無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)結(jié)合GIS技術(shù)在生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用探究

林漢常

（梧州市錦海水土保持設(shè)計(jì)有限公司，廣西 梧州 543000）

無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)在水土保持監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用中，主要是利用無(wú)人機(jī)航拍獲取項(xiàng)目區(qū)原始圖像，并通過圖形處理軟件對(duì)原始圖像進(jìn)行重新建模和拼接，獲取項(xiàng)目區(qū)包含空間信息的完整高清正射影像以及數(shù)字高程模型（DEM），然后通過GIS軟件對(duì)正射影像和高程模型（DEM）進(jìn)行分析解譯，獲取重要的水土保持監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

1.無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)和GIS技術(shù)的概述及優(yōu)點(diǎn)

無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)即利用先進(jìn)的無(wú)人駕駛飛行器技術(shù)、遙感傳感器技術(shù)、遙測(cè)遙控技術(shù)、通訊技術(shù)、GPS差分定位技術(shù)和遙感應(yīng)用技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化、智能化、專用化快速獲取國(guó)土資源、自然環(huán)境、地震災(zāi)區(qū)等空間遙感信息，且完成遙感數(shù)據(jù)處理、建模和應(yīng)用分析的應(yīng)用技術(shù)。

GIS技術(shù)是一種多種學(xué)科交叉的產(chǎn)物，它以地理空間為基礎(chǔ)，采用地理模型分析方法，實(shí)時(shí)提供多種空間和動(dòng)態(tài)的地理信息，是一種為地理研究和地理決策服務(wù)的計(jì)算機(jī)技術(shù)系統(tǒng)。

利用上述技術(shù)，可將整個(gè)項(xiàng)目區(qū)在計(jì)算機(jī)上精細(xì)化展示，并利用GIS軟件進(jìn)行精確解譯，能極大減少外業(yè)工作量，提高監(jiān)測(cè)工作的效率和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)開展工程調(diào)查的方法主要包括實(shí)地量測(cè)、地面觀測(cè)和資料分析監(jiān)測(cè)，其雖然使用簡(jiǎn)單和方便，但實(shí)際應(yīng)用中也存在工作效率低、精度低、監(jiān)測(cè)進(jìn)度滯后等問題。最近幾年，基于衛(wèi)星影像遙感調(diào)查技術(shù)的地面觀測(cè)技術(shù)不斷得到發(fā)展，但衛(wèi)星遙感影響獲取質(zhì)量容易受到衛(wèi)星運(yùn)行軌道、天氣等因素的影響，難以保證自動(dòng)化和智能化效果，使用存在一定的局限性。與一般性的地面觀測(cè)方法和遙感影像技術(shù)相比，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)具有使用精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，在水土保持監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用不斷增加。越來越多的學(xué)者將無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)應(yīng)用到水土保持監(jiān)測(cè)和監(jiān)管工作中，并在相關(guān)軟件的支持下，能夠?qū)崿F(xiàn)影像的快速拼接，更加精確形成各種正射影像和地形數(shù)據(jù)，得到水土保持監(jiān)管相關(guān)數(shù)據(jù)指標(biāo)，并最終形成動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果，更加有效解決水土保持中的信息采集難題，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種監(jiān)管數(shù)據(jù)的自動(dòng)、快速和高精度處理。

2.技術(shù)要點(diǎn)

2.1 無(wú)人機(jī)選用

在選用無(wú)人機(jī)設(shè)備過程中，需要充分結(jié)合水土保持監(jiān)測(cè)項(xiàng)目需求，設(shè)備所獲得的遙感影像應(yīng)滿足高分辨率和高精度空間信息兩個(gè)條件。從經(jīng)濟(jì)適用的角度，筆者推薦使用大疆精靈4RTK無(wú)人機(jī)，此款無(wú)人機(jī)面向低空攝影測(cè)量應(yīng)用，小型便攜，具備規(guī)劃航線自動(dòng)航拍功能高性能成像系統(tǒng)，集成RTK 模塊，提供實(shí)時(shí)厘米級(jí)定位數(shù)據(jù)，能滿足大部分開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)工作的需求。

2.2 獲取原始影像（以大疆精靈4rtk為例）

精靈4rtk具有規(guī)劃航線自動(dòng)航拍功能，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化獲取項(xiàng)目區(qū)原始影像。無(wú)人機(jī)航拍獲取原始圖像時(shí)注意事項(xiàng)如下。

2.2.1 飛行高度：無(wú)人機(jī)的飛行高度為飛行位置相對(duì)于起飛地點(diǎn)的相對(duì)高度，精靈4rtk的最大飛行高度為500m，在水土保持監(jiān)測(cè)工作中，需要根據(jù)項(xiàng)目區(qū)的情況選取適當(dāng)?shù)娘w行高度，一般情況要超過測(cè)區(qū)地物的高度并預(yù)留安全高度，兼顧成像質(zhì)量和航拍工作效率的需要，一般飛行高度設(shè)置在200m左右。

2.2.2 照片重疊率：通常情況下，無(wú)人機(jī)在航拍高度工作時(shí)，航拍的單張影像不能涵蓋整個(gè)項(xiàng)目區(qū)，需要連續(xù)航拍多張具備一定重疊率的照片。一般情況下，照片重疊率越高，重建產(chǎn)生的影像質(zhì)量越高，但航拍耗時(shí)相應(yīng)會(huì)增加，照片數(shù)據(jù)量也會(huì)增大，根據(jù)筆者工作經(jīng)驗(yàn)，航向重疊率和旁向重疊率分別為60%以上時(shí)，能重建形成質(zhì)量較好的影像。

2.2.3 云臺(tái)角度：為獲取項(xiàng)目區(qū)的正射影像時(shí)，通常將云臺(tái)角度設(shè)置為-90度，即拍攝鏡頭豎直向下。一般情況下，采用-90度云臺(tái)拍攝獲取的原始圖像，能滿足水土保持監(jiān)測(cè)工作的需要。當(dāng)需要對(duì)堆渣體重建更精確的三維模型時(shí)，可采用傾斜攝影方式對(duì)對(duì)渣體進(jìn)行單獨(dú)航拍。

2.3 影像拼接

外業(yè)獲取了項(xiàng)目區(qū)原始影像后，需要將其拼接起來形成完整的包含空間信息的項(xiàng)目區(qū)范圍正射影像和DEM成果。影像拼接工作通過專業(yè)軟件完成，常用的圖形拼接軟件有pix4d、global mapper、photoscan、大疆智圖等。筆者推薦采用大疆智圖，該軟件操作簡(jiǎn)單，導(dǎo)入原始影像后可一鍵完成拼圖，工作效率和成像質(zhì)量都較高。影像拼接完成后可導(dǎo)出的成果主要有正射影像、數(shù)字高程模型（DEM）、三維模型。

2.4 影像解譯

無(wú)人機(jī)低空遙感形成的影像，需要配合使用GIS軟件進(jìn)行分析數(shù)據(jù)。GIS軟件有ArcGIS、MapGIS、supermap等。筆者以ArcGIS應(yīng)用為例進(jìn)行數(shù)據(jù)分析解譯。在導(dǎo)入影像資料前，設(shè)置好數(shù)據(jù)框坐標(biāo)系，通常設(shè)置為高斯-克呂格投影2000國(guó)家大地坐標(biāo)系（3°帶），帶號(hào)或中央子午線按照項(xiàng)目區(qū)所在位置情況選擇。將正射影像、數(shù)字高程模型等導(dǎo)入軟件后，即可進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)提取工作。

2.4.1 擾動(dòng)面積提取。建立面要素圖層后，采用目視手動(dòng)勾繪，沿項(xiàng)目擾動(dòng)范圍邊沿進(jìn)行勾繪各擾動(dòng)圖斑，在圖層屬性中查看圖斑面積。通過與項(xiàng)目防治范圍、往期擾動(dòng)范圍的矢量圖疊加分析，可得到擾動(dòng)范圍與方案防治責(zé)任范圍的關(guān)系情況、各期面積擾動(dòng)變化情況，判斷是否超出方案防治責(zé)任范圍以及是否達(dá)到水土保持方案重大變更情況，判斷是否在規(guī)定位置進(jìn)行取土、堆渣等。

2.4.2 水土保持措施數(shù)量提取。建立點(diǎn)、線、面要素圖層后，采用目視手動(dòng)勾繪，可分別勾繪出項(xiàng)目區(qū)的沉砂池、排水溝、擋墻、植物措施等水土保持措施，通過圖層屬性，可查看個(gè)數(shù)、投影長(zhǎng)度、投影面積等水土保持措施數(shù)量數(shù)據(jù)。

2.4.3 取土量和棄渣量提取。3D分析工具的柵格表面分析工具，通過不同時(shí)期的數(shù)字高程模型，可分析出特定區(qū)域的體積變化情況，可應(yīng)用于取土場(chǎng)的取土量、棄渣場(chǎng)的棄渣量監(jiān)測(cè)。通過數(shù)字高程模型，還可以提取取土邊坡和堆渣坡度、高度等數(shù)據(jù)，輔助判斷是否按規(guī)定坡度取土和堆渣等等。

2.4.4 植被郁閉度和蓋度提取。在監(jiān)測(cè)結(jié)果精度要求不高的情況下，可采用目估法對(duì)遙感影像目測(cè)確定植物措施片區(qū)的植被蓋度和郁閉度。如需獲得更準(zhǔn)確的植被蓋度和郁閉度，可在argis中計(jì)算歸一化植被指數(shù)ndvi，配合其他軟件（如ENVI、ERDAS）計(jì)算植被蓋度和郁閉度。

2.4.5 水土流失量監(jiān)測(cè)。按照生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目土壤流失量測(cè)算導(dǎo)則（SL 773-2018）進(jìn)行水土流失量監(jiān)測(cè)，利用三維模型以及arcgis中測(cè)量工具，可提取大量水土流失量計(jì)算要素。其中長(zhǎng)度、寬度、坡度、植被類型、郁閉度、覆蓋度面積、水土保持措施、上方匯水面積等要素信息可在三維模型和arcgis中讀取和測(cè)量。通過地面調(diào)查等方法獲取其他要素信息后，可進(jìn)行計(jì)算單元的水土流失量計(jì)算。

2.4.6 水土流失危害監(jiān)測(cè)。通過高清的遙感影像及三維模型的視角，更易于調(diào)查發(fā)生于項(xiàng)目區(qū)及周邊區(qū)域的水土流失危害情況，包括發(fā)生區(qū)域、面積、程度等。

3.技術(shù)實(shí)際應(yīng)用及應(yīng)用中存在的技術(shù)缺點(diǎn)

在各種生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目當(dāng)中，水土保持工作主要包括：建設(shè)前期水土保持方案的編制、建設(shè)期水土保持監(jiān)測(cè)及各種措施落實(shí)情況、竣工階段水土保持技術(shù)評(píng)估和相關(guān)行政驗(yàn)收工作。

建設(shè)前期水土保持方案的制定。通過開展工程建設(shè)項(xiàng)目的方案編制和審查工作，可以將無(wú)人機(jī)直接應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)勘察作業(yè)中，從而全面了解建設(shè)項(xiàng)目情況，其中會(huì)涉及到敏感區(qū)域自身的環(huán)境特征，從而有效減少各種外業(yè)工作，保證各種勘察工作開展效果。通過將無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)應(yīng)用到公路、鐵路、管道工程等長(zhǎng)距離線狀工程中，可以掌握項(xiàng)目短時(shí)間內(nèi)穿越區(qū)域植被、水系和水土流失的基本情況，然后在此基礎(chǔ)上合理規(guī)劃項(xiàng)目建設(shè)責(zé)任范圍，能夠合理開展水土保持分區(qū)和水土保持防治措施布局工作。相關(guān)管理部門可以根據(jù)無(wú)人機(jī)影像和地形模型等資料，來合理確定土場(chǎng)和渣場(chǎng)的具體位置，對(duì)當(dāng)前水土流失量進(jìn)行預(yù)測(cè)，并在該基礎(chǔ)上完成水土保持措施設(shè)計(jì)工作，更好判斷水土流失基本措施的合理性和有效性。

工程建設(shè)期間水土保持監(jiān)測(cè)工作。在工程建設(shè)過程中，通過對(duì)無(wú)人機(jī)的應(yīng)用，可以對(duì)水土保持方案落實(shí)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，掌握工程開展情況、施工便道擾動(dòng)土地利用情況、水土保持具體措施等。通過對(duì)人機(jī)交互圖斑方式來提取擾動(dòng)土地、取土棄土場(chǎng)、土壤流失、水保措施等基本情況。通過疊加不同時(shí)期取土場(chǎng)放量，來周期性掌握地表變化情況。此外，還可以直接利用DSM來提取植被的覆蓋度、土地利用類型，然后結(jié)合設(shè)計(jì)降雨量來計(jì)算土壤侵蝕強(qiáng)度和水土流失量，掌握當(dāng)前工程水土保持情況、植物措施和各種臨時(shí)防治措施。通過合理使用無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)，測(cè)量水土保持工程建設(shè)項(xiàng)目各種技術(shù)指標(biāo)數(shù)據(jù)，來全面、及時(shí)了解當(dāng)前水土保持基本情況，掌握水土流失時(shí)空分布和動(dòng)態(tài)變化情況，加強(qiáng)對(duì)環(huán)境污染控制，為開展現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)管取證工作提供各種必要的依據(jù)。進(jìn)一步提升定性和半定量監(jiān)理、監(jiān)測(cè)效果，能夠更加有效反映出當(dāng)前水土流失基本情況，為開展水土保持工程項(xiàng)目資料查詢、管理和決策提供必要的依據(jù)。

竣工階段水土保持驗(yàn)收評(píng)估。在開展水土保持工程竣工驗(yàn)收過程中，可以直接利用無(wú)人機(jī)全角度監(jiān)測(cè)項(xiàng)目對(duì)環(huán)境造成的實(shí)際情況，直接在地理信息系統(tǒng)中勾畫出來相關(guān)工程范圍、土地整治率、水土流失總治理度、林草覆蓋率等水土保持落實(shí)基本情況和效果，對(duì)水土保持措施應(yīng)用情況進(jìn)行評(píng)估，然后通過相關(guān)影像來發(fā)現(xiàn)各種隱蔽區(qū)域和容易忽視的區(qū)域，進(jìn)一步掌握這些區(qū)域位置、規(guī)模和實(shí)際影響情況，督促相關(guān)方在開展竣工驗(yàn)收工作前及時(shí)采取措施進(jìn)行解決，保證驗(yàn)收工程開展效果。

案例分析。公路、鐵路等工程水土流失范圍相對(duì)廣泛，對(duì)周圍環(huán)境容易造成較大程度的影響，區(qū)域發(fā)生水土流失類型和形式相對(duì)復(fù)雜，其開展水土保持工作的重點(diǎn)是施工擾動(dòng)情況，如施工便道、取土場(chǎng)和水土保持實(shí)施情況等。如果使用傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法，容易出現(xiàn)監(jiān)測(cè)誤差大、費(fèi)用使用多、工作效率低的特點(diǎn)，一旦在時(shí)間上存在較大的局限性，容易導(dǎo)致發(fā)生嚴(yán)重的水土流失危害問題。通過對(duì)無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的合理使用，可以在較短時(shí)間內(nèi)完成各種遙感影像信息的提取，更加及時(shí)、準(zhǔn)確反映水土流失和水土保持的基本情況，滿足定期監(jiān)測(cè)開展基本要求。通過在重慶到萬(wàn)州鐵路工程中引入無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)技術(shù)，可以直接利用pix4UAV軟件來形成路兩側(cè)1公里內(nèi)環(huán)境正射影像，對(duì)目標(biāo)區(qū)域的工程進(jìn)展、水土保持監(jiān)測(cè)位置、數(shù)量和施工進(jìn)度情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并使用Global mapper 15軟件來直接提取出其中的水土保持措施、建設(shè)占地、擾動(dòng)地表面積、植被類型，然后在此基礎(chǔ)上計(jì)算得到挖方量、棄土量、當(dāng)墻工程量、截排水工程量，能夠更加及時(shí)、準(zhǔn)確反應(yīng)工程施工中的水土流失情況，為相關(guān)部門開展工作，創(chuàng)造良好的條件。

無(wú)人機(jī)的單次飛行電池續(xù)航時(shí)間較短（大疆精靈4rtk為20-25分鐘），受限于續(xù)航時(shí)間，無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)較適合使用于小型點(diǎn)型項(xiàng)目的全域拍攝，對(duì)線路較長(zhǎng)的線型項(xiàng)目和面積較大的園區(qū)類型項(xiàng)目較難進(jìn)行全域拍攝，但仍然可用于對(duì)典型區(qū)域和重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行航拍和監(jiān)測(cè)。在犧牲一定分辨率的情況下，仍然可以采取提高飛行高度和區(qū)域分割拍攝的辦法對(duì)較大面積的園區(qū)類項(xiàng)目進(jìn)行全域拍攝。在實(shí)際工作中，應(yīng)對(duì)航拍工作量較大的項(xiàng)目區(qū)，需要配備多塊無(wú)人機(jī)電池，或配備充電設(shè)施進(jìn)行充電，對(duì)電池循環(huán)使用。

4.問題與對(duì)策

當(dāng)前，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用還存在較多的不足，還需要在相關(guān)方面工作中投入更多的力氣進(jìn)行研究和改進(jìn)，將無(wú)人機(jī)“空天地一體化”優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮出來，并能夠與地面監(jiān)測(cè)技術(shù)與衛(wèi)星遙感技術(shù)結(jié)合進(jìn)行使用，為開展水土保持服務(wù)提供更加全面的服務(wù)。無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)在水土保持監(jiān)測(cè)中應(yīng)用還沒有形成完善的技術(shù)路線和技術(shù)規(guī)范。當(dāng)前，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在水土保持中的應(yīng)用還處于不斷探索的階段，還需要深入開展各種水土保持試驗(yàn)示范區(qū)建設(shè)，制定出相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，讓其不斷朝著系列化和標(biāo)準(zhǔn)化的方向發(fā)展，從而形成一套完整的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)前，在無(wú)人機(jī)使用過程中，其還是容易受到載荷和空間限制，在水土保持應(yīng)用中還需要大量依靠可見光波段傳感器，為了能夠有效滿足水土保持和生態(tài)環(huán)境影響評(píng)價(jià)的相關(guān)要求，其可以直接使用紅外、高光譜傳感器等，讓其在水源保護(hù)區(qū)水土及植被保護(hù)中充分發(fā)揮自身的作用。通過對(duì)光譜成像儀的使用，可以更加全面對(duì)水環(huán)境質(zhì)量和植物生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)演化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而對(duì)生產(chǎn)建設(shè)對(duì)生態(tài)環(huán)境影響進(jìn)行評(píng)價(jià)。另外，在無(wú)人機(jī)當(dāng)中會(huì)搭載使用各種環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備，其可以在各種監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中進(jìn)行使用，并以環(huán)境監(jiān)測(cè)因子全系列發(fā)展作為基本的目標(biāo)，需要研制出專門的水、氣、生態(tài)無(wú)人機(jī)采樣平臺(tái)，特別是各種重量輕、體積小、抗震性好的各種設(shè)備，對(duì)近地和低空環(huán)境開展采樣分析工作，為各種常規(guī)監(jiān)測(cè)方法應(yīng)用提供各種必要的補(bǔ)充，能夠更加高效和實(shí)時(shí)開展水環(huán)境因子監(jiān)測(cè)工作。

5.結(jié)語(yǔ)

綜上所述，無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)結(jié)合GIS技術(shù)可有效利用于開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)工作，特別是點(diǎn)型項(xiàng)目，可極大減少監(jiān)測(cè)外業(yè)工作量，同時(shí)提高監(jiān)測(cè)精度。通過選取適合的無(wú)人機(jī)，掌握正確的航拍方法，熟練使用圖形處理軟件，并熟練使用GIS軟件中的數(shù)據(jù)解譯方法提取數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)結(jié)合GIS技術(shù)在開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。