無人機(jī)遙感技術(shù)在水土保持方案編制工作中的應(yīng)用

劉 佳， 賀 堯

(湖南有色冶金勞動(dòng)保護(hù)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410041)

1 前言

水土資源是人類賴以生存的基礎(chǔ)資源，水土流失對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)可持續(xù)發(fā)展、防洪安全及水質(zhì)安全有著重要影響，是我國(guó)的主要環(huán)境問題。水利部第四次全國(guó)水土流失年度動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，2018年全國(guó)水土流失面積273.69萬平方公里，表明我國(guó)仍有超過1/4的國(guó)土面積遭受不同程度的水土流失危害。

近年來，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各類大中型建設(shè)項(xiàng)目陸續(xù)開展，比如鐵路、公路、輸電線路以及風(fēng)電項(xiàng)目的開發(fā)建設(shè)，以湖南省風(fēng)電項(xiàng)目為例，截止2017年底，僅集中式的風(fēng)電建設(shè)項(xiàng)目建設(shè)規(guī)模就有226.5萬千瓦，湖南省風(fēng)電項(xiàng)目以山地型為主，地形復(fù)雜、水蝕與風(fēng)蝕并存、擾動(dòng)土地面積大、影響范圍廣，給本來嚴(yán)峻的水土保持工作帶來了更大的挑戰(zhàn)。如果不重視此類開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目建設(shè)過程中的水土流失問題，不積極進(jìn)行水土保持措施的防治，會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成惡劣影響。

水土保持方案編制的目的在于全面貫徹落實(shí)《中華人民共和國(guó)水土保持法》及其相關(guān)法律、法規(guī)，明確業(yè)主在項(xiàng)目建設(shè)的同時(shí)，應(yīng)當(dāng)承擔(dān)的社會(huì)責(zé)任與義務(wù)，將工程建設(shè)造成的水土流失減少到最低程度，實(shí)現(xiàn)資源的開發(fā)利用與生態(tài)環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展。具體來說是要初步確定水土流失防治分區(qū)，擬定防治措施和水土保持投資概算，貫徹落實(shí)開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目的水土保持設(shè)施與主體工程同時(shí)設(shè)計(jì)、同時(shí)施工、同時(shí)投產(chǎn)使用的“三同時(shí)”制度。風(fēng)電項(xiàng)目屬于線性工程，風(fēng)電基礎(chǔ)及場(chǎng)內(nèi)道路的布置線路較長(zhǎng)，并且地形復(fù)雜，給水土保持現(xiàn)場(chǎng)勘查工作帶來一定難度，通過使用無人機(jī)技術(shù)在能夠幫助水保工作人員直觀了解項(xiàng)目風(fēng)機(jī)布置及道路走向，準(zhǔn)確確定棄渣場(chǎng)的合適位置，通過影像資料記錄項(xiàng)目棄渣場(chǎng)選址的原始形態(tài)和相關(guān)數(shù)據(jù)，同時(shí)也能對(duì)也能對(duì)工程結(jié)束后棄渣場(chǎng)的恢復(fù)和措施防治工作提供圖像依據(jù)。

2 無人機(jī)遙感技術(shù)簡(jiǎn)介

2.1 無人機(jī)遙感技術(shù)介紹

無人機(jī)是通過無線電遙控設(shè)備或機(jī)載計(jì)算機(jī)程控系統(tǒng)進(jìn)行操控的不載人飛行器。無人機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)動(dòng)靈活、攜帶方便，分辨率高，通過設(shè)置飛行高度、飛行時(shí)間及飛行軌跡及等參數(shù)，搭載數(shù)碼相機(jī)等進(jìn)行無人機(jī)航拍用，再用計(jì)算機(jī)對(duì)圖像信息進(jìn)行處理，并按照一定精度要求制作成滿足精度要求的圖像。對(duì)于準(zhǔn)確掌握項(xiàng)目基本情況、確定水土流失的位置、強(qiáng)度和危害，推進(jìn)水土保持監(jiān)測(cè)工作的定量化、 精細(xì)化和信息化發(fā)展，具有重要引領(lǐng)作用，因而在水土保持工作的各個(gè)階段都有廣泛應(yīng)用。

2.2 無人機(jī)遙感技術(shù)特點(diǎn)

(1)易于操作，簡(jiǎn)單高效。無人機(jī)遙感系統(tǒng)操作靈活，對(duì)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)只需要1名操作人員即可完成組裝和調(diào)試操作，無需指定起降地點(diǎn)，提前規(guī)劃好飛行路徑及飛行高度，即可完成連續(xù)作業(yè)，無人機(jī)輕便小巧，轉(zhuǎn)場(chǎng)作業(yè)容易，工作效率較高，特別適合獲取線行項(xiàng)目航拍影像(公路、鐵路、輸變線路及風(fēng)電場(chǎng)等)。無人機(jī)攜帶的雷達(dá)設(shè)備，可穿透障礙物獲取地面信息，實(shí)時(shí)傳輸高清晰的圖像數(shù)據(jù)，從而滿足水土保持?jǐn)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。

(2)成果多樣，應(yīng)用范圍廣。無人機(jī)拍攝成果通過搭載集成了相機(jī)和慣導(dǎo)系統(tǒng)的光電倉來獲取可見光影像數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)的經(jīng)緯度信息，經(jīng)過短時(shí)間的內(nèi)業(yè)分析，即通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，可自動(dòng)化獲得測(cè)定范圍內(nèi)的地形圖、數(shù)字高程模型(DEM) 數(shù)據(jù)、數(shù)字正射影像(DOM)數(shù)據(jù)以及三維場(chǎng)景影像等，大大提高了水土保持?jǐn)?shù)據(jù)的精度。無人機(jī)屬于低空飛行，搭載高精度數(shù)碼相機(jī)，可以形成分辨率極高的遙感影像，無人機(jī)航拍遙感技術(shù)可廣泛應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)、生態(tài)治理、電力、水力、農(nóng)業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域。以水土保持工作為例，即可應(yīng)用于前期的水土保持現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查工作，也可在水土保持監(jiān)測(cè)及驗(yàn)收工作中發(fā)揮重要作用。

3 實(shí)例分析

3.1 項(xiàng)目概況

常德市石門縣子良風(fēng)電場(chǎng)工程位于湖南省常德市石門縣子良鄉(xiāng)，處湘鄂邊陲，項(xiàng)目區(qū)地貌類型屬低中山區(qū)，山脊主要呈近東西向、部分呈北北東向展布，海拔高度在930.0～1 390.0 m之間。山坡地形坡度一般為15°～35°，局部35°～40°。風(fēng)機(jī)位布置于北西西向的山脊(頂)上，長(zhǎng)約18 km，南北寬約1.0 km，山嶺之間連續(xù)性相對(duì)較好。項(xiàng)目區(qū)屬于南方紅壤區(qū)，土壤侵蝕類型主要為水力侵蝕，根據(jù)湖南省水利廳《關(guān)于湖南省水土流失重點(diǎn)預(yù)防區(qū)和重點(diǎn)治理區(qū)劃定公告》，本項(xiàng)目區(qū)屬于澧水中游省級(jí)水土流失重點(diǎn)治理區(qū)，土壤容許流失量為500 t/(km2·a)，屬微度流失。

本風(fēng)電場(chǎng)工程擬安裝25臺(tái)單機(jī)容量為2 000 kW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，相應(yīng)裝機(jī)容量為50 MW，工程總占地面積為55.81 hm2，其中永久占地1.87 hm2，主要為風(fēng)機(jī)、箱變基礎(chǔ)占地、升壓站占地；臨時(shí)占地53.94 hm2，主要為風(fēng)機(jī)安裝場(chǎng)地占地、場(chǎng)內(nèi)施工道路占地、集電線路占地、棄渣場(chǎng)及臨時(shí)施工用地。

為滿足施工期設(shè)備運(yùn)輸以及運(yùn)行期檢修維護(hù)的需要，風(fēng)電場(chǎng)需新建道路總長(zhǎng)25.06 km，道路路基寬度5.5 m，運(yùn)輸方式采用特種車輛運(yùn)輸；本項(xiàng)目選取7個(gè)棄渣場(chǎng)，占地面積4.04 hm2，棄渣場(chǎng)范圍內(nèi)無大水系通過，未發(fā)現(xiàn)大規(guī)模的滑坡、泥石流等不良地質(zhì)體，自然狀況下邊坡穩(wěn)定性較好，下游無村莊，避開了城鎮(zhèn)和交通要道的可視范圍。棄渣場(chǎng)形式為平地型和山坳型。

3.2 設(shè)備選用及數(shù)據(jù)獲取

本項(xiàng)目采用大疆精靈4無人機(jī)航拍設(shè)備，機(jī)身輕巧，方便攜帶、續(xù)航能力強(qiáng)，配備3D傳感系統(tǒng)，在指點(diǎn)飛行、視覺跟蹤、前視壁障等方面優(yōu)勢(shì)明顯，能輕松完成拍照、錄像、經(jīng)緯度信息獲取等工作。屬于低空飛行無人機(jī)，適合本項(xiàng)目要求，最大飛行高度為120 m，最大飛行速度為50 km/h，最大飛行時(shí)間為16 min。

本項(xiàng)目地勢(shì)較高、地形復(fù)雜、路線較長(zhǎng)，無人機(jī)無法完成長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)飛行，為保證數(shù)據(jù)順利獲取，采用手動(dòng)操作飛行任務(wù)，飛行高度固定在100 m以內(nèi)，相片重疊率60%的正射影像，用于后續(xù)獲取項(xiàng)目擾動(dòng)地表面積，量取部分水土保持防治措施工程量等。

3.3 無人機(jī)遙感技術(shù)在本項(xiàng)目中的作用

(1)明確線路走向。本項(xiàng)目風(fēng)電場(chǎng)工程為線性項(xiàng)目，長(zhǎng)度約18 km，風(fēng)機(jī)沿新建道路布置在一條東西走向的山脊上，海拔高度在930.0～1 390.0 m之間。主體設(shè)計(jì)道路的走向雖已避開較陡的山坡及避開高挖高填區(qū)域，但是由于項(xiàng)目還未開工建設(shè)，道路還未修建，只能沿著老路對(duì)部分點(diǎn)位進(jìn)行踏勘，在實(shí)地水土保持現(xiàn)場(chǎng)勘查中，是主要依賴于項(xiàng)目1∶10000地形圖，無法對(duì)整個(gè)項(xiàng)目線路的走向有比較直觀的了解。以項(xiàng)目7#～15#風(fēng)機(jī)區(qū)間為例，下圖為項(xiàng)目7#～15#風(fēng)機(jī)布置及道路布置的谷歌衛(wèi)星地圖(見圖1)，將無人機(jī)航拍數(shù)據(jù)導(dǎo)入地圖中，可以隨時(shí)

圖1 項(xiàng)目布置平面圖

查勘項(xiàng)目現(xiàn)狀地形及走向情況(圖2、圖3)，如圖2為項(xiàng)目進(jìn)場(chǎng)道路需要彎道改造的一部分，局部彎道需經(jīng)改造拓寬才能滿足設(shè)備運(yùn)輸要求；圖3新建道路走向?yàn)檠刂郊共糠诌M(jìn)行布設(shè)。通過無人機(jī)低空航拍，項(xiàng)目地形地貌清晰可見，也可以對(duì)線路選線及走向有直觀的認(rèn)知，從而使水土保持方案中對(duì)主體工程介紹以及水土保持措施布置更加具有針對(duì)性和可信度。

圖2 9#風(fēng)機(jī)附近場(chǎng)內(nèi)道路

(2)確定渣場(chǎng)位置。棄渣場(chǎng)是水土流失的主要部位，如果選取不當(dāng)，會(huì)造成滑坡、崩塌或更為嚴(yán)重的水土流失問題。對(duì)于風(fēng)電項(xiàng)目，由于線路長(zhǎng)、地形復(fù)雜，選取合適的棄渣場(chǎng)更為重要。遵循集中棄渣、安全穩(wěn)定、便于運(yùn)棄的要求，棄渣場(chǎng)應(yīng)布置在大開挖路段和多棄渣路段附近，從而縮短棄渣的運(yùn)輸距離，減少運(yùn)渣施工便道的修建，減少運(yùn)輸過程中的散落。各棄渣場(chǎng)均緊鄰場(chǎng)內(nèi)交通道路，便于棄渣和防護(hù)材料的運(yùn)輸，棄渣場(chǎng)下游側(cè)無重要的基礎(chǔ)設(shè)施、集中居民點(diǎn)和工業(yè)企業(yè)等。綜合考慮主體工程棄渣場(chǎng)選址，水土保持方案應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)查勘中根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況，從水土保持角度分析，進(jìn)一步確定和復(fù)核棄渣場(chǎng)位置，對(duì)于風(fēng)電項(xiàng)目，一般利用荒溝、凹地和支毛溝的溝道作為棄渣場(chǎng)位置較為合理。根據(jù)項(xiàng)目地形圖及無人機(jī)航拍，可以更加清晰的確定棄渣場(chǎng)的形式，如圖4所示，圖4為Z1棄渣場(chǎng)選址，通過航拍圖片可以清晰地看到此地為一處山坳，符合棄渣場(chǎng)選址要求，圖5為Z3棄渣場(chǎng)選址，地勢(shì)平坦，容量較大，堆渣穩(wěn)定，利于水土保持措施布設(shè)。這些渣場(chǎng)在現(xiàn)場(chǎng)勘查中我們無法通過肉眼查看到他們的形式和容量等，通過借助無人機(jī)遙感技術(shù)，我們可以獲取到渣場(chǎng)的高程、中心經(jīng)緯度、面積、容量、類型等準(zhǔn)確信息，以此作為我們選取棄渣場(chǎng)的有力依據(jù)，表1為棄渣場(chǎng)信息表。

圖4 Z1棄渣場(chǎng)選址航拍圖

圖5 Z3棄渣場(chǎng)選址航拍圖

表1 棄渣場(chǎng)信息表

(3)預(yù)測(cè)水土流失重點(diǎn)區(qū)域及措施布置。無人機(jī)遙感技術(shù)能夠改變傳統(tǒng)水土流失預(yù)測(cè)方式，借助遙感數(shù)據(jù)，得到DOM和DEM成果，可以構(gòu)建三維模型，進(jìn)而對(duì)項(xiàng)目征占地面積、擾動(dòng)土地面積、挖填土石方數(shù)量等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而高效、準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)項(xiàng)目容易產(chǎn)生水土流失的重點(diǎn)區(qū)域，對(duì)通過道路線形走向、棄土棄渣位置的監(jiān)測(cè)，可以更有針對(duì)性的進(jìn)行水土保持分區(qū)及布設(shè)水土保持工程措施、 植物措施及臨時(shí)防治措施。

4 結(jié)論

對(duì)于地形多變、線路較長(zhǎng)、水土流失嚴(yán)重的項(xiàng)目，無人機(jī)遙感技術(shù)在水土保持方案編制工作中的作用越來越重要，利用無人機(jī)遙感的高空全景拍攝、高分辨率、機(jī)動(dòng)靈活等優(yōu)勢(shì)，可為水土保持分區(qū)、棄渣場(chǎng)選址及水土流失防治措施制定等提供了更加精確和科學(xué)的方法，通過有效合理水土保持措施，達(dá)到經(jīng)濟(jì)建設(shè)與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展。