廉成本，高效快捷

無(wú)人機(jī)有事先計(jì)劃好自己的拍攝，無(wú)線電輸送設(shè)備和外部控制點(diǎn)的操作控制，才能獲得更準(zhǔn)確的航空拍攝和云數(shù)據(jù)。無(wú)人機(jī)也有自我檢測(cè)能力。出現(xiàn)故障時(shí)，自動(dòng)返回原點(diǎn)，等待操作員修理故障。目前，無(wú)人機(jī)可以在12小時(shí)內(nèi)獲得一條約300千米的直線工作的空中圖像，大大提高了土壤保護(hù)研究的效率。

2.2 操作簡(jiǎn)單靈活

無(wú)人機(jī)可以在15到30分鐘內(nèi)安裝、調(diào)整、裝載和降落。需要低著陸和起飛地點(diǎn)。無(wú)人機(jī)攜帶的雷達(dá)設(shè)備可以穿過(guò)森林植被獲得地表信息，達(dá)到載人飛機(jī)無(wú)法到達(dá)的空域和高度。高空間分辨率和數(shù)據(jù)精度。由于無(wú)人機(jī)在低空飛行，在高精度的數(shù)字成像設(shè)備中，能力覆蓋或垂直傾斜。遙感圖像的分辨率可以達(dá)到毫米/厘米。土壤保護(hù)控制措施可以得到實(shí)施。在三維測(cè)量范圍內(nèi)，NG圖像處理軟件、數(shù)據(jù)和地形圖、數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)、數(shù)碼束數(shù)據(jù)和圖像（DOM）自動(dòng)生成，大大提高了水土保持?jǐn)?shù)據(jù)的精度。

3 無(wú)人機(jī)遙感水土保持應(yīng)用實(shí)踐

3.1 生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)

開(kāi)展水土保持監(jiān)測(cè)是《中華人民共和國(guó)水土保持法》的剛性要求，這是一項(xiàng)法律義務(wù)，必須由生產(chǎn)單位承擔(dān)，由生產(chǎn)單位本身執(zhí)行，或者委托給第三個(gè)機(jī)構(gòu)，以及主要建設(shè)同步開(kāi)展。生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)通常具有占地面積大、擾動(dòng)范圍廣的特點(diǎn)，尤其是線狀項(xiàng)目，生產(chǎn)活動(dòng)和建設(shè)特點(diǎn)通常面積大的和范圍廣，特別是在線性項(xiàng)目，監(jiān)測(cè)單位很難通過(guò)傳統(tǒng)的巡查和踏勘的方式完成全部監(jiān)測(cè)工作。無(wú)人機(jī)的低海拔遙感已經(jīng)成為監(jiān)測(cè)生產(chǎn)和建設(shè)項(xiàng)目土壤和水保護(hù)的新技術(shù)手段，因?yàn)樗鼈兊臏?zhǔn)確性、及時(shí)性和全球性質(zhì)。

3.2 控制生產(chǎn)和建設(shè)項(xiàng)目的水土保持監(jiān)管

對(duì)生產(chǎn)和建設(shè)項(xiàng)目的水土保持監(jiān)督性監(jiān)測(cè)?？刂平ㄖ?xiàng)目的和水土保持監(jiān)測(cè)。

（1）建設(shè)項(xiàng)目的生產(chǎn)控制和土壤保護(hù)控制是生產(chǎn)單位在生產(chǎn)控制和土壤保護(hù)控制方面的單獨(dú)的建設(shè)性工作。這是政府權(quán)威和公眾利益的行為。監(jiān)測(cè)土地保護(hù)和產(chǎn)品建設(shè)項(xiàng)目的執(zhí)行情況，由政府和環(huán)境部授權(quán)的專(zhuān)門(mén)控制機(jī)構(gòu)實(shí)施的兩種控制形式。管理處服務(wù)水利偵破并停止違反養(yǎng)護(hù)土壤、監(jiān)督、管理和控制的執(zhí)行提出了建議，有效監(jiān)督管理水和土壤及提供技術(shù)支持。監(jiān)測(cè)單位也可使用遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)控制范圍、面積、強(qiáng)度和數(shù)量的措施防止水土流失的生產(chǎn)和建筑項(xiàng)目，以確保執(zhí)行水和土壤養(yǎng)護(hù)。預(yù)防，土壤保護(hù)。在比較控制單元確定的土壤保護(hù)措施的責(zé)任標(biāo)準(zhǔn)時(shí)發(fā)現(xiàn)的侵權(quán)行為可能集中在防止土壤侵蝕方面。分析建筑項(xiàng)目與生產(chǎn)中斷項(xiàng)目的符合性，為生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目提供監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和土壤和水保護(hù)依據(jù)。

（2）水土保持與生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目相結(jié)合，是防治水土流失和破壞地表?xiàng)l件的責(zé)任范圍。廢物控制、數(shù)量和位置控制、水土保持措施實(shí)施、遙感影像高分辨率制作、采集、技術(shù)信息等終端移動(dòng)建設(shè)項(xiàng)目全面實(shí)施?，F(xiàn)場(chǎng)采集可歸納為四個(gè)方面：建設(shè)項(xiàng)目用地?cái)_動(dòng)、用地（石料）、（石材、礦渣、廢渣現(xiàn)場(chǎng)、施工引起的水土流失及水土保持措施的實(shí)施）。

3.3 國(guó)家水土保持重點(diǎn)工程“圖斑精細(xì)化”管理

按照《全國(guó)水土保持信息化工作2017—2018年實(shí)施計(jì)劃》，各流域組織和省級(jí)水行政主管部門(mén)負(fù)責(zé)分工，以美麗的圖章為單位，對(duì)重點(diǎn)工程進(jìn)行管理，對(duì)施工項(xiàng)目和地面控制項(xiàng)目的控制和驗(yàn)收是否按現(xiàn)行辦法進(jìn)行檢查?；虺闄z應(yīng)符合設(shè)計(jì)，并采取措施改變圖的描述和竣工驗(yàn)收carte.si比例真實(shí)，動(dòng)作質(zhì)量合格等。無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、靈活性、綜合性等特點(diǎn)，為在建重點(diǎn)工程的驗(yàn)證和工程驗(yàn)收試驗(yàn)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

3.4 除了上述水土保持監(jiān)督和監(jiān)測(cè)工作之外，無(wú)人機(jī)還可以用于以下工作

（1）小型流域綜合土壤保護(hù)管理的初步設(shè)計(jì)。初步設(shè)計(jì)應(yīng)在國(guó)家綜合流域管理項(xiàng)目實(shí)施前完成。首先，獲得基本資料，土地使用河流流域、森林覆蓋、斜坡、類(lèi)型和強(qiáng)度土壤侵蝕。傳統(tǒng)方法是獲得實(shí)質(zhì)性數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上流域的地形圖、實(shí)地調(diào)查和統(tǒng)計(jì)圖表，并擬訂各種措施養(yǎng)護(hù)土壤的軟件。然而，一些河流流域沒(méi)有大規(guī)模的地形圖，也無(wú)法為不同的測(cè)量提供精確的空間布局。獲得的計(jì)劃通常缺乏地理信息，如經(jīng)度和緯度，無(wú)法定位和管理測(cè)繪點(diǎn)，給后續(xù)測(cè)量地圖點(diǎn)的存儲(chǔ)和“圖斑精細(xì)化”管理帶來(lái)諸多不便。根據(jù)這些條件，可以在設(shè)計(jì)衛(wèi)星遙感圖像，無(wú)人機(jī)遙感影像、地形圖的基礎(chǔ)上的項(xiàng)目區(qū)域土地利用、水土保持措施，邊坡和植被覆蓋狀況等解釋和計(jì)算，使用GIS及相關(guān)軟件，采用人機(jī)互動(dòng)地圖的方法的水土保持措施，完成水土保持措施的布局，它能保證流域地貌措施的種類(lèi)和范圍，使流域綜合治理更加科學(xué)合理。

（2）水土保持設(shè)施驗(yàn)收。建設(shè)項(xiàng)目生產(chǎn)的接收和檢查設(shè)施的土壤和水資源保護(hù)、技術(shù)評(píng)估無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)的養(yǎng)護(hù)措施著重于水和土壤數(shù)量、面積、質(zhì)量和保存情況分析和防治范圍內(nèi)水土流失擾動(dòng)的土地復(fù)墾率和程度、水土流失總量和植被恢復(fù)率等六個(gè)采取預(yù)防措施并抽查相符;跨越無(wú)人區(qū)和山區(qū)的直線工程，可以利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)所有必要的防控措施，并及時(shí)反饋檢測(cè)結(jié)果，確保水利設(shè)施的檢測(cè)。無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)可以大大縮短驗(yàn)收評(píng)估時(shí)間，提高工作效率，避免人為因素的干擾，提高驗(yàn)收評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)和可靠性。

（3）土壤侵蝕危害研究。典型的水土流失破壞形式有滑坡、泥石流、沙塵暴、洪水等。通過(guò)無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)和GIS空間分析，可以快速、準(zhǔn)確地評(píng)估位置，災(zāi)難的影響范圍和程度的災(zāi)難事件，預(yù)測(cè)和警告災(zāi)害的發(fā)展和演化，并提供決策支持，人員疏散和轉(zhuǎn)移受災(zāi)地區(qū)的防災(zāi)和救災(zāi)。

4 無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在實(shí)際水土保持監(jiān)管中的具體應(yīng)用

（1）具體目標(biāo)和技術(shù)創(chuàng)新。水土保持的規(guī)定，它的主要目標(biāo)是全面、生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目的全過(guò)程監(jiān)督，所以當(dāng)高分?jǐn)?shù)的無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)還需要生成數(shù)據(jù)報(bào)告，審查和批準(zhǔn)，審批過(guò)程中需要保持水土保持方案、水土保持監(jiān)督的過(guò)程中，如何保持水土保持建設(shè)和水土保持監(jiān)測(cè)的評(píng)價(jià)驗(yàn)收以及各個(gè)階段如何進(jìn)行嚴(yán)格審批。確保所有生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目都有相關(guān)的動(dòng)態(tài)信息，各級(jí)管理人員能夠隨時(shí)隨地開(kāi)展水土監(jiān)測(cè)工作，了解項(xiàng)目進(jìn)展情況，發(fā)現(xiàn)施工過(guò)程中的問(wèn)題，及時(shí)解決問(wèn)題。技術(shù)創(chuàng)新的主要手段是土壤和水的深度集成監(jiān)督業(yè)務(wù)和現(xiàn)代信息技術(shù)、空間技術(shù)等新興技術(shù)，和使用真正的好結(jié)果和遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)土壤侵蝕的問(wèn)題在實(shí)時(shí)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目，干擾地球表面的面積，對(duì)預(yù)防和控制的范圍和責(zé)任。

（2）開(kāi)展生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目基本信息的入庫(kù)，對(duì)信息系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)督管理。信息系統(tǒng)得到升級(jí)，更好地應(yīng)用高分辨率遙感和無(wú)人機(jī)技術(shù)。新制度可以在基層和市級(jí)進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用，真正實(shí)現(xiàn)監(jiān)管制度相關(guān)信息的交流和共享，確保上下級(jí)之間的協(xié)調(diào)。系統(tǒng)升級(jí)后，現(xiàn)有的矢量數(shù)據(jù)可以由系統(tǒng)存儲(chǔ)和輸入。這樣，高分辨率遙感與無(wú)人機(jī)遙感信息可以更好的交流。同時(shí)，系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境也發(fā)生了變化。

5 問(wèn)題與思考

在生產(chǎn)和建設(shè)項(xiàng)目中，無(wú)人機(jī)遙感在土壤保護(hù)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用仍處于探索階段。

（1）垂直精度不足。精度測(cè)試表明，DEM高度誤差在2到5米之間，提取的體積數(shù)據(jù)不夠精確，不能直接使用。

（2）提取與土壤保護(hù)監(jiān)測(cè)有關(guān)的數(shù)據(jù)。土壤和水保護(hù)的信息必須由熟悉工程條件的技術(shù)人員通過(guò)人工干預(yù)提取。

（3）對(duì)天氣有很強(qiáng)的依賴(lài)性。工程現(xiàn)場(chǎng)的天氣狀況對(duì)無(wú)人機(jī)測(cè)試結(jié)果的質(zhì)量影響很大。在云、雨、雪等惡劣天氣情況下，無(wú)法達(dá)到精度要求的監(jiān)測(cè)結(jié)果。

（4）投入成本很高。與目前在生產(chǎn)和建設(shè)項(xiàng)目中監(jiān)測(cè)土壤保護(hù)的成本相比，無(wú)人機(jī)的低海拔遙感成本相對(duì)較高。大部分費(fèi)用監(jiān)測(cè)土壤養(yǎng)護(hù)不足以支持執(zhí)行不斷監(jiān)測(cè)長(zhǎng)期和無(wú)人駕駛航空器，才可取得有計(jì)劃地根據(jù)情況和項(xiàng)目所需的程度。無(wú)人機(jī)遙感作為一個(gè)新的遙感平臺(tái)，具有空間自由、靈活性、空間分辨率和時(shí)間分辨率的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。隨著多光譜傳感器的發(fā)展，無(wú)人機(jī)遙感在光譜分辨率方面也有可能被忽視。

目前，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在水土保持方案編制、水土保持動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、水土保持監(jiān)督執(zhí)法、驗(yàn)收評(píng)價(jià)等方面逐漸普及隨著硬件設(shè)備的更新和軟件技術(shù)的發(fā)展和完善，無(wú)人機(jī)遙感將在水土保持的各個(gè)方面發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 張雅文，許文盛，沈盛彧，王志剛，張平倉(cāng).無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用——方法構(gòu)建[J].中國(guó)水土保持科學(xué)，2017，15（01）：134-140.

[2] 李建.無(wú)人機(jī)遙測(cè)技術(shù)在水土保持監(jiān)管中的應(yīng)用[J].中國(guó)水土保持，2017（09）：73-76.