無人機技術在水土保持措施設計精細化中的應用與研究

劉晨曦，蒲 堅，李建明，潘曉穎，張長偉，王志剛

(1.長江水利委員會 長江科學院，湖北 武漢 430010；2.水利部 山洪地質災害防治工程技術研究中心，湖北 武漢 430010)

當前社會高速發(fā)展，生產(chǎn)建設項目數(shù)量眾多，類別以及規(guī)模呈多樣化趨勢。公路、鐵路等建設項目的投入使用在推動社會發(fā)展的同時，環(huán)境問題也逐漸顯現(xiàn)[1]。依照長江經(jīng)濟帶建設要求和習近平總書記在黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展座談會上的講話精神，經(jīng)濟建設不能以犧牲生態(tài)環(huán)境為代價，水土保持工作也得到了前所未有的重視[2-3]。

為貫徹落實“水利工程補短板，水利行業(yè)強監(jiān)管”水利改革發(fā)展總基調，進一步規(guī)范水利行業(yè)勘測設計行為，強化勘測設計責任，保障水利工程勘測設計質量，水利部在2020年3月出臺了《水利工程勘測設計失誤問責辦法(試行)》(水總〔2020〕33號)，要求設計過程中須保證基礎資料真實、完整、準確，設計結果須符合法律、法規(guī)、規(guī)章、強制性標準和推薦性技術標準的要求，并滿足設計階段的工作深度[4]。在當前水利發(fā)展的新形勢下，國家對建設項目水土保持措施設計精細化提出了更高的要求，強調水土保持從業(yè)單位及個人負有設計責任。因此，對水土保持措施設計精細化技術路線進行深入研究勢在必行。

1 水土保持措施設計精細化的必要性

水土保持措施設計精細化是指在生產(chǎn)建設項目水土保持措施設計中，依據(jù)項目特點，結合完整和準確的基礎資料，提出貼合實際的水土保持措施方案，要求設計規(guī)范、完成度高、統(tǒng)一性好，專業(yè)間矛盾少，不過度設計，且能準確指導后期設計、招標以及工程施工。

在《水利部生產(chǎn)建設項目水土保持方案變更管理規(guī)定(試行)》(辦水?！?016〕65號)中，與措施設計精細化有關的要求包括：表土剝離量減少30%以上的，植物措施總面積減少30%以上的，以及水土保持重要單位工程措施體系發(fā)生變化，可能導致水土保持功能顯著降低或喪失的情況，屬于項目重大變更的，需要對項目水土保持部分重新設計。水土保持方案的變更不僅拖延項目進度，對項目投資和施工造成不良影響，而且不當?shù)乃帘３执胧┰O計可能引起滑坡、泥石流等地質災害，造成生命和財產(chǎn)損失[5]。

《水利工程勘測設計失誤問責辦法(試行)》(水總〔2020〕33號)明確要求：對降低工程質量標準、影響工程功能發(fā)揮、導致工程存在安全隱患或發(fā)生較大程度的投資追加的情形視同為水利工程勘測設計失誤標準之一，并從質量、功能、安全和投資影響四個維度判定。對于設計單位和個人而言，設計責任進一步加大。

可以看出，水土保持措施設計精細化，有利于提高設計深度，合理控制建設成本，避免建設后期設計變更，從而提高工程建設效率，有效防止因設計不當而導致的嚴重人為水土流失和人為自然災害的發(fā)生，降低單位及個人設計風險。

2 無人機技術在水土保持措施設計精細化中的應用

水土保持措施設計精細化的前提是對項目區(qū)地形進行精準和全面勘測。生產(chǎn)建設項目一般分為點型項目和線型項目。點型項目占地集中，建設區(qū)擾動投影面積和表面積獲取較容易。線型項目存在項目區(qū)占地面積較大、部分區(qū)域地形復雜、人力不能直接到達等問題，給項目勘測帶來了很大的困難。為兼顧勘測效率，可采用總體規(guī)劃與局部重點設計相結合的技術路線，其中，局部重點設計區(qū)域包括水土流失危害嚴重區(qū)域，以及棄渣場等易造成生命財產(chǎn)損失的重點區(qū)域。

衛(wèi)星遙感影像結合無人機技術是實現(xiàn)水土保持措施設計精細化總體規(guī)劃與局部重點設計相結合的重要技術途徑?？傮w規(guī)劃所需資料可通過購買衛(wèi)星遙感影像獲取，但衛(wèi)星遙感影像時效一般滯后，設計要素和屬性覆蓋不全面，主要用于線型工程或是水土流失危害性較低區(qū)域。重點區(qū)域基礎資料的全面和精確獲取則依賴技術和方法的創(chuàng)新，全站儀等傳統(tǒng)方法雖精度較高，但應對野外復雜環(huán)境存在作業(yè)難度大、周期長等問題。無人機技術能克服交通中斷且有效避免勘測過程中的人員意外傷害，較方便獲取項目區(qū)航片數(shù)據(jù)，更能依據(jù)較為成熟的軟件對數(shù)據(jù)進行處理，得到項目區(qū)DOM、DEM以及三維模型，為項目設計提供全方位的數(shù)據(jù)支撐[6-8]。本研究重點是通過無人機技術實現(xiàn)對局部的重點設計。

3 無人機技術在水土保持措施設計精細化中的應用

3.1 無人機航片數(shù)據(jù)采集

在對目標區(qū)域進行航片采集前，應充分了解項目區(qū)總體布局情況[9]。在與建設單位充分溝通和現(xiàn)場勘測前提下，采用查閱項目設計圖紙資料、衛(wèi)星遙感影像與調查相結合的方法，復核項目重點勘測區(qū)域并確認，對重點區(qū)域數(shù)據(jù)進行精準采集，明確項目水土保持措施設計重點，提高數(shù)據(jù)處理效率。

在應用無人機進行野外作業(yè)時應參考《低空數(shù)字航空攝影測量外業(yè)規(guī)范》(CH/Z 3004—2010)以及《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》(CH/Z 3005—2010)，在規(guī)范標準下，結合項目自身特點，依據(jù)項目區(qū)范圍和數(shù)字航片成果精度要求進行航線規(guī)劃，包括設置飛行方向、飛行高度、相機角度、航向重疊率以及旁向重疊率等參數(shù)[10-11]。盡量在天氣良好、光照充足的情況下進行航片數(shù)據(jù)采集，避免陰影面積過大，導致采集數(shù)據(jù)不準確，影響后期使用效果[12]。

為進一步提高航片后期處理的精度，在有條件的情況下，數(shù)據(jù)采集時合理布設控制點作為后期數(shù)據(jù)處理的校準點，能較大程度上提高數(shù)據(jù)精度?？刂泣c要在航片上能夠比較容易辨別，可以根據(jù)目標區(qū)域內不同的地形地貌特征、植被覆蓋率及顏色特征、交通道路等條件，合理選擇控制點的材料和顏色[13]。

3.2 利用航片獲取項目區(qū)數(shù)字地形資料

在處理無人機數(shù)據(jù)前，要對航片數(shù)據(jù)進行篩選。對于一次飛行無法完成整個區(qū)域拍攝的情況，須將返回時拍攝的干擾航片進行剔除，同時還須剔除由于高空風速較大導致的拍攝姿態(tài)差的航片。少量航片的剔除在航向重疊率以及旁向重疊率達到精度要求的情況下，不會影響處理數(shù)據(jù)結果的精度。

航片數(shù)據(jù)篩選完成后，通過Pix4Dmapper、Agisoft Photoscan等軟件對其進行處理，其中Agisoft Photoscan軟件對航片的處理可分步完成，也能一次性批量處理。先導入篩選后的航片，通過對齊照片，建立密集點云，生成網(wǎng)格和建設平面模型，從而得到項目區(qū)的正射遙感影像DOM、數(shù)字高程模型DEM、三維模型等結果。

為進一步提高數(shù)據(jù)處理精度，在處理航片時添加控制點信息。根據(jù)在現(xiàn)場控制點獲取信息的方法可將控制點分為人工標記和自然標記兩種情況，當在拍照時放置了軟件打印的人工標記時，系統(tǒng)可自動檢測并標記，之后對標記點的實測數(shù)據(jù)進行導入。若控制點為航片自然標記，則需要手動在每個照片中找到控制點，并使用Marker進行標記，通過Import導入控制點實測經(jīng)緯度、高程等數(shù)據(jù)。無人機航片獲取及處理流程如圖1所示。

圖1 無人機航片獲取及處理流程

3.3 項目區(qū)水土保持措施設計精細化

將項目區(qū)DEM數(shù)據(jù)導入ArcGIS中，在3D Analyst 模塊下，利用Area and Volume 功能求出項目區(qū)的表面積和二維投影面積，兩個的比值為該區(qū)域的地表粗糙度。在具有明顯坡度區(qū)域進行水土保持措施設計時，項目區(qū)表面積能為措施工程量的精確設計提供依據(jù)，項目區(qū)二維投影面積能為項目區(qū)截排水措施設計中匯水面積的獲取提供數(shù)據(jù)支撐，從而計算出截排水措施的截面設計規(guī)格。為進一步計算線型措施在有明顯坡度區(qū)域的實際長度，可通過在ArcGIS中勾繪設計措施的矢量線，結合3D analyst工具，在Functional Surface中的Surface Length實現(xiàn)，使用Input Surface和Input Feature Class分別瀏覽到DEM數(shù)據(jù)和矢量的措施數(shù)據(jù)，通過查看屬性，其中“長度”為水平投影上的措施長度，而“NewLength”則為設計措施的實際長度。

4 討 論

隨著監(jiān)管力度的加強，水土保持設計單位和施工單位的責任進一步加大，對項目設計的精度提出了新的要求。隨著技術的發(fā)展，應充分挖掘已有資料，不斷通過技術創(chuàng)新和學科交叉提高生產(chǎn)建設項目水土保持措施設計的效率和質量，讓設計切實落到實處。

4.1 水土保持措施設計精細化需深度挖掘已有資料

對于前期已勘測的情況，可通過地形CAD文件對項目區(qū)DEM進行獲取。將CAD設計圖紙中的等高線進行連續(xù)化處理，導出為shpfile或是database文件格式，通過3D Analyst中的Create Tin From Features功能，在Height source中選擇Elevation字段，添加等高線高程等屬性創(chuàng)建Tin文件，利用Tin to Raster將Tin轉為Raster，將最終生成結果保存為DEM數(shù)據(jù)。等高線數(shù)字地形獲取流程如圖2所示。

圖2 等高線數(shù)字地形獲取流程

4.2 水土保持措施設計精細化需加強技術創(chuàng)新

水土保持措施設計精細化的基礎是設計資料的準確性和全面性，而高精度、便捷以及時效性強的測量方法源于技術的創(chuàng)新。當前遙感技術迅速發(fā)展，為水土保持措施設計精細化提供了技術支撐，但同時也存在著局限性，如衛(wèi)星遙感影像時間滯后、獲取渠道有限，無人機電池技術限制勘測范圍等，導致不能對復雜項目區(qū)進行全方位的勘測，急需技術創(chuàng)新，提高勘測效率、精度以及廣度。

現(xiàn)階段已有部分科研單位將地球物理探測技術運用到堆積體、滑坡以及棄渣場測量中，淺層地球物理探測技術具有安全、快速、經(jīng)濟和無損的特點，加之近年來地球物理探測方法在基礎理論研究、儀器設備和信號采集處理器方面取得了長足進步，為其在工程勘測和設計精細化領域應用提供了可能[14-16]，可以作為后期研究的方向。

4.3 水土保持措施設計精細化需多維度獲取信息

水土保持措施設計的指標，是通過參考多項數(shù)據(jù)確定的。在獲取項目區(qū)地表信息的同時，需積極獲取氣象、水文等資料。水土保持措施設計的準確性不僅僅需要本行業(yè)的技術支撐，多維度的技術創(chuàng)新和數(shù)據(jù)指標質量的同步提升也是必不可少的，學科交叉必然成為水土保持措施設計精細化的重要發(fā)展方向。

5 結論和展望

水土保持措施設計精細化涉及植物學、工程力學、生態(tài)學等多個學科領域，需要多維度提高工程設計資料的精度和完整性，學科交叉必不可少。通過學科交叉推動技術應用創(chuàng)新，進而打破行業(yè)瓶頸，使資料維度全方位提升，可為水土保持措施設計精細化提供重要支撐。從水土保持措施設計角度來看，考慮到設計效率與實用性，應遵從總體規(guī)劃和局部重點設計相結合的方法，為重點區(qū)域提供更為經(jīng)濟合理的措施設計。

本研究從水土保持措施設計精細化角度，結合無人機技術，對生產(chǎn)建設項目復雜地形擾動區(qū)域的投影面積和表面積獲取方法進行研究，進一步提高了水土保持措施設計精度，從而保障了工程的安全性、可行性和經(jīng)濟性，下一步應就技術創(chuàng)新和跨學科應用領域開展更深入的研究，為水土保持措施設計精細化提供多維度的技術支撐。