無人機(jī)遙感技術(shù)在線型工程水土保持監(jiān)測中的應(yīng)用

楊曉娟 宋振振 李飛

摘要 以日照—京博（日京）管道工程為例，從遙感數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測內(nèi)容提取2個方面，開展無人機(jī)遙感技術(shù)在線型工程水土保持監(jiān)測中的應(yīng)用研究。首先，在航攝基礎(chǔ)上，利用Agisoft PhotoScan軟件處理航攝影像生成高精度的正射影像（DOM）和數(shù)字高程模型（DEM）;然后基于DOM和DEM成果提取各類監(jiān)測數(shù)據(jù)，并構(gòu)建三維模型。結(jié)果表明，利用無人機(jī)遙感技術(shù)可獲取研究區(qū)防治措施落實情況、位置、面積、體積等定性和定量數(shù)據(jù)，監(jiān)測精度滿足相關(guān)技術(shù)要求。無人機(jī)遙感技術(shù)應(yīng)用于線型工程水土保持監(jiān)測中優(yōu)勢明顯，可提高監(jiān)測工作質(zhì)量和效率，提升監(jiān)測信息化水平，為水土流失防治提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞 無人機(jī);遙感技術(shù);水土保持監(jiān)測;線型工程;應(yīng)用

中圖分類號 S157 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A ?文章編號 0517-6611（2020）19-0222-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.19.058

Abstract Taking the pipeline project of RizhaoJingbo （abbreviation as Rijing） as an example， then a research of unmanned aerial vehicle （UAV） remote sensing technology applied in line monitoring was carried out. The contents include remote sensing data collection and monitoring content extraction. Firstly， the Agisoft PhotoScan software was used to process aerial photography image to obtain the highprecision Digital Orthophoto Model （DOM） and Digital Elevation Model （DEM） based on the basis of aerial photography. Secondly， a series of monitoring data were extracted based on DOM and DEM results. Finally， a threedimensional model was constructed. The results showed that using the UAV remote sensing technology can obtain the qualitative and quantitative data， including implementation of control measures， location， area and volume of the research area， and the monitoring accuracy can meet the technical requirements. The UAV remote sensing technology had obvious advantages in monitoring soil and water conservation of linear engineering. It can not only improve the quality and efficiency of monitoring work， but also improve the level of monitoring information，and provide technical support for soil erosion control measures.

Key words Unmanned aerial vehicle;Remote sensing technology; Soil and water conservation monitoring; Linear construction projects;Application

基金項目 山東省省級水利科研項目（SDSLKY201808）;水發(fā)設(shè)計集團(tuán)科研項目（SFSJKY201913）。

作者簡介 楊曉娟（1987—），女，陜西渭南人，工程師，碩士，從事水土保持方面的研究。*通信作者，高級工程師，從事水利規(guī)劃設(shè)計研究。

收稿日期 2020-03-24

水土保持監(jiān)測是水土流失預(yù)防和治理的基礎(chǔ)，是生態(tài)環(huán)境保護(hù)和修復(fù)的重要工作[1]，是國家生態(tài)文明建設(shè)決策和考核的依據(jù)[2]。十九大以來，生態(tài)文明建設(shè)已經(jīng)上升為新時代中國特色社會主義的重要組成部分，這對水土保持監(jiān)測工作提出了更加嚴(yán)格的要求。傳統(tǒng)監(jiān)測手段以調(diào)查監(jiān)測和地面觀測為主，針對性強(qiáng)，但監(jiān)測效率低、精度差[3]，難以實現(xiàn)全域監(jiān)測。衛(wèi)星遙感影像一般適用于大尺度監(jiān)測，影像質(zhì)量易受云層、霧霾等影響[4]，對生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測，其影像分辨率不高，無法滿足水土保持監(jiān)測工作的精度要求[5]。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著無人機(jī)芯片等關(guān)鍵技術(shù)的成熟，無人機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域由軍用向民用方向迅速擴(kuò)展[6]，基于無人機(jī)的水土保持監(jiān)測技術(shù)也日漸成熟，并取得了顯著成效[7-12]。與傳統(tǒng)監(jiān)測手段和衛(wèi)星遙感影像相比，無人機(jī)遙感技術(shù)可提供豐富的地物空間結(jié)構(gòu)和細(xì)致的幾何紋理，具有快速高效、機(jī)動靈活、成像分辨率高等優(yōu)勢[13]，已經(jīng)成為水土保持監(jiān)測的新型技術(shù)手段。

與點型工程不同，線型工程路線長，跨越區(qū)域多，線上分布有施工場地、穿河穿路、取（棄）土場等易引發(fā)水土流失的點，是一類水土流失類型多樣、防治措施復(fù)雜的工程[14]。目前無人機(jī)遙感技術(shù)在水土保持監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在棄渣場[8，11-12]等點狀對象上，而對線狀對象的研究卻鮮有報道。因此，該研究以日照—京博輸油管道工程（以下簡稱“日京管道”）為例，點、線相結(jié)合，對無人機(jī)遙感技術(shù)在線型工程水土保持監(jiān)測中的應(yīng)用進(jìn)行探索，以期可為今后無人機(jī)遙感技術(shù)在小流域綜合治理、“天地一體化”監(jiān)管、事中事后監(jiān)督檢查和水土保持設(shè)施驗收等領(lǐng)域的應(yīng)用提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

日京管道工程以日照港首站為起點，自南向北經(jīng)過山東省日照市嵐山區(qū)、東港區(qū)、莒縣，臨沂市沂南縣、沂水縣，濰坊市臨朐縣、青州市，淄博市桓臺縣，東營市廣饒縣，終點為濱州市博興縣京博輸油站（圖1），共涉及6地市10縣區(qū)，全長約430 km。工程建設(shè)面積854.4 hm2，穿越河流266處，穿越公路、鐵路70處。根據(jù)地形地質(zhì)情況采用大開挖埋設(shè)、定向鉆和頂管施工3種方式，局部地段采用地上管廊架敷設(shè)。管道沿線地貌類型為魯中南低山丘陵和黃泛沖積平原，海拔高程在1～322 m，土壤類型主要為棕壤、褐土和潮土，土壤侵蝕類型除廣饒縣以風(fēng)力侵蝕為主外，其他縣、區(qū)以水力侵蝕為主。

1.2 研究方法

1.2.1 遙感數(shù)據(jù)采集。

2018年12月，選擇微風(fēng)、無云天氣狀況下對研究區(qū)實施航拍。考慮到工程路線長，跨越區(qū)域多，無人機(jī)航程有限，此次試驗選擇潛在土壤流失量較大的管道作業(yè)帶RJX054～056、RLS037～040和施工場地3個典型區(qū)域進(jìn)行航拍。

1.2.1.1 設(shè)備配置。

無人機(jī)：采用大疆精靈4Pro小型四旋翼無人機(jī)，搭載1英寸2 000萬CMOS像素傳感器，主要硬件包括飛行器、云臺、相機(jī)、遙控器、螺旋槳、智能飛行電池等，輸出影像為JPEG以及無損的RAW格式照片。

機(jī)載飛行及地面控制系統(tǒng)：遙控器內(nèi)置全新一代的Lightbridge高清圖傳回地面端，與飛行器機(jī)身內(nèi)置的Lightbridge機(jī)載端配合，通過DJI GS Pro App（地面站）實現(xiàn)航線和飛行區(qū)規(guī)劃，并實時顯示高清畫面。

1.2.1.2 飛行前準(zhǔn)備。

飛行前應(yīng)了解研究區(qū)天氣狀況，選擇晴朗天氣的正午前后或陰天，風(fēng)速小于8 m/s，能見度大于5 km[3];同時應(yīng)避開障礙物和禁飛區(qū)[15]等。

1.2.1.3 控制點布設(shè)。

控制點布設(shè)應(yīng)考慮點位清晰、分布均勻、易于布設(shè)的原則。此次管道作業(yè)帶各布設(shè)6個控制點，施工場地共布設(shè)4個控制點，用于提高影像精度。控制點采集設(shè)備為中海達(dá)iRTK2，精度為0.01 m。

1.2.1.4 參數(shù)設(shè)置。

研究區(qū)周邊大部分為耕地，具有顯著特征的地物較少，為保證影像匹配精度，航向重疊度設(shè)置為75%，旁向重疊度設(shè)置為70%，飛行高度在100～130 m，采用自動飛行模式，云臺角設(shè)置為-90°。

1.2.1.5 數(shù)據(jù)處理。

無人機(jī)遙感影像后處理軟件為Agisoft PhotoScan，水土保持監(jiān)測內(nèi)容提取軟件為ArcMap。

1.2.2 監(jiān)測內(nèi)容提取。

根據(jù)《生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測規(guī)程（試行）》（以下簡稱“監(jiān)測規(guī)程”），水土保持監(jiān)測內(nèi)容包括擾動土地情況監(jiān)測、取土（石、料）棄土（石、渣）監(jiān)測、水土流失情況監(jiān)測和水土保持措施監(jiān)測。水土保持監(jiān)測內(nèi)容及提取方法如表1所示。

由于該試驗僅實施了1次航拍，獲取的監(jiān)測信息有限，因此，此次獲取的監(jiān)測信息主要包括擾動范圍、面積;堆土方量;土壤流失面積;措施類型、位置、數(shù)量、防治效果和運(yùn)行狀況等。

2 結(jié)果與分析

2.1 遙感數(shù)據(jù)獲取

圖2為3個典型區(qū)域生成的DOM和數(shù)字高程模型（DEM）成果，管道作業(yè)帶RJX054～056、RLS037～040和施工場地DOM水平分辨率分別為2.68、2.97和1.14 cm，DEM水平分辨率分別為1.69、2.67和0.18 cm，成果精度可完全滿足水土保持監(jiān)測工作要求。

2.2 監(jiān)測內(nèi)容提取

2.2.1 擾動土地情況監(jiān)測。

將DOM載入ArcMap，基于ArcMap的空間分析功能，新建水土保持監(jiān)測信息數(shù)據(jù)庫，在數(shù)據(jù)庫內(nèi)新建面狀圖層“擾動范圍”，對其進(jìn)行數(shù)字化和屬性編輯，通過目視解譯勾繪擾動范圍并提取擾動面積。以施工場地為例，結(jié)合圖2c施工場地DOM成果，場地周邊具有綠色圍欄，場內(nèi)地面色調(diào)以淺黃色、深褐色為主，并呈碾壓或松散堆積狀，影像紋理明顯區(qū)別于周邊麥田、道路、河溝及整理好的土地。施工場地擾動范圍及面積提取結(jié)果如圖3所示。為了檢驗無人機(jī)遙感技術(shù)對擾動面積的監(jiān)測精度，采用中海達(dá)全站儀，型號ZTS-121R4，測量范圍6～1 999 m，全長相對誤差≤10-6 m，對施工場地擾動面積進(jìn)行實地測量，實地測量結(jié)果為4 766.2 m2，監(jiān)測精度為99.3%，滿足《監(jiān)測規(guī)程》中點型擾動面積監(jiān)測精度不小于95%的要求。

2.2.2 取土（石、料）棄土（石、渣）監(jiān)測。

以管道作業(yè)帶RJX054～056和施工場地為例，基于DEM，在Agisoft PhotoScan中通過勾選堆土范圍、刪除次要工作面、關(guān)閉孔等操作，建立臨時堆土的三維模型，實現(xiàn)堆土體積量測，監(jiān)測結(jié)果如圖4所示。

傳統(tǒng)監(jiān)測手段包括地面觀測、實地量測和資料分析等。此次采用資料分析法，以施工單位計量值為基準(zhǔn)，對無人機(jī)監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行驗證，驗證結(jié)果如表2所示。由表2可知，無人機(jī)監(jiān)測結(jié)果小于工程實際計量值，管道作業(yè)帶臨時堆土體積監(jiān)測誤差大于施工場地，經(jīng)分析，可能原因有2個方面：一是土石方長時間堆放會出現(xiàn)自然沉降，導(dǎo)致無人機(jī)監(jiān)測結(jié)果偏小;二是數(shù)據(jù)量越多，累計誤差越大，無人機(jī)拍攝的單張影像誤差較小，但連續(xù)拍攝導(dǎo)致誤差累計增大[16]?？傮w而言，利用無人機(jī)測算的臨時堆土體積精度滿足《監(jiān)測規(guī)程》中方量監(jiān)測精度不小于90%的要求。

2.2.3 水土流失情況監(jiān)測。

以施工場地為例，在水土保持監(jiān)測信息數(shù)據(jù)庫內(nèi)，繼續(xù)新建面狀圖層“無土壤流失區(qū)域”，并勾繪監(jiān)測范圍內(nèi)建構(gòu)筑物、硬化場地、工程措施、水域等邊界范圍，量取面積，以擾動土地面積反推土壤流失面積。經(jīng)量算，施工場地占地范圍內(nèi)建構(gòu)筑物面積63.6 m2，土壤流失面積4 669.2 m2。

2.2.4 水土保持措施監(jiān)測。

基于生成的DOM成果，通過人工目視判讀水土保持措施類型，并通過ArcMap提取措施位置、數(shù)量。以管道作業(yè)帶RLS037～040為例（圖5），圖中色調(diào)呈綠色，邊界清晰的為防塵網(wǎng)苫蓋;色調(diào)呈白色，點狀分布，位于防塵網(wǎng)邊緣的為編織袋臨時攔擋措施。此外，通過建立研究區(qū)三維模型，在3D效果下可直觀判斷苫蓋、攔擋等水土保持措施運(yùn)行狀況和防治效果等。如圖6所示，管溝左側(cè)堆土采用防塵網(wǎng)進(jìn)行了全面苫蓋，防塵網(wǎng)完整無破損，防治效果較好;而堆土坡腳編織袋僅起到壓蓋防塵網(wǎng)的作用，攔擋效果較差。

3 結(jié)論與討論

高精度、高效率、信息化是未來水土保持監(jiān)測的發(fā)展趨勢，這注定無人機(jī)遙感技術(shù)在水土保持監(jiān)測領(lǐng)域?qū)l(fā)揮不可替代的作用。該研究以日京管道工程為例，從遙感數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測內(nèi)容提取2個方面，對無人機(jī)遙感技術(shù)在線型工程水土保持監(jiān)測中的應(yīng)用方法和效果進(jìn)行闡述，結(jié)果表明，基于高精度DOM和DEM，可快速、準(zhǔn)確獲取研究區(qū)擾動范圍、位置、面積、堆土體積、措施類型、數(shù)量、防治效果和運(yùn)行狀況等定性、定量數(shù)據(jù)，同時可輸出研究區(qū)三維模型;監(jiān)測結(jié)果與傳統(tǒng)監(jiān)測方法相比，監(jiān)測精度<10%，滿足《監(jiān)測規(guī)程》要求。

相較于點型工程，線型工程監(jiān)測工作量大大增加，進(jìn)行全線路無人機(jī)監(jiān)測實施難度大，通?？蛇x擇典型區(qū)域?qū)嵤┖脚模灾攸c關(guān)注部位的監(jiān)測結(jié)果反映總體情況。受地表原始狀況、天氣、儀器光學(xué)系統(tǒng)自身畸變、飛行參數(shù)設(shè)置、內(nèi)業(yè)誤差等因素影響，目前無人機(jī)遙感技術(shù)在土石方量監(jiān)測精度方面還存在一定誤差[6，10]，因此，如何建立科學(xué)的研究方法，如何對監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行校正，還需要在后期工作中進(jìn)一步探討和改進(jìn)。盡管如此，無人機(jī)遙感技術(shù)在減輕線型工程外業(yè)工作量、提高監(jiān)測工作質(zhì)量和效率、降低監(jiān)測成本、提升監(jiān)測信息化水平等方面，都較傳統(tǒng)監(jiān)測和衛(wèi)星遙感影像有著強(qiáng)大的優(yōu)勢，可為水土流失防治提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

參考文獻(xiàn)

[1] 姜德文.論生態(tài)文明建設(shè)中的水土保持監(jiān)測與公共服務(wù)[J].中國水土保持科學(xué)，2016，14（6）：131-136.

[2] 郭索彥.水土保持監(jiān)測與信息化管理制度體系建設(shè)現(xiàn)狀和思路[J].中國水土保持，2017（9）：1-5.

[3] 陳宇，付貴增，凌峰，等.無人機(jī)技術(shù)在生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測中的應(yīng)用[J].海河水利，2018（5）：57-59.

[4] 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.

[5] 林成行，朱首軍，周濤，等.基于無人機(jī)遙感技術(shù)的水土保持植被恢復(fù)率提取[J].水土保持研究，2018，25（6）：211-215.

[6] 蔡志洲.小型無人機(jī)技術(shù)在水土保持監(jiān)測中的應(yīng)用[C]//中國水土保持學(xué)會預(yù)防監(jiān)督專業(yè)委員會第九次會議暨學(xué)術(shù)研討會論文集.北京：中國水土保持學(xué)會，2015.

[7] 張雅文，許文盛，沈盛彧，等.無人機(jī)遙感技術(shù)在生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測中的應(yīng)用——方法構(gòu)建[J].中國水土保持科學(xué)，2017，15（1）：134-140.

[8] 施明新.無人機(jī)技術(shù)在生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測中的應(yīng)用[J].水土保持通報，2018，38（2）：236-240，329.

[9] 許文盛，聶文婷，王一峰，等.生產(chǎn)建設(shè)項目超大型棄渣場水土保持監(jiān)控方案探討[J].中國水土保持科學(xué)，2019，17（4）：153-159.

[10] 李嵐斌，金平偉，李樂，等.無人機(jī)遙感技術(shù)在生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測中的應(yīng)用：以清遠(yuǎn)抽水蓄能電站為例[J].人民珠江，2019，40（1）：6-11.

[11] 張雅文，許文盛，韓培，等.無人機(jī)遙感技術(shù)在生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測中的應(yīng)用：以鄂北水資源配置工程為例[J].中國水土保持科學(xué)，2017，15（2）：132-139.

[12] 閻世煜，王秀茹，王霄，等.無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)處理模型的計算精度分析：以引黃入冀補(bǔ)淀工程水土保持監(jiān)測為例[J].中國水土保持科學(xué)，2019，17（2）：121-131.

[13] 顧錚鳴，金曉斌，楊曉艷，等.基于無人機(jī)遙感影像監(jiān)測土地整治項目道路溝渠利用情況[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2018，34（23）：85-93.

[14] 趙永軍，姜德文，袁普金.線狀工程建設(shè)項目的水土保持監(jiān)測：以西氣東輸項目為例[J].水土保持研究，2005，12（6）：71-75，253.

[15] 胡玉杰，屈創(chuàng).無人機(jī)遙感在水土保持領(lǐng)域的應(yīng)用研究[J].中國水土保持，2019（4）：57-61，69.

[16] 常誠，李月寧.水土保持無人機(jī)遙測成果數(shù)據(jù)精度檢測[J].東北水利水電，2018，36（11）：61-63，66.