基于無(wú)人機(jī)技術(shù)和高分遙感影像的水土保持“天地一體化”監(jiān)管方法構(gòu)建

張星星，徐明曦*，代 強(qiáng)，宋旭東

(1.四川省水利科學(xué)研究院，成都，610072；2.成都市國(guó)土規(guī)劃地籍事務(wù)中心，成都，610074)

0 引言

隨著全國(guó)城鎮(zhèn)化、工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)，生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目活動(dòng)等人為因素造成的水土流失問(wèn)題也比較突出，加強(qiáng)水土流失監(jiān)管工作，開(kāi)展水土流失綜合治理十分必要。傳統(tǒng)的水土流失監(jiān)管主要采用人海戰(zhàn)術(shù)對(duì)水土保持方案的實(shí)施情況進(jìn)行跟蹤檢查，但這種方式不僅花費(fèi)大量的人力物力，也難以獲得生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目施工對(duì)地表造成擾動(dòng)的精確數(shù)據(jù)，無(wú)法滿(mǎn)足對(duì)大數(shù)量、大規(guī)模生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目的監(jiān)管需求[1]。

2018年，水利部印發(fā)了《全國(guó)水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)規(guī)劃(2018-2022年)》和《國(guó)家水土保持監(jiān)管規(guī)劃(2018-2020年)》，為水土保持動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和水土保持監(jiān)管信息化提供了重要依據(jù)，明確指出積極運(yùn)用衛(wèi)星遙感、無(wú)人機(jī)等先進(jìn)技術(shù)手段，全面提升水土保持監(jiān)管的針對(duì)性、科學(xué)性和時(shí)效性[2]。綜合分析無(wú)人機(jī)技術(shù)和高分遙感影像在水土保持領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，探索構(gòu)建一套“天地一體化”的水土保持監(jiān)管體系，助力提升水土保持監(jiān)管信息化水平和現(xiàn)代化能力是非常必要的。

1 無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)在生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目中的應(yīng)用

無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)是一種以無(wú)人機(jī)為飛行平臺(tái)，以各種成像與非成像傳感器為主要載荷，飛行高度在幾千米以?xún)?nèi)，能夠獲取遙感影像、視頻等信息的無(wú)人航空遙感與攝影測(cè)量系統(tǒng)[3]，不同專(zhuān)家學(xué)者在點(diǎn)狀、線(xiàn)狀工程中，選定研究區(qū)進(jìn)行了一系列水土保持相關(guān)探索研究。

2016年，文雄飛等[4]以長(zhǎng)江流域三峽庫(kù)區(qū)為研究區(qū)，運(yùn)用我國(guó)資源三號(hào)、高分一號(hào)等高分遙感影像，結(jié)合無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，開(kāi)展了水土保持動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)遙感解譯實(shí)驗(yàn)，表明高分遙感影像和無(wú)人機(jī)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，能夠?qū)λ帘３植煌叨鹊挠^測(cè)對(duì)象進(jìn)行有效的觀測(cè)和采樣，能夠在宏觀角度掌握水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)情況。2017年，長(zhǎng)江科學(xué)院張雅文等[5-6]以鄂北水資源配置工程為例，從遙感基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取、基本監(jiān)測(cè)信息提取、監(jiān)測(cè)信息應(yīng)用3個(gè)方面，開(kāi)展水土保持監(jiān)測(cè)實(shí)例分析；在航拍的基礎(chǔ)上，采用專(zhuān)業(yè)軟件Agisoft Photoscan Professional對(duì)原始影像進(jìn)行處理，獲取各區(qū)域的DOM和DEM成果，其水平精度分別可達(dá)0.05m和0.2m；綜合運(yùn)用DOM和DEM成果，構(gòu)建三維虛擬模型，并將獲取的擾動(dòng)土地位置、土地利用類(lèi)型、面積、棄渣體積、工程措施、臨時(shí)苫蓋等數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)人工監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行效率、精度上的對(duì)比分析，結(jié)果表明計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別更加快速。2017年，王志良等[7]研究了無(wú)人機(jī)技術(shù)在線(xiàn)狀工程水保監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，通過(guò)生成重慶至萬(wàn)州鐵路典型區(qū)域的DEM和DOM模型，解譯提取了項(xiàng)目擾動(dòng)范圍、面積，工程措施、植物措施、臨時(shí)措施等長(zhǎng)度和面積，間接提取了棄渣量、挖填方量、擋墻工程量、截排水工程量相關(guān)體積數(shù)據(jù)。

通過(guò)無(wú)人機(jī)技術(shù)在監(jiān)管中的各種應(yīng)用實(shí)例分析，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)可及時(shí)準(zhǔn)確、全面直觀反映小區(qū)域尺度上項(xiàng)目擾動(dòng)范圍、施工進(jìn)展變化，提取工程措施和水土流失現(xiàn)狀等數(shù)據(jù)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

一是時(shí)效性高。與傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感相比，不受衛(wèi)星運(yùn)行周期影響，可根據(jù)工作需要，在滿(mǎn)足無(wú)人機(jī)起飛的氣象、場(chǎng)地條件下，快速獲取小區(qū)域內(nèi)遙感影像，快速提取工程相關(guān)長(zhǎng)度、面積數(shù)據(jù)和水土流失量。

二是安全實(shí)用。部分生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目位于低溫、地理位置偏遠(yuǎn)地區(qū)，項(xiàng)目后期植被過(guò)于茂盛，工作人員無(wú)法直達(dá)現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)，無(wú)人機(jī)可直達(dá)并拍攝影像，最大程度節(jié)省現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核的人力財(cái)力，避免人員傷亡。

三是拍攝角度廣泛且精度高。無(wú)人機(jī)可根據(jù)工作需求，開(kāi)展豎向、傾斜攝影。拍攝時(shí)，一般飛行在50m～1000m范圍，精度為亞米級(jí)，可拍攝出結(jié)構(gòu)復(fù)雜的多角度影像，如實(shí)直觀反映目標(biāo)區(qū)域現(xiàn)狀信息。

同時(shí)，也存在一些不足：垂直精度不足，后期生成DEM和DOM提取工程措施、擾動(dòng)范圍變化、水土流失量等需要投入專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員大量時(shí)間和人力成本，無(wú)法在宏觀層面獲取大尺度范圍內(nèi)的水土流失動(dòng)態(tài)狀況。

2 高分遙感影像在水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和監(jiān)管中的應(yīng)用

隨著衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，衛(wèi)星遙感影像種類(lèi)繁多，高分辨率衛(wèi)星影像主要包括國(guó)產(chǎn)的資源系列、高分一號(hào)、高分二號(hào)等數(shù)據(jù)，國(guó)外的WorldView-2、WorldView-3、Quickbird等數(shù)據(jù)。目前，國(guó)內(nèi)用于水土保持行業(yè)的數(shù)據(jù)主要有Landsat 8和高分一號(hào)(大幅寬)數(shù)據(jù)，以及高分辨率的資源三號(hào)、高分一號(hào)等。不同分辨率的遙感影像適宜于不同尺度范圍內(nèi)的水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和監(jiān)管工作，其中，高分辨率數(shù)據(jù)適用于區(qū)、縣級(jí)范圍的動(dòng)態(tài)變化監(jiān)管[8]。

在四川省生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持“天地一體化”監(jiān)管實(shí)踐中，劉翔夢(mèng)等[1]選取四川川西高原區(qū)(阿壩小金縣)、川東丘陵區(qū)(南充蓬安縣)、川中平原區(qū)(眉山東坡區(qū))為研究對(duì)象，運(yùn)用高分辨率遙感影像對(duì)研究區(qū)2011-2018年生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目開(kāi)展了監(jiān)管合規(guī)性分析，并開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)工作，表明“天地一體化”技術(shù)對(duì)不同自然地貌區(qū)的監(jiān)管結(jié)論均具有可靠性。近年來(lái)的示范、推廣和實(shí)施實(shí)踐證明：生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持遙感監(jiān)管是相關(guān)方全參與，對(duì)全管轄范圍、全監(jiān)管對(duì)象違法違規(guī)問(wèn)題實(shí)施發(fā)現(xiàn)、認(rèn)定、查處和監(jiān)督整改的一套有效技術(shù)體系[9]。

2018年以來(lái)，各地嘗試按照《區(qū)域水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)定(試行)》，探索適合地方的水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方案和技術(shù)流程。四川省水土保持監(jiān)測(cè)總站通過(guò)對(duì)高分辨率遙感衛(wèi)星影像進(jìn)行解譯，并外業(yè)踏勘復(fù)核，結(jié)合地理國(guó)情地表覆蓋數(shù)據(jù)，利用DEM數(shù)據(jù)，采用水土流失量計(jì)算模型中國(guó)土壤流失方程(CSLE)，計(jì)算出最終的土壤水蝕模數(shù)，應(yīng)用表明，基于地理國(guó)情監(jiān)測(cè)成果的水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法具有精準(zhǔn)性、高效性、可持續(xù)性等特點(diǎn)[10-11]。

高分遙感衛(wèi)星影像在水土保持相關(guān)應(yīng)用實(shí)踐表明，通過(guò)圖斑疊加分析，能有效在中尺度范圍內(nèi)，對(duì)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目開(kāi)展合規(guī)性動(dòng)態(tài)監(jiān)管；同時(shí)，結(jié)合地理國(guó)情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算出水土流失強(qiáng)度，推算出區(qū)域水土流失量。但是對(duì)于具體到各生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目對(duì)區(qū)域(區(qū)、縣)水土流失量的影響如何，相關(guān)工程措施、植物措施是否與生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持信息化監(jiān)管平臺(tái)中上傳信息一致，無(wú)法實(shí)現(xiàn)精細(xì)化監(jiān)管。

3 基于高分遙感和無(wú)人機(jī)技術(shù)的水土保持“天地一體化”監(jiān)管方法

通過(guò)無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)在生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目中的應(yīng)用和高分遙感影像在水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和監(jiān)管中的應(yīng)用分析可以看出，無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)和高分遙感影像在水土保持領(lǐng)域的應(yīng)用有各種優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)。筆者結(jié)合無(wú)人機(jī)技術(shù)和高分遙感影像各自?xún)?yōu)勢(shì)，通過(guò)對(duì)高分遙感影像數(shù)據(jù)處理流程和無(wú)人機(jī)低空遙感數(shù)據(jù)獲取及處理進(jìn)行梳理，探索二者在水土保持“天地一體化”監(jiān)管中的綜合應(yīng)用。

3.1 高分遙感影像數(shù)據(jù)處理

(1)搜集水土保持基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括高分辨率的遙感影像數(shù)據(jù)，DEM、DSM地理信息數(shù)據(jù)，測(cè)繪基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)等。

(2)高分遙感影像預(yù)處理和圖斑解譯：依次采用大氣校正、正射校正、融合增強(qiáng)等方法進(jìn)行影像預(yù)處理，并對(duì)預(yù)處理后的高分遙感影像開(kāi)展圖斑解譯工作，部分典型圖斑需運(yùn)用無(wú)人機(jī)拍攝的低空遙感影像進(jìn)行復(fù)核。

(3)在ArcGIS中疊加生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目防治責(zé)任范圍圖，開(kāi)展擾動(dòng)合規(guī)性分析。

(4)圖斑解譯后，結(jié)合地理國(guó)情普查數(shù)據(jù)，DEM數(shù)據(jù)、水土保持治理相關(guān)資料，采用中國(guó)土壤流失方程CSLE(A=R·K·L·S·B·E·T)，提取7個(gè)參數(shù)因子，推算區(qū)域水土流失強(qiáng)度模數(shù)，進(jìn)一步核算區(qū)域(區(qū)、縣)水土流失量。

3.2 無(wú)人機(jī)低空遙感數(shù)據(jù)獲取和處理

(1)前期準(zhǔn)備。選取生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目所在范圍，設(shè)備準(zhǔn)備，根據(jù)《無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)技術(shù)要求》設(shè)計(jì)航線(xiàn)、航向、旁向重疊度和飛行高度等。

(2)地面控制點(diǎn)采集。利用GPS或北斗，進(jìn)行像控點(diǎn)測(cè)量。

(3)獲取原始影像。備足電量和儲(chǔ)存卡，選擇風(fēng)速小于10m/s的天氣，嚴(yán)格按照無(wú)人機(jī)操作規(guī)范，按照設(shè)計(jì)的航線(xiàn)飛行，獲取原始無(wú)人機(jī)影像。

(4)預(yù)處理。運(yùn)用專(zhuān)業(yè)軟件如Photo Scan和Pix4D等對(duì)無(wú)人機(jī)遙感影像進(jìn)行初步處理，生成滿(mǎn)足精度要求的DOM、DEM和DSM影像。

(5)采用Global Mapper、LocaSpace Viewer和Context Capture等專(zhuān)業(yè)軟件對(duì)DOM、DEM和DSM影像提取長(zhǎng)度、面積、體積數(shù)據(jù)，包括工程措施長(zhǎng)度、范圍、方量，植物措施面積，再疊加未擾動(dòng)前地形數(shù)據(jù)，可核算該生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土流失量。

3.3 綜合應(yīng)用技術(shù)流程及預(yù)期結(jié)果

綜合分析高分遙感影像和無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)所獲取的數(shù)據(jù)，以縣域?yàn)閱挝唬怂憔唧w生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目年度水土流失量在該縣年度水土流失量中的總占比；對(duì)于重點(diǎn)工程與水土流失量較大的生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目，無(wú)人機(jī)技術(shù)可進(jìn)一步提取面積、精確位置信息判定項(xiàng)目擾動(dòng)范圍的合規(guī)性；對(duì)照項(xiàng)目水土保持方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)重點(diǎn)項(xiàng)目的工程措施長(zhǎng)度、方量、進(jìn)度等實(shí)現(xiàn)細(xì)部監(jiān)測(cè)?；跓o(wú)人機(jī)低空遙感數(shù)據(jù)和高分遙感影像數(shù)據(jù)獲取及處理流程的梳理，構(gòu)建了一套基于高分遙感和無(wú)人機(jī)技術(shù)的水土保持“天地一體化”監(jiān)管技術(shù)流程(見(jiàn)圖1)。

圖1 基于高分遙感和無(wú)人機(jī)技術(shù)的水土保持“天地一體化”監(jiān)管技術(shù)流程

通過(guò)以上技術(shù)路線(xiàn)，可以助力提升水土保持監(jiān)管信息化水平和現(xiàn)代化能力，為分析區(qū)域內(nèi)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土流失對(duì)區(qū)域水土流失動(dòng)態(tài)變化的影響，水土保持目標(biāo)責(zé)任考核提供技術(shù)路線(xiàn)和參考。本技術(shù)流程的應(yīng)用，預(yù)期可獲得以下結(jié)果：

(1)高分遙感影像解譯圖斑與生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目防治責(zé)任范圍圖進(jìn)行疊加，可直觀對(duì)區(qū)域范圍內(nèi)生產(chǎn)建設(shè)擾動(dòng)合規(guī)性進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)管，快速將區(qū)域內(nèi)項(xiàng)目分為未批先建項(xiàng)目、超出責(zé)任范圍項(xiàng)目和合規(guī)項(xiàng)目。

(2)對(duì)于未批先建、超出防治責(zé)任范圍和國(guó)家水土保持重點(diǎn)工程等開(kāi)展無(wú)人機(jī)低空遙感復(fù)核，獲取滿(mǎn)足精度要求的DOM、DEM和DSM影像，通過(guò)專(zhuān)業(yè)軟件，提取工程措施、植物措施、臨時(shí)措施相關(guān)長(zhǎng)度、面積、方量等數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確掌握水土保持重點(diǎn)工程建設(shè)進(jìn)度、措施數(shù)量和實(shí)施效果，結(jié)合“全國(guó)水土保持信息管理系統(tǒng)”水土保持方案信息，為認(rèn)定(或否定)違法違規(guī)問(wèn)題，監(jiān)管查處工作提供數(shù)據(jù)佐證，可提高水土保持重點(diǎn)工程監(jiān)管信息化、現(xiàn)代化水平。

(3)核算出區(qū)域內(nèi)各個(gè)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目占區(qū)域(區(qū)、縣)年度水土流失量的貢獻(xiàn)率，進(jìn)一步核算出該區(qū)域所有生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目年度水土流失量在區(qū)域水土流失總量的占比，分析人為生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)區(qū)域水土流失動(dòng)態(tài)變化的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)無(wú)人機(jī)技術(shù)、高分遙感影像在水土保持行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀分析，結(jié)合高分遙感影像和無(wú)人機(jī)技術(shù)各自?xún)?yōu)勢(shì)，構(gòu)建了一套在水土保持“天地一體化”監(jiān)管中綜合應(yīng)用的技術(shù)方法。面上可實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域內(nèi)所有擾動(dòng)圖斑合規(guī)性動(dòng)態(tài)監(jiān)管；點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)精細(xì)化監(jiān)管，可準(zhǔn)確掌握違規(guī)違法項(xiàng)目及國(guó)家重點(diǎn)工程的建設(shè)進(jìn)度、措施數(shù)量和實(shí)施效果，進(jìn)一步推算出區(qū)域內(nèi)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目(即區(qū)域人為活動(dòng))對(duì)區(qū)域年度水土流失量的貢獻(xiàn)值和影響程度。為各級(jí)水土保持監(jiān)管信息化、現(xiàn)代化提供技術(shù)參考，為水土保持目標(biāo)責(zé)任考核，生態(tài)文明評(píng)價(jià)考核提供數(shù)據(jù)支撐。

該技術(shù)路線(xiàn)雖然減少了監(jiān)管過(guò)程中的外業(yè)核查工作量，但內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理過(guò)程較為繁瑣，需要較多專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員開(kāi)展數(shù)據(jù)處理和提取工作。同時(shí)，在采用中國(guó)土壤流失方程模型提取參數(shù)因子，應(yīng)注意參數(shù)修正，航攝獲取正射影像等過(guò)程需滿(mǎn)足精度要求，以保證后期提取工程措施、植物措施等面積、長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)精度，后續(xù)需進(jìn)一步在加強(qiáng)數(shù)據(jù)生成自動(dòng)化和數(shù)據(jù)獲取準(zhǔn)確性方面開(kāi)展相關(guān)實(shí)踐探索。