基于無人機(jī)遙感技術(shù)的水土保持生態(tài)建設(shè)監(jiān)測(cè)實(shí)踐研究

何東禮

（張掖市甘蘭水利水電建筑設(shè)計(jì)院，甘肅 張掖 734000）

目前，我國(guó)出臺(tái)了一系列水土保持相關(guān)律法，要求大型及中型生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目均需開展水土保持生態(tài)建設(shè)監(jiān)測(cè)工作，以了解生產(chǎn)建設(shè)對(duì)水土流失所造成的影響。部分規(guī)模較大的點(diǎn)型或線型項(xiàng)目在建設(shè)時(shí)，需要引入遙感監(jiān)測(cè)方式、嚴(yán)格按照規(guī)定的監(jiān)測(cè)頻次及精度要求實(shí)施監(jiān)測(cè)。在水土保持生態(tài)建設(shè)遙感監(jiān)測(cè)工作開展中，還應(yīng)采取事中監(jiān)測(cè)與事后監(jiān)管相結(jié)合的監(jiān)測(cè)方法，采用無人機(jī)、遙感設(shè)備等先進(jìn)技術(shù)作為支持，確保水土保持生態(tài)建設(shè)監(jiān)測(cè)任務(wù)的高質(zhì)效完成[1]。

1 項(xiàng)目概況

某抽水蓄能電站工程在建設(shè)時(shí)，設(shè)計(jì)裝機(jī)容量為1 280 MW，需要安裝容量均為320 MW的水泵水輪發(fā)電機(jī)4臺(tái)。此水利工程項(xiàng)目建設(shè)位置在亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)內(nèi)，氣候溫潤(rùn)多雨，全年降雨量較大，年平均降水量約為2 180 mm，降雨時(shí)間主要集中在夏季時(shí)節(jié)。本項(xiàng)目建設(shè)區(qū)的地層主要為赤紅壤，建設(shè)區(qū)周邊栽種的是常綠闊葉林，大多數(shù)為次生闊葉林，具備較大的林草覆蓋面積，覆蓋率高達(dá)85%。為防止本項(xiàng)目建設(shè)導(dǎo)致大量水土流失，保障建設(shè)區(qū)域生態(tài)環(huán)境不遭到嚴(yán)重破壞，在本項(xiàng)目建設(shè)過程中，同步采用了無人機(jī)遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)分析水土保持生態(tài)建設(shè)的實(shí)施成效。

2 水土保持生態(tài)建設(shè)監(jiān)測(cè)中無人機(jī)遙感技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用

2.1 無人機(jī)運(yùn)行參數(shù)設(shè)置

2.1.1 彈射式高空巡航無人機(jī)

以彈射式起飛的高空巡航無人機(jī)機(jī)體自重4.3 kg，機(jī)體上加載3 640萬(wàn)像素的相機(jī)。飛行時(shí)速設(shè)置為65 km/h，飛行時(shí)間為50 min，共設(shè)置3個(gè)飛行高度，分別為300 m、600 m與900 m，不同飛行高度下地面采樣距離分別為4.2 cm、8.4 cm與12.6 cm。此無人機(jī)在拍攝地面影像前需要做好航線規(guī)劃設(shè)計(jì)，在地面上適合位置選取控制點(diǎn)，加載固定相機(jī)后應(yīng)按照規(guī)劃好的航線飛行，以便采集到中心投影影像。

2.1.2 垂直式低空飛行無人機(jī)

此無人機(jī)機(jī)身較輕，總重僅有2.9 kg，飛行時(shí)速最高可達(dá)79 km/h，飛行總時(shí)長(zhǎng)為18 min，機(jī)身搭載的是1 2 4 0萬(wàn)像素的相機(jī)，其影像傳感器僅為2.3 i n（1in=2.54 cm），采用的是20 mm鏡頭，設(shè)置3個(gè)航高，分別為100 m、200 m、300 m，各航高下地面采樣距離依次為4.33 cm、8.65 cm與12.98 cm。此種無人機(jī)能夠結(jié)合監(jiān)測(cè)需求在航拍過程中隨時(shí)調(diào)整航線，可采用軟件對(duì)采集的正射影像、數(shù)字地理模型數(shù)據(jù)進(jìn)行后期處理。

2.2 水土保持?jǐn)?shù)據(jù)處理

本項(xiàng)目在獲取到正射影像圖之后，利用arcGIS10.2軟件進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)處理，由于無人機(jī)航拍采用的是高分辨率相機(jī)，獲取到的影像清晰度較高。

2.2.1 擾動(dòng)面積數(shù)據(jù)提取

首先利用直接判讀法提取擾動(dòng)面積數(shù)值，結(jié)合解譯出的數(shù)據(jù)繪制出項(xiàng)目區(qū)受到擾動(dòng)的土地分布圖，并以防治責(zé)任范圍專題圖為依據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，將這兩個(gè)圖做矢量疊加處理，再比對(duì)項(xiàng)目區(qū)人為擾動(dòng)面積及防治責(zé)任范圍，進(jìn)而利用綜合分析法確定擾動(dòng)面積是否超限[2]。

2.2.2 水土流失情況分析

一是土壤流失面積大小，主要是由人工采取目視解譯方法提取利用無人機(jī)拍攝影像相關(guān)數(shù)據(jù)。二是土壤受侵蝕強(qiáng)度，通過目視解譯方法提取土地利用數(shù)據(jù)，并利用VDVI指標(biāo)計(jì)算得出植被覆蓋率，采用高程模型構(gòu)建的方式獲取坡度信息，在這些數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，根據(jù)最新土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出土壤侵蝕強(qiáng)度。三是水土流失所產(chǎn)生的危害程度，由地面監(jiān)測(cè)點(diǎn)驗(yàn)證分析土壤侵蝕強(qiáng)度結(jié)果，了解本項(xiàng)目區(qū)內(nèi)不同侵蝕強(qiáng)度土壤的分布狀況，進(jìn)而明確水土流失所產(chǎn)生的危害。

2.2.3 水土保持措施解譯

在水土保持生態(tài)建設(shè)監(jiān)測(cè)過程中，要判斷水土保持措施應(yīng)用的科學(xué)性，因而需要對(duì)水土保持措施應(yīng)用相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行解譯處理[3]。本工程采取的水土保持措施共有三種，主要是擋墻砌筑、排水溝等工程措施，在此基礎(chǔ)上還采取了撒播草籽、栽種樹木等植物措施，并在部分區(qū)域應(yīng)用了無紡布覆蓋等臨時(shí)措施。數(shù)據(jù)處理人員可采用人工目視解譯方法對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)的水土保持措施資料進(jìn)行解譯處理，以便得出水土保持措施應(yīng)用效果分析結(jié)論。

2.2.4 棄土場(chǎng)解譯

在對(duì)棄土場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，同樣需要提取土地?cái)_動(dòng)面積、水土保持措施應(yīng)用相關(guān)數(shù)據(jù)。這兩項(xiàng)數(shù)據(jù)可采用人工目視方法解譯得出，同時(shí)還需要獲取土方量及棄土方量的具體數(shù)值。此數(shù)據(jù)的獲取主要利用arcGIS10.2軟件完成，需要以高分辨率無人機(jī)飛行時(shí)拍攝到兩組數(shù)字地理模型數(shù)據(jù)為依據(jù)，通過差值計(jì)算得出具體的土方量數(shù)據(jù)。

2.2.5 水土保持設(shè)計(jì)變更判讀

設(shè)計(jì)變更情況的分析要以主體工程位置、取土場(chǎng)位置、工程數(shù)量三個(gè)主要數(shù)據(jù)的提取與分析作為判定基準(zhǔn)[4]。分析過程中需要采取地理配準(zhǔn)方法，從無人機(jī)航拍獲取到的影像中提取這三個(gè)數(shù)據(jù)，而后與本項(xiàng)目的水土保持防治分區(qū)圖進(jìn)行對(duì)比，并結(jié)合水土保持防治責(zé)任范圍圖及項(xiàng)目工程施工布置圖等相關(guān)資料，判讀出本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)變更情況。

3 基于無人機(jī)遙感技術(shù)的水土保持生態(tài)建設(shè)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.1 水土保持生態(tài)建設(shè)監(jiān)測(cè)結(jié)果

3.1.1 擾動(dòng)土地面積監(jiān)測(cè)結(jié)果通過人工目視解譯的擾動(dòng)土地面積數(shù)據(jù)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，本工程施工建設(shè)時(shí)產(chǎn)生了一定的土地?cái)_動(dòng)現(xiàn)象，但影響范圍不大，所產(chǎn)生的土地?cái)_動(dòng)面積共計(jì)116 hm2。通過將擾動(dòng)面積圖與水土保持防治責(zé)任范圍圖做矢量疊加處理后發(fā)現(xiàn)，本項(xiàng)目的土地?cái)_動(dòng)面積未超出防治責(zé)任范圍，說明土地?cái)_動(dòng)并未對(duì)生態(tài)建設(shè)帶來較大影響。

3.1.2 水土流失監(jiān)測(cè)結(jié)果

通過目視解譯、綜合判別方法，結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)分析得出，本項(xiàng)目的土壤侵蝕以水力侵蝕為主，大多數(shù)區(qū)域?yàn)槲⒍惹治g，水土保持措施布置較為完整，取得了良好的防治成效。其中，項(xiàng)目區(qū)上庫(kù)公路兩邊由于實(shí)施的混凝土噴射護(hù)坡保護(hù)措施，并栽種了相應(yīng)的綠化植物，起到了一定的水土保持防護(hù)效果，因而侵蝕強(qiáng)度較輕微。棄渣場(chǎng)實(shí)施了土地平整處理，同時(shí)也栽種了植物，由于水土保持防護(hù)措施落實(shí)度良好，屬于輕度侵蝕區(qū)。而上庫(kù)采石場(chǎng)因已棄用而未實(shí)施水土保持防護(hù)措施，因而水土流失較為嚴(yán)重，屬于土壤強(qiáng)度侵蝕較為劇烈的區(qū)域。

3.1.3 水土保持措施監(jiān)測(cè)結(jié)果

本項(xiàng)目上庫(kù)區(qū)域綜合應(yīng)用了多種水土保持措施，根據(jù)無人機(jī)影像圖顯示，植被生產(chǎn)狀況較佳，植被區(qū)形狀規(guī)則，并且具備相對(duì)清晰的紋理，可利用目視解譯無人機(jī)影像統(tǒng)計(jì)出各個(gè)區(qū)域的水土保持措施實(shí)施數(shù)據(jù)。本項(xiàng)目區(qū)的水土保持措施以漿砌石護(hù)坡為主，護(hù)坡面積為3 298 m2。且道路兩側(cè)各挖掘了一條長(zhǎng)度為141.5 m的排水溝。道路左側(cè)設(shè)置了92 m的截水溝，其他區(qū)域采取撒播草籽的方式實(shí)施了綠化處理，并在其上臨時(shí)加蓋了無紡布，臨時(shí)措施保護(hù)面積為198.5 m2左右。

3.1.4 棄土場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果

根據(jù)無人機(jī)正射影像圖，結(jié)合項(xiàng)目施工平面圖，完成了本項(xiàng)棄土場(chǎng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。通過分析本項(xiàng)目區(qū)副壩四壩后棄渣場(chǎng)遙感監(jiān)測(cè)圖發(fā)現(xiàn)，該渣場(chǎng)的棄渣工作已完成，并且渣場(chǎng)實(shí)施了水土保持防護(hù)措施，整個(gè)渣場(chǎng)共計(jì)占用土地3.93 hm2，在棄渣之后已由施工人員做好了土地平整處理，并在棄渣場(chǎng)周邊栽種了大量植物，起到了一定的水土保持效果。通過數(shù)據(jù)解譯得出，該渣場(chǎng)處坡腳處采取了多項(xiàng)水土保持工程措施，修建了長(zhǎng)13 m、高50 cm的擋墻，并建有長(zhǎng)度為2 m的方形沉砂池，除此之外，還在渣場(chǎng)外圍修建了排水溝，溝寬為60 cm，這些措施均為本項(xiàng)目水土流失起到了一定的防控成效。

3.1.5 水土保持設(shè)計(jì)變更監(jiān)測(cè)結(jié)果

本項(xiàng)目在項(xiàng)目區(qū)內(nèi)選取了多個(gè)控制點(diǎn)，主要為道路、建筑物以及水域等，將高分辨率無人機(jī)影像圖與項(xiàng)目施工布置圖進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)對(duì)這些典型區(qū)域的變化情況分析明確了項(xiàng)目實(shí)際建設(shè)內(nèi)容，了解了各項(xiàng)目建設(shè)地點(diǎn)，并結(jié)合對(duì)比結(jié)果得出項(xiàng)目設(shè)計(jì)變更情況的分析結(jié)論。通過無人機(jī)影像圖發(fā)現(xiàn)，監(jiān)測(cè)圖像中下部出現(xiàn)了一片灰色區(qū)域，通過矢量疊加分析發(fā)現(xiàn)原施工布置圖中無此區(qū)域，此處屬于項(xiàng)目施工建設(shè)時(shí)臨時(shí)增設(shè)的棄土場(chǎng)，說明本項(xiàng)目中有設(shè)計(jì)變更現(xiàn)象。因此，監(jiān)測(cè)單位將此結(jié)果提交給建設(shè)單位，并建議其及時(shí)制作棄渣場(chǎng)變更設(shè)計(jì)，并上交給相關(guān)部門留檔備案。

3.2 水土保持生態(tài)建設(shè)監(jiān)測(cè)中無人機(jī)應(yīng)用效果分析

3.2.1 無人機(jī)監(jiān)測(cè)適用性情況

本項(xiàng)目應(yīng)用無人機(jī)遙感技術(shù)完成了水土保持生態(tài)建設(shè)情況監(jiān)測(cè)實(shí)踐，經(jīng)過對(duì)實(shí)踐結(jié)果分析得知，此技術(shù)能夠高質(zhì)量、高效率完成土地?cái)_動(dòng)面積監(jiān)測(cè)、取土場(chǎng)監(jiān)測(cè)、水土保持措施應(yīng)用情況監(jiān)測(cè)等多項(xiàng)監(jiān)測(cè)任務(wù)。同時(shí)，在項(xiàng)目區(qū)工程資料應(yīng)用的基礎(chǔ)上，還可實(shí)施水土保持工程設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)、水土流失防治指標(biāo)落實(shí)情況監(jiān)測(cè)工作，并取得了良好的應(yīng)用成效。由于無人機(jī)體積小、飛行靈活，搭載的攝像機(jī)分辨率較高，能夠精準(zhǔn)獲取生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目的水土保持相關(guān)數(shù)據(jù)，因而在水土保持生態(tài)建設(shè)監(jiān)測(cè)方面具有較高的適用性。

3.2.2 無人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)弊端

雖然無人機(jī)遙感技術(shù)具備良好的監(jiān)測(cè)功能，然而實(shí)踐應(yīng)用中也可能會(huì)出現(xiàn)一定的數(shù)據(jù)誤差。主要是因?yàn)楸卷?xiàng)目建設(shè)區(qū)的地形條件相對(duì)復(fù)雜，無人機(jī)搭載相機(jī)所拍攝的地面模型數(shù)據(jù)屬于表面高程數(shù)據(jù)，植被高度、地形條件均會(huì)影響到數(shù)據(jù)精度，因而通過監(jiān)測(cè)高程動(dòng)態(tài)分析土石方變化情況時(shí)可能產(chǎn)生誤差，以坡度為依據(jù)計(jì)算土地侵蝕強(qiáng)度時(shí)所得結(jié)論也可能不夠精準(zhǔn)。由于本項(xiàng)目屬于點(diǎn)狀工程，無人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)效果良好，但對(duì)于具備更長(zhǎng)監(jiān)測(cè)線路的線型工程而言，應(yīng)用無人機(jī)遙感技術(shù)時(shí)可能存在工作量過大的情況[5]。

3.2.3 無人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果精度

在水土保持生態(tài)建設(shè)項(xiàng)目中，無人機(jī)遙感技術(shù)的應(yīng)用具備監(jiān)測(cè)精度高、監(jiān)測(cè)效率快、監(jiān)測(cè)自動(dòng)化程度高三方面優(yōu)勢(shì)。在項(xiàng)目建設(shè)過程中，對(duì)土地挖掘頻次大、工程建設(shè)地形相對(duì)復(fù)雜的項(xiàng)目而言，應(yīng)用無人機(jī)遙感技術(shù)能夠同時(shí)提升監(jiān)測(cè)的精度與安全性。線型工程也可采取無人機(jī)遙感技術(shù)定期監(jiān)測(cè)棄渣場(chǎng)以及易出現(xiàn)水土流失問題的關(guān)鍵區(qū)域。相較于普通監(jiān)測(cè)方式而言，此技術(shù)能夠獲取到更加全面、客觀與精準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，所得出監(jiān)測(cè)結(jié)果的精度也更高。

3.2.4 兩種無人機(jī)應(yīng)用情況

通過對(duì)本項(xiàng)目所應(yīng)用的兩種類型的無人機(jī)方面分析可知，相較于垂直起飛的低空飛行無人機(jī)而言，采用彈射式起飛模式的高低巡航無人機(jī)巡航面積更大，并且所獲取的數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度更高，然而此種無人機(jī)起落時(shí)對(duì)于場(chǎng)地條件的要求較高。在本項(xiàng)目中，由于地形條件相對(duì)復(fù)雜，彈射式起飛的無人機(jī)應(yīng)用并不方便，而垂直起飛的低空飛行無人機(jī)因?qū)?chǎng)地要求不高而更易操作，能夠便捷完成水土保持生態(tài)建設(shè)監(jiān)測(cè)任務(wù)。因此，針對(duì)地形復(fù)雜的點(diǎn)狀工程，垂直起飛模式的無人機(jī)具備更高應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

由于無人機(jī)遙感技術(shù)具備監(jiān)測(cè)范圍廣、操作便利、數(shù)據(jù)影像清晰度高等優(yōu)勢(shì)，成為水土保持生態(tài)建設(shè)監(jiān)測(cè)中的重要手段，可與衛(wèi)星遙感技術(shù)形成互補(bǔ)，提升監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度。結(jié)合項(xiàng)目工程中無人機(jī)遙感技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，此技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)水土保持生態(tài)建設(shè)相關(guān)信息的快捷化、高精度、自動(dòng)化獲取?！?/p>