無(wú)人機(jī)在生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持方案跟蹤評(píng)估中的應(yīng)用
——以遼寧省某鐵路工程為例

（遼寧省水利事務(wù)服務(wù)中心）

為深入貫徹落實(shí)國(guó)家和遼寧省生態(tài)建設(shè)的總體部署，按照《水利部關(guān)于進(jìn)一步深化“放管服”改革全面加強(qiáng)水土保持監(jiān)管的意見》（水保[2019]160號(hào)）和《水利部辦公廳關(guān)于印發(fā)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)督管理辦法的通知》（辦水保[2019]172號(hào)）等文件相關(guān)要求，遼寧省水土保持部門開展了生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持方案第三方跟蹤評(píng)估工作。本項(xiàng)研究以遼寧省某鐵路工程為例，闡述了無(wú)人機(jī)在跟蹤評(píng)估過(guò)程中的應(yīng)用。通過(guò)無(wú)人機(jī)遙測(cè)系統(tǒng)獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，具有精度高、便于識(shí)別判斷等特點(diǎn)，大幅提升了水土保持評(píng)估工作的效率和水平，強(qiáng)化了遼寧省生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目監(jiān)管效率，為水土保持監(jiān)管以及國(guó)家水土保持重點(diǎn)工程“圖斑精細(xì)化”管理提供了技術(shù)支撐。

1 項(xiàng)目概況

1.1 建設(shè)規(guī)模

項(xiàng)目區(qū)位于遼寧省境內(nèi)，鐵路總長(zhǎng)79.68 km，其中新建鐵路66.5 km，利用既有線路13.18 km。全線設(shè)置特大橋4座，3 928.64延長(zhǎng)米；大橋13座，2 861.91延長(zhǎng)米；隧道1座，1 155延長(zhǎng)米；開設(shè)9個(gè)車站。

項(xiàng)目總占地面積324.67 hm2，其中永久占地308.93 hm2，臨時(shí)占地15.74 hm2。工程挖填土石方總量739.2萬(wàn)m3，其中挖方345.2萬(wàn)m3，填方394萬(wàn)m3，借方52.9萬(wàn)m3（全部外購(gòu)），棄方4.1萬(wàn)m3。

1.2 項(xiàng)目組成

鐵路工程主要由路基、橋涵、站場(chǎng)、隧道、施工便道、施工場(chǎng)地及營(yíng)地區(qū)等部分組成。其中：路基總長(zhǎng)度68.175 km，占正線線路總長(zhǎng)85.56%；橋梁總長(zhǎng)度10.35 km，占正線線路總長(zhǎng)12.99%；隧道總長(zhǎng)度1 155 m，占正線線路總長(zhǎng)1.45%；新建車站7座，改建車站2座；設(shè)置施工便道51 km；設(shè)置施工場(chǎng)地及營(yíng)地共5處，包括制梁場(chǎng)2處，施工營(yíng)地1處，拌合站2處，占地面積5.52 hm2；方案設(shè)計(jì)階段未設(shè)置棄渣場(chǎng)，工程實(shí)施階段由于部分挖方不符合路基填筑要求，故產(chǎn)生4.1萬(wàn)m3棄渣，棄于DK39鐵路一側(cè)的棄渣場(chǎng)，計(jì)劃用于當(dāng)?shù)嘏涮滓龢蚬こ探ㄔO(shè)。

2 航測(cè)設(shè)備與性能指標(biāo)

2.1 航測(cè)設(shè)備

本項(xiàng)目使用大疆M600pro六軸旋翼無(wú)人機(jī)和大疆悟INSPIRE2四旋翼無(wú)人機(jī)。

大疆M600pro六軸旋翼無(wú)人機(jī)搭載Zenmuse X5相機(jī)，其外形尺寸為668 mm×1 518 mm×727 mm，軸距為1 133 mm。主要性能指標(biāo)：最大起飛重量為15.5 kg，最大飛行速度65 km/h；掛載正常任務(wù)單元的滯空時(shí)間為20-35 min；采用垂直起降方式，最大上升速度為5 m/s，最大下降速度為3 m/s；最大抗風(fēng)能力8 m/s；海拔升限5 000 m，飛行半徑5 km，通訊距離5 km；工作溫度為-10℃至+40℃。

大疆悟INSPIRE2四旋翼無(wú)人機(jī)搭載Zenmuse X5S相機(jī)。主要性能指標(biāo)：最大起飛重量為4 kg，最大飛行速度94 km/h；滯空時(shí)間為15-27 min；采用垂直起降方式，最大上升速度為5 m/s，最大下降速度4-9 m/s；最大抗風(fēng)能力10 m/s；海拔升限5 000 m，飛行半徑5 km，通訊距離5 km；工作溫度為-20℃至+40℃。

2.2 主要性能指標(biāo)釋義

2.2.1 航程

航程是衡量無(wú)人機(jī)作戰(zhàn)距離的重要指標(biāo)，與無(wú)人機(jī)的翼型、結(jié)構(gòu)、動(dòng)力裝置等有關(guān)。

2.2.2 續(xù)航時(shí)間

續(xù)航時(shí)間是指飛機(jī)耗盡其可用燃料所能持續(xù)飛行的最大時(shí)間，是衡量無(wú)人機(jī)任務(wù)持續(xù)性的重要指標(biāo)，不同類型的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)可具有相同的續(xù)航時(shí)間要求。

2.2.3 升限

飛機(jī)能維持平飛的最大飛行高度叫升限，分為理論升限和實(shí)用升限。

2.2.4 飛行速度

飛行速度是衡量無(wú)人機(jī)飛行能力重要參數(shù)，包括巡航速度和最大速度。巡航速度是指飛機(jī)在巡航狀態(tài)下的平飛速度，一般是最大速度的70%-80%。

2.2.5 爬升率

爬升率指在一定飛行重量和發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)下，飛機(jī)在單位時(shí)問(wèn)內(nèi)上升的高度。也可用爬升到某高度耗用掉多少時(shí)間來(lái)表示。

3 無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)工作流程

無(wú)人機(jī)在航拍作業(yè)時(shí)，需要經(jīng)歷三個(gè)階段：

3.1 前期準(zhǔn)備

3.1.1 確定項(xiàng)目區(qū)范圍

根據(jù)查閱工程的基本資料以及與項(xiàng)目負(fù)責(zé)人員溝通了解，圈定項(xiàng)目區(qū)的區(qū)域界線。

3.1.2 測(cè)區(qū)實(shí)地勘查

在測(cè)區(qū)進(jìn)行實(shí)地勘查，掌握周邊自然環(huán)境、地形地貌、氣候氣象等信息，以便保證起降場(chǎng)地、航線的確定和突發(fā)情況預(yù)測(cè)，同時(shí)需觀察測(cè)區(qū)天氣狀況，以判斷無(wú)人機(jī)能否正常飛行。

3.1.3 無(wú)人機(jī)設(shè)備安裝及其檢測(cè)

檢測(cè)并安裝無(wú)人機(jī)飛行器及機(jī)載設(shè)備，檢測(cè)其性能指標(biāo)達(dá)到起飛標(biāo)準(zhǔn)后，允許無(wú)人機(jī)起飛并進(jìn)行航拍。

3.1.4 航線的確定

通過(guò)調(diào)查確定測(cè)區(qū)界線，并根據(jù)勘查的現(xiàn)場(chǎng)情況確定航線。

3.2 外業(yè)操作

無(wú)人機(jī)沿著設(shè)定的航線軌跡飛行后，就形成了航拍數(shù)據(jù)。利用拼接軟件拼接整合數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩查，檢查是否有不符合質(zhì)量要求的數(shù)據(jù)。對(duì)不符合質(zhì)量要求的數(shù)據(jù)，要對(duì)所對(duì)應(yīng)區(qū)域重新進(jìn)行航拍，最終得到達(dá)到質(zhì)量要求的測(cè)區(qū)遙感數(shù)據(jù)。本項(xiàng)目共獲取3 000余張現(xiàn)場(chǎng)拍攝圖片。

3.3 數(shù)據(jù)處理

3.3.1 遙感數(shù)據(jù)數(shù)字化處理

利用Pix4Dmapper軟件，對(duì)航拍數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化處理。步驟如下：

（1）數(shù)據(jù)初步處理。利用Pix4Dmapper軟件，對(duì)航拍得到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，以去除圖像受噪聲和鏡頭畸變產(chǎn)生的影響。這一步驟可確保數(shù)據(jù)的質(zhì)量，以便航拍人員快速宏觀地檢查航拍數(shù)據(jù)結(jié)果。如有質(zhì)量不滿足要求的遙測(cè)區(qū)域，則可以在現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)補(bǔ)拍。數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后，Pix4Dmapper軟件會(huì)形成相應(yīng)的質(zhì)量報(bào)告，內(nèi)容包括工程摘要、質(zhì)量檢測(cè)、校正細(xì)節(jié)、重疊圖像數(shù)、相機(jī)優(yōu)化參數(shù)等項(xiàng)目，從而保證了航拍數(shù)據(jù)能夠滿足工作具體要求。

（2）數(shù)據(jù)高精度處理。Pix4Dmapper軟件高精度處理是生成航拍影像的重要步驟之一。首先，對(duì)航拍形成的影像相對(duì)于實(shí)拍目標(biāo)產(chǎn)生的幾何差異進(jìn)行校核，產(chǎn)生差異的主要原因有很多，包括無(wú)人機(jī)的飛行速度、高度、姿態(tài)以及地球自轉(zhuǎn)等；其次，根據(jù)立體的相對(duì)定向和絕對(duì)定向等攝影測(cè)量原理，利用全站儀對(duì)測(cè)區(qū)具有明顯特征的位置進(jìn)行測(cè)量。從測(cè)區(qū)范圍內(nèi)均勻的選取6個(gè)控制點(diǎn)，中心位置選取1-2個(gè)控制點(diǎn)。其中，在高程變化較大的區(qū)域，可通過(guò)增加控制點(diǎn)以提高數(shù)據(jù)精度；最后，進(jìn)行空中三角測(cè)量和點(diǎn)云加密。為了提高數(shù)據(jù)處理效率，可以應(yīng)用多臺(tái)計(jì)算機(jī)同時(shí)對(duì)飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后整合。具體處理步驟：①數(shù)據(jù)初始化處理；②點(diǎn)云及紋理生成；③數(shù)字表面模型和正射影像生成。

3.3.2 指標(biāo)信息獲取

利用Arcgis等軟件，在上述數(shù)據(jù)高精度處理的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步計(jì)算出工程項(xiàng)目的水土保持指標(biāo)，如地物地貌情況、具體位置、占地面積以及堆積體積等，形成最終成果。

4 水土保持方案設(shè)計(jì)措施落實(shí)情況

4.1 主體工程區(qū)

本項(xiàng)研究調(diào)查路基工程共五段，主要為路堤、路塹高陡邊坡路基、橋梁等。

調(diào)查小組通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及航拍影像，對(duì)調(diào)查區(qū)內(nèi)水土保持措施落實(shí)情況進(jìn)行了核查。目前，路基工程已完工，鐵軌鋪設(shè)完成。路基邊坡坡面栽植了紫穗槐，并撒播了草籽。邊坡高度較大時(shí)，采用了漿砌石拱形骨架護(hù)坡，骨架內(nèi)栽植紫穗槐。路基沿線有漿砌石截排水溝。站場(chǎng)區(qū)域修建了排水溝，并對(duì)場(chǎng)區(qū)進(jìn)行了綠化。

4.2 棄渣場(chǎng)區(qū)

水土保持方案中未設(shè)置棄渣場(chǎng)，工程實(shí)施中實(shí)際設(shè)置了1處棄渣場(chǎng)。由于施工過(guò)程中部分挖方不能滿足路基填筑土方要求，在借填土方的同時(shí)有4.1萬(wàn)m3渣土棄于DK39鐵路一側(cè)，用于大連市配套引橋工程建設(shè)填土。據(jù)遙測(cè)分析與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，棄渣場(chǎng)實(shí)際占地面積0.98 hm2，棄渣堆放高度3-4 m，分兩個(gè)臺(tái)階，邊坡1∶1.5。

4.3 施工便道

新建施工便道總長(zhǎng)度為51 km，采取泥結(jié)碎石路面，一般路段為單車道，寬度4 m；橋隧集中處施工便道為雙車道，寬度6 m。新建施工便道總占地面積10.11 hm2。

4.4 施工場(chǎng)地及營(yíng)地區(qū)

本工程施工場(chǎng)地及營(yíng)地區(qū)主要包括制梁場(chǎng)、拌合站等臨時(shí)工程，占地面積5.52 hm2。

4.5 取土場(chǎng)區(qū)

水土保持方案設(shè)計(jì)有23.54 hm2的取土場(chǎng)，后施工階段取消了方案設(shè)計(jì)的取土場(chǎng)，工程填方不足部分采取外購(gòu)。

5 小結(jié)

利用低空無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)，能夠針對(duì)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目區(qū)的動(dòng)態(tài)情況，定時(shí)定點(diǎn)進(jìn)行航拍及數(shù)據(jù)傳輸，可以高效率、高質(zhì)量地解析較復(fù)雜區(qū)域的遙感影像數(shù)據(jù)，大大提升了野外勘察的速率。可以準(zhǔn)確調(diào)查生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持方案的落實(shí)情況，掌握不同生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土流失防治的重點(diǎn)，摸清水土保持方案實(shí)施過(guò)程中存在的問(wèn)題，為水土保持監(jiān)督管理提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。