水土保持監(jiān)測中新型無人機低空遙測技術(shù)的應用實踐

楊紅霞

(甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司,甘肅 蘭州 730030)

水土保持監(jiān)測就是指調(diào)查人員為了摸清水土流失類型，強度與分布特征、危害及其影響情況、及時掌握水土流失發(fā)展規(guī)律，動態(tài)變化趨勢等調(diào)查、測量、評估水土保持效益，經(jīng)常用于生態(tài)環(huán)境建設與生產(chǎn)項目建設中，尤其是在生態(tài)環(huán)境較為脆弱的地區(qū)開發(fā)生產(chǎn)建設項目，做好水土保持監(jiān)測工作尤為重要，可以保證生產(chǎn)建設項目的可持續(xù)進行。在該工作開展過程中，新型無人機低空遙測技術(shù)具有重要的作用，相比于傳統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)而言，新型無人機低空遙測技術(shù)能夠快速且準確地獲取檢測結(jié)果。

1 生產(chǎn)建設項目水土保持監(jiān)測問題

1.1 客觀方面

從客觀層面來講，大部分生產(chǎn)建設項目區(qū)以中度水力侵蝕為主、兼具輕度風力侵蝕，生態(tài)環(huán)境較為脆弱，如黃土高原區(qū)、風沙區(qū)、鹽堿地等則土壤肥力相對較差，土壤容重較小，土壤的可蝕性較強，如得不到有效的治理，土壤養(yǎng)分將會逐漸散失。

1.2 主觀方面

生產(chǎn)建設單位不重視施工過程中的水土保持管理工作，建設單位與各參建單位之間不能實現(xiàn)有機的上下聯(lián)動，設計單位在水土保持措施設計中未遵循“因地制宜、因害防設、適地適樹”的理念進行設計，施工單位人員水土保持意識淡薄，“三同時”制度的落實不到位等。因此水土保持工作效率和質(zhì)量亟需提升。

2 新型無人機低空遙測技術(shù)概述

新型無人機低空遙測技術(shù)是指以無人機和遙測技術(shù)為核心，將無人機在低空高度飛行，利用遙測技術(shù)獲取被檢測區(qū)域?qū)嶋H情況的一種技術(shù)手段，新型無人機低空遙測技術(shù)具有如下幾項特征：（1）無人機的承載能力較強，能夠有效承載地面測量系統(tǒng)中的多項機電設備，例如信號接收機、天線設備以及其他多種設備，承載能力較高的特性使得其所搭載的系統(tǒng)更加完善，能夠為水土保持監(jiān)測工作提供更加有力的支持。（2）新型低空無人機遙測技術(shù)成本較低，傳統(tǒng)的測繪技術(shù)需要開展大量外業(yè)工作，花費較多的資源和人力成本，而通過采用新型低空無人機遙測技術(shù)，能夠有效降低水土保持監(jiān)測中各項成本投入[1]。（3）新型低空無人機遙測技術(shù)分辨力較高，與衛(wèi)星遙感技術(shù)相比，無人機所獲取的遙感圖像分辨率更高，且不會受到作業(yè)環(huán)境的影響，精度可以達到厘米級別。（4）新型低空無人機遙測技術(shù)靈活性較高，能夠根據(jù)實際測量需求，對工作模式進行實時調(diào)整，從而能夠提高水土保持監(jiān)測工作效率。

3 新型無人機低空遙測技術(shù)在水土保持工作中的方案設計

3.1 項目概況

文章以新建中衛(wèi)至蘭州鐵路為例，正線全長173.458 km，1 396.45公頃，其中永久占地853.11公頃，原地表平均土壤侵蝕模數(shù)在 3 000t/ km2·a左右。沿線地貌類型主要為中低山丘陵區(qū)，土壤類型主要為黃綿土、灰鈣土和黑爐土，植被類型為溫帶荒漠植被，平均林草覆蓋率10%～15%。沿線河流屬黃土高原，自然環(huán)境較為脆弱，因此在施工過程中應該做好水土保持監(jiān)測。

監(jiān)測內(nèi)容主要包括擾動土地情況、取土（石、料）、棄土（石、渣）情況、水土流失情況、水土保持措施等，監(jiān)測期 6.5 年，采用定點監(jiān)測、調(diào)查、巡查與新型無人機低空遙測技術(shù)結(jié)合的監(jiān)測方法，本工程共設置監(jiān)測點位12 處。

3.2 全面調(diào)查與重點觀測相結(jié)合

全面監(jiān)測是對整個水土保持防治責任范圍而言，是全面了解防治責任范圍內(nèi)的水土流失環(huán)境狀況，以便分析水土保持工程實施過程和投入使用初期的水土流失及防治效果狀態(tài)。從對象上看應該把重點放在路基邊坡、取土場、棄土（渣）場、施工便道及施工生產(chǎn)生活區(qū)等，在這些區(qū)域，應加大監(jiān)測頻次，動態(tài)觀測可能出現(xiàn)的土壤流失及其相關(guān)因子。

3.3 觀測內(nèi)容與水土保持責任分區(qū)相結(jié)合

生產(chǎn)建設項目的不同防治責任分區(qū)，具有不同的水土流失特點，為了治理水土流失需要采取相應的水土保持工程，監(jiān)測內(nèi)容也必須充分反映各個分區(qū)的水土流失特征、水土保持工程及其效果。

4 新型無人機低空遙測技術(shù)在水土保持監(jiān)測中的具體應用方式

4.1 應用準備工作

在對監(jiān)測區(qū)域進行測量之前，工作人員需要做好全面且詳細的準備工作，防止因準備不夠全面耽誤測繪工作進程或?qū)y量結(jié)果的準確性造成影響，為測量工作更好地開展打下基礎。在使用新型無人機低空遙測技術(shù)之前，需要對無人機設備、遙感測繪設備的運行情況以及攝影設備的運行情況進行全面的檢查，飛行設備中使用的無人機需要提前向有關(guān)部門進行報備，防止出現(xiàn)意外情況。無人機在使用之前需要安排工作人員進行試飛工作，檢查無人機是否可以正常運行，防止無人機出現(xiàn)故障影響監(jiān)測區(qū)域測量結(jié)果的準確性。其次，水土保持監(jiān)測工作需要采用完善的管理制度，檢測人員、技術(shù)人員等工作人員需要嚴格按照監(jiān)測區(qū)域測量流程和規(guī)范進行操作，并主動邀請監(jiān)督部門到監(jiān)測區(qū)域測量現(xiàn)場進行航拍監(jiān)督和管理[2]。第三，在使用新型無人機低空遙測技術(shù)時，需要選擇合理的監(jiān)測點位，因此需要工作人員進行仔細的前期監(jiān)測區(qū)域場地調(diào)查工作，按照被監(jiān)測區(qū)域的實際情況設置科學的監(jiān)測點，保證監(jiān)測點布置成平高點，工作人員需要做到對水土保持整體的流程加以明確，掌握無人機的飛行線路，從而能夠確保各個監(jiān)測點的布置均勻且合理，同時需要注意的是，監(jiān)測點位的布置要將被監(jiān)測區(qū)域的整體包圍起來，防止出現(xiàn)被監(jiān)測區(qū)域有部分區(qū)域無法被拍監(jiān)測的情況，才能夠?qū)⒈猾@得水土保持監(jiān)測區(qū)域整體的信息和數(shù)據(jù)進行測繪，提高水土保持監(jiān)測結(jié)果的全面性。

4.2 水土保持監(jiān)測質(zhì)量控制

新型無人機低空遙測技術(shù)是通過無人機來對一定區(qū)域進行水土保持監(jiān)測工作，所以在監(jiān)測過程中需要對質(zhì)量進行把控。通過無人機遙測技術(shù)對該區(qū)域監(jiān)測時，可以結(jié)合GPS、GIS等技術(shù)加以輔助，提高監(jiān)測工作的效率和測繪結(jié)果的準確性。在實際監(jiān)測的過程中，要利用無人機來掌握影響數(shù)據(jù)質(zhì)量的因素，且要確保在光纖均勻、無遮擋的基礎上開展測繪工作，防止因外部因素對監(jiān)測結(jié)果的準確性造成影響。其次，要確保通過新型無人機低空遙測技術(shù)拍獲取遙感影像的清晰度，對于各種地物要能夠直觀的進行辨認，能夠繪制多種地物的輪廓，還要使相鄰影像之間相同地物色調(diào)保持一致，遙測區(qū)的影像色調(diào)效果要保持均勻。為了進一步提高水土保持監(jiān)測工作的整體質(zhì)量，需要結(jié)合監(jiān)測工作當時的天氣情況、陽光照射強度等對曝光參數(shù)進行調(diào)整，使曝光參數(shù)與光照強度相匹配，能夠有效防止出現(xiàn)遙感影像不清晰的問題[3]。當無人機遙感監(jiān)測結(jié)束之后，要通過飛行管理軟件對所獲取的監(jiān)測區(qū)域監(jiān)測點GPS坐標數(shù)據(jù)進行分析和處理，如果發(fā)現(xiàn)所獲取遙測影像的坐標與飛行路線設計不符合的情況，要重新進行監(jiān)測工作，將所遺漏的監(jiān)測點補足，并將所收集到的監(jiān)測區(qū)域測量數(shù)據(jù)盡快保存和處理，將監(jiān)測區(qū)域工作質(zhì)量報告交由質(zhì)量管控人員進行查驗，如果發(fā)現(xiàn)存在問題，要立即進行調(diào)整，從而能夠提升水土保持監(jiān)測工作質(zhì)量。

4.3 水土保持監(jiān)測數(shù)據(jù)處理

新型無人機低空遙測技術(shù)在水土保持監(jiān)測區(qū)域工作中的應用，能夠通過遙感測繪技術(shù)對獲取的數(shù)據(jù)進行處理，結(jié)合相關(guān)的軟件設計以及處理程序，就能夠達到良好的預處理效果。低空無人機遙測數(shù)據(jù)處理是保證受水土保持監(jiān)測數(shù)據(jù)和信息準確性、實效性的基礎性工作。通過對需要測水土保持監(jiān)測區(qū)域場地區(qū)域、界址點進行確定，再結(jié)合其他技術(shù)對水土保持監(jiān)測區(qū)域的測量數(shù)據(jù)進行采集，之后記錄所測量的數(shù)據(jù)，再進行數(shù)據(jù)對比，就能夠有效判斷出測量結(jié)果的準確性；通過三維建模的應用，能夠?qū)λO(jiān)測的數(shù)據(jù)進行完整的建模，并將建模的細節(jié)呈現(xiàn)，還可以借助三維掃描技術(shù)，對數(shù)據(jù)信息的準確進行判斷。無人機新型無人機低空遙測技術(shù)在數(shù)據(jù)處理方面有著明顯的優(yōu)勢，能夠有效提高屬水土保持監(jiān)測區(qū)域測量數(shù)據(jù)的準確性，從而更加明確當前區(qū)域存在的水土流失問題[4]。

在本次應用實踐中，分別采用PhotoScan、PixelMosaic以及Pix4dmapper對無人機低空遙感影像進行處理，監(jiān)測區(qū)域的各項指標與水土保持工作量。利用上述3個軟件對數(shù)據(jù)進行處理，監(jiān)測區(qū)域面積與實測面積的誤差分別為3.7%、-3.0%以及1.6%，最大誤差絕對值為3.7%；監(jiān)測區(qū)域的實際情況與監(jiān)測結(jié)果差距較小，能夠滿足生產(chǎn)建設項目中水土保持監(jiān)測精度要求。本次水土保持監(jiān)測區(qū)域的數(shù)據(jù)處理結(jié)果如表1所示：

4.4 成果分析

在對該工程區(qū)域的監(jiān)測過程中，無人機飛行平均海拔為145 m，影像采集數(shù)量為23張，建模覆蓋面積超過0.10 km2，地面分辨率達到了4 cm，在沒有添加控制點的情況下，X方向絕對誤差僅為1.18 m，Y方向誤差僅為0.55 m，Z方向誤差僅為2.50 m，絕對精度與相對精度都能夠達到米級別，能夠滿足該工程建設中水土保持監(jiān)測需要。

5 新型無人機低空遙測技術(shù)在水土保持監(jiān)測中的應用優(yōu)化策略

通過上文的實踐應用案例可以明確，新型無人機低空遙測技術(shù)在水土保持監(jiān)測工作中具有良好的作用，所以需要持續(xù)強化對新型無人機低空遙測技術(shù)的應用，結(jié)合本次工程實踐中存在的些許不足，本文提出如下幾項新型無人機低空遙測技術(shù)的應用優(yōu)化策略：（1）提升監(jiān)測數(shù)據(jù)采集準確性。數(shù)據(jù)采集結(jié)果的準確性是水土保持監(jiān)測工作的核心內(nèi)容，與水土保持綜合治理方案編制有著直接、密切的關(guān)系，如果數(shù)據(jù)采集結(jié)果不準確，數(shù)據(jù)出現(xiàn)了偏差，導致出現(xiàn)工程建設區(qū)域?qū)嶋H信息與監(jiān)測信息不符的問題，從而導致水土保持治理質(zhì)量受到很大負面影響。新型無人機低空遙測技術(shù)在水土保持監(jiān)測中的應用，使得水土保持監(jiān)測的數(shù)據(jù)采集結(jié)果準確性有很大程度的提高，為此要保證信息和數(shù)據(jù)更加全面、精準度更高，能夠?qū)⑺帘３直O(jiān)測的多項信息真實的進行反應，從而為工程建設與水土保持工作提供支持。（2）提高參建人員水土保持意識，提高監(jiān)測效率。為了提高施工人員水土保持意識，在項目開工前，建設單位組織水保服務單位進行水土保持監(jiān)測技術(shù)交底，監(jiān)測單位從監(jiān)測技術(shù)路線、布局、內(nèi)容與方法、工作組織與質(zhì)量保證等方面詳細地介紹本項目監(jiān)測實施方案相關(guān)內(nèi)容，確保新型無人機低空遙測技術(shù)能夠得到落實，高度重視施工過程中的水土保持管理工作；將水土保持工程建設管理納入了項目建設管理體系，按照水土保持方案確定的建設內(nèi)容、進度安排、技術(shù)標準等，對工程質(zhì)量實施全過程、全方位的管理[5]。（3）強化設計，保證水土保持工作技術(shù)依據(jù)。為了保證后續(xù)工期監(jiān)測持續(xù)性和穩(wěn)定性，還應該對重點防治區(qū)水土保持情況進行任務分配，在采用新型無人機低空遙測技術(shù)時，依靠獲取的數(shù)據(jù)構(gòu)建水土保持監(jiān)測信息網(wǎng)，對管理監(jiān)測數(shù)據(jù)進行匯總和上報，編制監(jiān)測報告，對水土保持情況進行動態(tài)化分析和管理，根據(jù)監(jiān)測任務確定監(jiān)測頻次。新型無人機低空遙測技術(shù)在水土保持監(jiān)測中的應用，需要持續(xù)加強設計工作，結(jié)合科學的前期設計工作，能夠為后期工作打下良好的基礎。

6 結(jié)語

綜上所述，本次施工建設項目中，通過新型無人機低空遙測技術(shù)開展水土保持監(jiān)測，可以及時掌握施工期和運營初期項目區(qū)水土流失因子、水土保持措施實施及水土流失防治效果，明確項目區(qū)水土流失重點防治地段，新型無人機低空遙測技術(shù)在監(jiān)測工作中發(fā)揮出了良好等技術(shù)效果，為水土保持監(jiān)督管理、完工驗收及方案實施提供技術(shù)保障。