無人機(jī)技術(shù)在生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測中的精度研究

施明新，張 鵬，白春昱

（上海勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200434）

0 引 言

近些年，無人機(jī)遙感技術(shù)在眾多領(lǐng)域都得到了空前發(fā)展，也逐漸成為生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測的常規(guī)手段[1,2]。但是，小型無人機(jī)受續(xù)航能力限制，目前主要還是用于小型項(xiàng)目或點(diǎn)型工程監(jiān)測，而對(duì)于大中型項(xiàng)目或線型工程，則主要是對(duì)重點(diǎn)區(qū)域開展監(jiān)測，還難以覆蓋全域。

經(jīng)前人研究，無人機(jī)遙感監(jiān)測成果的精度基本能夠滿足現(xiàn)階段水土保持行業(yè)要求[3,4]，但是對(duì)于不同類型的生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目提取的成果（如擾動(dòng)面積、土石方量及措施種類及工程量等）精度如何，仍需進(jìn)一步探究[5,6]。為研究無人機(jī)技術(shù)在生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測中的測量精度，分別選取平地型渣場（雙合渣場監(jiān)測區(qū)）、坡地型渣場（赤塢渣場監(jiān)測區(qū)）、以填方為主的礦坑回填工程（礦坑監(jiān)測區(qū)）、以挖方為主的山區(qū)風(fēng)電場工程（升壓站監(jiān)測區(qū)）和抽水蓄能電站工程（施工便道監(jiān)測區(qū)）五種不同類型項(xiàng)目，對(duì)重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域開展無人機(jī)遙感監(jiān)測。

利用無人機(jī)專業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)航拍照片進(jìn)行拼接、調(diào)色及糾正等處理，生成精細(xì)的DEM 模型、DOM 模型（精度為5 cm）和三維數(shù)字模型等成果，采用數(shù)據(jù)提取軟件獲取測區(qū)內(nèi)的擾動(dòng)土地面積和水土保持措施的種類及工程量，利用疊加分析功能測算出不同施工階段監(jiān)測區(qū)域挖填方量的變化情況，將復(fù)雜的外業(yè)調(diào)查轉(zhuǎn)化為精細(xì)化測量的內(nèi)業(yè)工作。

為了驗(yàn)證無人機(jī)遙感監(jiān)測成果的精度，利用GPS-RTK 測量系統(tǒng)、皮尺、測距儀等進(jìn)行人工現(xiàn)場實(shí)測，以獲取擾動(dòng)面積、措施種類及工程量等數(shù)據(jù)的真實(shí)值；采用資料收集和實(shí)地量測兩種方法獲取土石方量變化情況的真實(shí)值。最終，通過將無人機(jī)航拍成果中提取的信息與真實(shí)值進(jìn)行比較，分析得出不同類型的生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目無人機(jī)遙感監(jiān)測的精度，并總結(jié)歸納造成誤差的原因和提高精度的方法。

1 設(shè)備設(shè)施及數(shù)據(jù)獲取

1.1 設(shè)備設(shè)施及參數(shù)設(shè)定

常規(guī)設(shè)備：皮尺、測距測高儀。另外，為了增加野外測量的可操作性和工作效率，利用GPS-RTK 測量技術(shù)開展現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集工作，GPS-RTK 測量系統(tǒng)采用Trimble R8S GNSS 系統(tǒng)，可達(dá)到實(shí)時(shí)厘米級(jí)的精度[7,8]。

航拍設(shè)備：大疆“悟”INSPIRE 2，配1 英寸、2 000 萬（5 472×3 548）像素傳感器，搭載禪思X4S 鏡頭，等效焦距24 mm。

航測數(shù)據(jù)智能采集軟件：Pix4Dcapture。

航拍參數(shù)指標(biāo)：飛行高度80～200 m，云臺(tái)角度為45°～80°，航向重疊率80%，旁向重疊率70%。

無人機(jī)專業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件：Pix4D Mapper，精度達(dá)5 cm。

數(shù)據(jù)提取軟件：Global Mapper 21.1、AcrGIS 10.8。

1.2 遙感數(shù)據(jù)獲取

在測區(qū)內(nèi)均勻布設(shè)一定數(shù)量的地面控制點(diǎn)，控制點(diǎn)數(shù)量根據(jù)測區(qū)面積和地物復(fù)雜程度確定[9,10]，并用Trimble R8S GNSS 系統(tǒng)采集控制點(diǎn)坐標(biāo)（水平精度1 cm，垂直精度2 cm），作為航拍成果整體精度的驗(yàn)證點(diǎn)位。另外，為便于后續(xù)影像分類，需根據(jù)測區(qū)內(nèi)地物類型的種類，布設(shè)相應(yīng)數(shù)量的解譯標(biāo)志。

為提高成果精度，航拍模式選用Pix4Dcapture 軟件中的Double Grid 模式，采用自動(dòng)飛行方式，若測區(qū)面積太大或存在高空障礙物，可分為2個(gè)或多個(gè)飛行架次來完成數(shù)據(jù)采集工作[11]。采用軟件Global Mapper 21.1 和AcrGIS 10.8 的多邊形功能和數(shù)字化工具提取擾動(dòng)面積數(shù)據(jù)；將兩次無人機(jī)模型成果導(dǎo)入Global Mapper 21.1 進(jìn)行疊加分析獲取土石方量數(shù)據(jù)；通過AcrGIS 自動(dòng)提取和人工矯正高精度DOM 模型獲取措施種類及工程量數(shù)據(jù)。

1.3 實(shí)測數(shù)據(jù)獲取

（1）擾動(dòng)面積。采用Trimble R8S GNSS系統(tǒng)通過現(xiàn)場人工量測獲取。點(diǎn)型監(jiān)測區(qū)測量邊界外圍轉(zhuǎn)角處經(jīng)緯度和高程等信息，合圍區(qū)域垂直投影面積即為實(shí)際擾動(dòng)面積。線型監(jiān)測區(qū)（如施工便道）每隔30 m（路面軸線長度）采用皮尺量取一次路面寬度，并在轉(zhuǎn)彎處和路面寬度突變處加測，分別計(jì)算各段路面面積，用算術(shù)加合法計(jì)算得出測量路段實(shí)際擾動(dòng)面積。

（2）土石方量。土石方量采用資料收集和實(shí)地量測兩種方法獲取。資料收集法主要為經(jīng)監(jiān)理單位審核后的施工報(bào)表和土石方工程量清單，實(shí)地量測法采用Trimble R8S GNSS 系統(tǒng)、測距測高儀和皮尺等人工現(xiàn)場測量。

（3）措施種類及工程量。措施種類通過人工現(xiàn)場拍照記錄，工程量通過皮尺、測距測高儀現(xiàn)場測量。

2 結(jié)果與分析

2.1 擾動(dòng)面積監(jiān)測精度分析

為減小監(jiān)測區(qū)周邊山體陰影及測區(qū)內(nèi)植被陰影對(duì)無人機(jī)航拍造成的干擾，航拍作業(yè)時(shí)間選擇陰天或太陽直射的正午。雙合渣場監(jiān)測區(qū)、赤塢渣場監(jiān)測區(qū)、礦坑監(jiān)測區(qū)、升壓站監(jiān)測區(qū)和施工便道監(jiān)測區(qū)5個(gè)區(qū)域的DOM 成果見圖1，各區(qū)域擾動(dòng)面積統(tǒng)計(jì)見表1。

圖1 5個(gè)重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)DOM成果Fig.1 DOM achievements for five key monitoring areas

由表1可知，4 個(gè)點(diǎn)型監(jiān)測區(qū)（雙合渣場、赤塢渣場、礦坑和升壓站監(jiān)測區(qū)）擾動(dòng)面積均未超過水保方案設(shè)計(jì)值，同時(shí)擾動(dòng)面積監(jiān)測精度大于95.85%，滿足《生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測規(guī)程（試行）》（下稱《規(guī)程》）中點(diǎn)型擾動(dòng)面積監(jiān)測精度不小于95%的要求。另外，雙合渣場和升壓站監(jiān)測區(qū)擾動(dòng)面積監(jiān)測精度明顯大于赤塢渣場和升壓站監(jiān)測區(qū)，而前者所在地地勢相對(duì)平坦，后者所在地起伏較大，說明利用無人機(jī)遙感監(jiān)測得出的擾動(dòng)面積精度，平地要高于坡地。

表1 擾動(dòng)面積統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Statistical table of disturbance area

但是，線型監(jiān)測區(qū)（施工便道監(jiān)測區(qū)）擾動(dòng)面積監(jiān)測精度不高。利用皮尺人工實(shí)地量測的長度為1 001 m，擾動(dòng)面積為13 915 m2。根據(jù)無人機(jī)遙感監(jiān)測DOM 成果（見圖1）測算道路總長度為1 003 m，擾動(dòng)面積僅為12 840 m2。因此，施工便道監(jiān)測區(qū)實(shí)際擾動(dòng)范圍大于水保方案設(shè)計(jì)值，且利用無人機(jī)遙感監(jiān)測成果量取的擾動(dòng)面積存在一定誤差，精度僅為92.27%。經(jīng)調(diào)查分析，存在誤差的原因主要是道路兩側(cè)喬灌木對(duì)路面形成遮擋，導(dǎo)致利用無人機(jī)正射影像圖量取的面積偏小。但是，總體上能夠滿足《規(guī)程》中線型擾動(dòng)面積監(jiān)測精度不小于90%的要求。

2.2 土石方量監(jiān)測精度分析

以赤塢渣場監(jiān)測區(qū)和升壓站監(jiān)測區(qū)為例分析土石方量精度。其中，赤塢渣場航拍時(shí)間分別為2021年3-9月，升壓站航拍時(shí)間分別為2021年2-8月，DOM 成果見圖1。將前后兩次施工期的航拍成果（DOM 和DEM）導(dǎo)入Global Mapper 21.1中進(jìn)行疊加分析，測算出兩次航拍間隔期內(nèi)監(jiān)測區(qū)挖填方量的變化情況。

經(jīng)疊加分析，赤塢渣場監(jiān)測區(qū)自2021年3-9月共挖方21.02 萬m3，填方67.39 萬m3（含棄渣和可用砂石料），土石方總量增加46.37 萬m3（見表2）。通過查閱設(shè)計(jì)文件及施工總布置，造成挖方的原因是赤塢渣場在施工階段需同時(shí)作為工程回填砂石料的中轉(zhuǎn)料場，挖方量為從赤塢渣場運(yùn)出的砂石料方量。升壓站監(jiān)測區(qū)自2021年2-8月共挖方1.81 萬m3，填方2.16 萬m3，土石方總量增加0.35 萬m3。通過分析升壓站監(jiān)測區(qū)的DEM 模型成果發(fā)現(xiàn)，挖方主要來自升壓站南北兩側(cè)高陡邊坡的開挖，填方主要為西側(cè)籃球場地基礎(chǔ)及進(jìn)站道路路基回填。根據(jù)設(shè)計(jì)文件和現(xiàn)場調(diào)查，升壓站監(jiān)測區(qū)挖填平衡，無廢棄方，但是疊加分析結(jié)果為填方量比挖方量大0.35 萬m3。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，2021年2月升壓站處于建筑物地基澆筑施工階段，2021年8月已完成建筑物封頂，利用無人機(jī)航拍成果分析計(jì)算時(shí)，疊加分析時(shí)誤將建筑物體積計(jì)為填方。經(jīng)復(fù)核，升壓站內(nèi)建筑物有綜合樓、電氣樓和其他配套建筑，利用皮尺和測距測高儀量取各建筑物升壓站地坪（±0.00）以上尺寸，總體積為0.35 萬m3。因此，填方中需扣除建筑物體積0.35 萬m3，實(shí)際填方量為1.81 萬m3，與挖方量相等，滿足挖填平衡，與工程實(shí)際相吻合。

表2 土石方量統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Statistical table of earthwork volume

經(jīng)過大量水土保持監(jiān)測工作的科學(xué)實(shí)踐，對(duì)于土石方量的監(jiān)測，資料收集法和實(shí)地量測法均存在一定的限制性因素。在實(shí)際生產(chǎn)建設(shè)過程中，資料收集法會(huì)受眾多因素影響，使得土石方量數(shù)據(jù)存在滯后性和不穩(wěn)定性，對(duì)于數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性復(fù)核工作量大；實(shí)地量測法數(shù)據(jù)相對(duì)可靠，但是對(duì)于地形復(fù)雜多樣、外業(yè)條件惡劣、占地面積大的生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目，不僅現(xiàn)場工作量巨大、效率低下，而且難以保證測量頻次和數(shù)據(jù)時(shí)效性。利用無人機(jī)遙感技術(shù)，不僅耗時(shí)少、效率高，同時(shí)具有很強(qiáng)的時(shí)效性和較高的精準(zhǔn)度，測量頻次也能得到有效保證。

由表2可知，填方量精度（最小為91.74%）大于挖方量精度（最小為90.11%），雖然與擾動(dòng)面積精度相比較，挖、填土石方量監(jiān)測精度均較低，但總體而言能夠滿足《規(guī)程》中方量監(jiān)測精度不小于90%的要求。另外，赤塢渣場監(jiān)測區(qū)挖方量和填方量精度均小于升壓站監(jiān)測區(qū)。經(jīng)分析，赤塢渣場高程在194～265 m 之間，最大高差超過70 m，升壓站監(jiān)測區(qū)最大高差不超過10 m，而無人機(jī)遙感存在一定的垂直精度誤差，對(duì)高差較大的區(qū)域進(jìn)行高程測量時(shí)更容易出現(xiàn)偏差，因此坡地渣場高程變化大是造成精度偏低的主要因素。

2.3 措施工程量監(jiān)測精度分析

以赤塢渣場監(jiān)測區(qū)為例，基于DOM 模型成果解譯出的水保措施類型有擋渣墻、排水溝、截水溝和沉沙池等，見圖2。經(jīng)現(xiàn)場人工復(fù)核，并采用皮尺、測距測高儀等進(jìn)行現(xiàn)場量測，措施工程量見表3。

圖2 基于DOM模型措施工程量監(jiān)測成果Tab.2 The monitoring results of measure quantities base on DOM model

由表3可知，基于DOM 模型成果提取的措施工程量，水平監(jiān)測精度（平面尺寸）大于98.46%，能夠較好滿足《規(guī)程》中措施監(jiān)測精度不小于95%的要求，但是垂直監(jiān)測精度（縱向尺寸）相對(duì)較低，最大為94.34%。經(jīng)分析，無人機(jī)遙感自身存在的垂直誤差是一方面原因，更為重要的是測量目標(biāo)底部被遮擋，導(dǎo)致無人機(jī)遙感無法準(zhǔn)確獲取目標(biāo)底部信息。例如，截排水溝溝底存在水流，沉沙池內(nèi)有深厚的淤積泥沙和水體，無人機(jī)遙感無法準(zhǔn)確測量待測目標(biāo)底部高程，導(dǎo)致垂直精度較低，甚至沉沙池深度測量值明顯失真（精度僅為34.90%）。對(duì)于難以通過無人機(jī)影像直接獲取底部高程信息的措施，為進(jìn)一步提高監(jiān)測精度，需通過人工現(xiàn)場補(bǔ)充調(diào)查獲取更加準(zhǔn)確的高程數(shù)據(jù)。

表3 措施類型及工程量統(tǒng)計(jì)表Tab.3 Statistical table of measures for Type and quantity

3 結(jié)論及建議

3.1 結(jié) 論

通過無人機(jī)遙感監(jiān)測法、實(shí)地量測法和資料收集法，對(duì)平地型渣場、坡地型渣場、回填工程區(qū)、開挖工程區(qū)和施工便道區(qū)等監(jiān)測，經(jīng)數(shù)據(jù)獲取、信息提取和處理分析，無人機(jī)遙感監(jiān)測精度主要研究結(jié)論如下。

（1）點(diǎn)型區(qū)域擾動(dòng)面積監(jiān)測精度較高（大于95.85%），能夠滿足點(diǎn)型擾動(dòng)面積監(jiān)測精度不小于95%的要求。線型區(qū)域受周邊植被遮擋，導(dǎo)致無人機(jī)遙感監(jiān)測面積偏小，精度僅為92.27%，雖能滿足《規(guī)程》中線型擾動(dòng)面積監(jiān)測精度不小于90%的要求，但需配合人機(jī)交互解譯和現(xiàn)場補(bǔ)充調(diào)查，才能進(jìn)一步提升線型區(qū)域擾動(dòng)面積監(jiān)測精度?？傮w而言，對(duì)于擾動(dòng)面積的監(jiān)測精度，點(diǎn)型區(qū)域高于線型區(qū)域，同時(shí)平地明顯高于坡地。

（2） 土石方量監(jiān)測精度存在一定誤差（精度最低90.11%），但能夠滿足方量監(jiān)測精度不小于90%的要求。另外，受無人機(jī)垂直誤差影響，監(jiān)測區(qū)高差越大精度越低。

（3）措施種類解譯與現(xiàn)場復(fù)核結(jié)果一致，工程量監(jiān)測水平精度大于98.46%，能夠較好滿足措施監(jiān)測精度不小于95%的要求。對(duì)于截排水溝、沉沙池、擋渣墻等難以通過無人機(jī)影像準(zhǔn)確獲取基礎(chǔ)底部高程信息的措施，監(jiān)測精度相對(duì)較低，甚至沉沙池深度測量值出現(xiàn)明顯失真（精度僅為34.90%），需通過人工現(xiàn)場補(bǔ)充調(diào)查高程數(shù)據(jù)來進(jìn)一步提高監(jiān)測精度。

（4）資料收集法數(shù)據(jù)存在滯后性和不穩(wěn)定性，復(fù)核工作量大；實(shí)地量測法效率低，難以保證測量頻次和數(shù)據(jù)時(shí)效性。根據(jù)研究結(jié)論，無人機(jī)遙感監(jiān)測成果精度能夠較好滿足行業(yè)要求，不僅能夠大幅提高行業(yè)信息化水平和工作效率，而且為進(jìn)一步應(yīng)用與發(fā)展水土保持監(jiān)測信息化指明了方向。

3.2 建 議

無人機(jī)遙感技術(shù)效率高、成本低，同時(shí)具有很強(qiáng)的時(shí)效性和較高的精準(zhǔn)度，但是目前仍然存在以下兩方面需進(jìn)一步深入研究：

（1）生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目種類復(fù)雜多樣，本研究樣本數(shù)量有限，結(jié)果難免存在一定的偶然性，因此還需通過大量的科學(xué)試驗(yàn)，進(jìn)一步開展無人機(jī)技術(shù)在生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測中精度的研究與探討。

（2）對(duì)于土石方量監(jiān)測，高差越大精度越低，但是高差對(duì)于精度的變化趨勢是否具有顯著性影響，還需進(jìn)一步系統(tǒng)性研究。