松遼水利委員會松遼流域水土保持監(jiān)測中心站

(吉林 長春 130021)

松遼流域利用無人機技術(shù)開展水土保持監(jiān)測的實踐與思考

松遼水利委員會松遼流域水土保持監(jiān)測中心站

(吉林 長春 130021)

無人機技術(shù)；水土保持；監(jiān)測；信息化

自2013年開始，松遼流域率先利用無人機遙測技術(shù)在水土保持工作中開展了大量實踐與探索。結(jié)合水土保持監(jiān)測與信息化工作面臨的新形勢和新要求，總結(jié)了無人機遙測技術(shù)在生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)督性監(jiān)測與天地一體化監(jiān)管、水土流失治理工程圖斑化管理、典型小流域水土保持信息化和水土流失突發(fā)事件監(jiān)測等工作中的應用情況，并提出了充實數(shù)據(jù)庫指標內(nèi)容、開展實時動態(tài)監(jiān)測與建立快速評價系統(tǒng)，以及繼續(xù)深入探索無人機遙測技術(shù)等方面的建議。

水土保持監(jiān)測與信息化是水土保持重要的基礎(chǔ)性工作。中共十八大以來，黨中央、國務院對新時期水土保持工作提出了全新的任務和更高的要求，水利部高度重視水土保持監(jiān)測與信息化工作，把其作為當前及今后一個時期的重要工作來安排部署[1]。當前，我國水土保持監(jiān)測主要包括地面狀況的宏觀監(jiān)測及徑流、泥沙監(jiān)測。其中地面狀況的宏觀監(jiān)測主要采用地面測量、GPS定點定位觀測、插釬觀測等傳統(tǒng)技術(shù)方法，以及自20世紀90年代末開始逐漸應用于水土保持監(jiān)測工作中的遙感技術(shù)。隨著各種類型遙感衛(wèi)星的應用，遙感影像分辨率大幅提高，遙感技術(shù)逐步被用于全國水土流失動態(tài)監(jiān)測、水土保持措施調(diào)查和生產(chǎn)建設(shè)項目監(jiān)督管理工作中，并在多個領(lǐng)域進行了水土保持精細化管理的初步嘗試，但其應用還存在影像購買成本高、數(shù)據(jù)訂購周期長、云層遮擋影響大等問題[2-3]。隨著無人機技術(shù)的不斷發(fā)展，其應用領(lǐng)域逐漸擴大，在獲取影像方面的獨特優(yōu)勢也逐步顯現(xiàn)出來：無人機監(jiān)測設(shè)備應用方式靈活，無需大面積起降場地；無人機攜帶方便，操作簡單，安全可靠，連續(xù)作業(yè)能力強；無人機飛行高度普遍低于云層高度，可拍攝高重疊率、高精度、大比例尺影像，在局部信息獲取方面存在巨大優(yōu)勢。運用無人機開展水土保持工作，在技術(shù)軟件支持下，能夠全自動、快速、高精度處理，實現(xiàn)航拍影像的快速拼接，精確地生成厘米級正射影像、超高比例尺地形數(shù)據(jù)和三維點云模型，獲取水土保持相關(guān)指標成果[4]。

從2013年底開始，在松遼流域逐步探索將無人機技術(shù)應用于水土保持行業(yè)相關(guān)工作，截至目前已裝備固定翼無人機4架、八旋翼無人機1架、六旋翼無人機1架、四旋翼無人機7架，配備無人機數(shù)據(jù)處理軟件11套，有7人擁有民用無人駕駛航空器系統(tǒng)機長合格證、4人擁有駕駛員合格證。無人機技術(shù)正越來越廣泛地應用于生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測、監(jiān)督執(zhí)法和設(shè)施驗收，水土流失治理工程效益評價，典型小流域水土保持信息化和水土流失突發(fā)事件監(jiān)測等工作領(lǐng)域。

1 松遼流域無人機技術(shù)應用實踐

1.1 生產(chǎn)建設(shè)項目監(jiān)督性監(jiān)測

針對生產(chǎn)建設(shè)項目擾動情況，取土場、棄土(渣)場、大型臨時工程區(qū)等重點水土流失區(qū)域面積、方量等指標主要是基于遙感影像解譯和現(xiàn)場調(diào)查獲得，但遙感影像受時相和空間分辨率影響，無法及時、準確獲取相關(guān)指標，且挖填方、取棄土體為不規(guī)則多邊形，面積和方量指標在現(xiàn)場調(diào)查時獲取不準確。2015年3月，在松遼流域率先利用無人機技術(shù)開展了生產(chǎn)建設(shè)項目監(jiān)督性監(jiān)測工作，對新建鐵路沈陽至丹東鐵路客運專線水土保持工作進行了監(jiān)督性監(jiān)測，共監(jiān)測撫順市和本溪市附近4個渣場，快速、準確地獲取了渣場的占地面積、棄渣量、擋墻長度和高度等相關(guān)指標，將無水土保持措施，臨近河道、農(nóng)田、公路，對當?shù)厝罕娚a(chǎn)、生活及河道行洪安全造成潛在危害的渣場的位置、占地面積和棄渣量等指標信息反饋給水土保持管理部門，便于管理部門以此為依據(jù)與業(yè)主單位進行約談。

截至2016年，在松遼流域內(nèi)共對19個部批生產(chǎn)建設(shè)項目開展了監(jiān)督性監(jiān)測工作，掌握了土地擾動情況，水土保持工程措施、植物措施的面積及數(shù)量，取(棄)土(渣、砂、石、料)場的位置、方量，項目水土保持措施、防治責任范圍等指標的實施及變化情況，無人機累計飛行航時2 100 min，拍攝照片13 000余張、視頻130 min，照片、視頻、三維點云、正射影像等數(shù)據(jù)電子成果共計5 TB。綜合利用不同時空尺度的航測、遙測等技術(shù)手段，有效保障了事中事后監(jiān)管，提高了監(jiān)測工作成效，讓監(jiān)測人員腿變長了、眼睛更亮了、手中有力了、說話硬氣了，監(jiān)管工作敢于說“不”了。

1.2 生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持“天地一體化”監(jiān)管

生產(chǎn)建設(shè)項目“天地一體化”監(jiān)管示范主要是利用國產(chǎn)高分辨率遙感影像開展示范縣生產(chǎn)建設(shè)項目擾動狀況遙感調(diào)查，評價擾動圖斑的合規(guī)性，掌握生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持工作動態(tài)。目前，使用的遙感影像空間分辨率為2 m左右，受云、雪的影響，部分區(qū)域無法判讀地面擾動情況，且2 m分辨率在滿足擾動合規(guī)性的復核、更精細的與空間信息相關(guān)的監(jiān)管指標的獲取方面存在一定難度。而利用無人機實時、快速的特點對監(jiān)管區(qū)域開展監(jiān)測工作，生成三維點云數(shù)據(jù)和亞米級正射影像，準確獲取了擾動土地、棄渣場、水土流失、水土保持措施中的多種定量化指標。

松遼流域生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持“天地一體化”監(jiān)管范圍為遼寧省鞍山市千山區(qū)，對千山區(qū)近年來的25個生產(chǎn)建設(shè)項目開展了監(jiān)管工作。結(jié)合遙感影像解譯、現(xiàn)場調(diào)查和無人機航測，共解譯305個擾動圖斑，核定擾動面積6 322.41 hm2，實現(xiàn)了對生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持許可的范圍(水土流失防治責任范圍)、實際擾動地表范圍與面積、棄渣場及取土場的數(shù)量與位置、批復水土保持措施落實情況等的適時監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)和認定了違規(guī)項目和圖斑，并上報了監(jiān)管示范結(jié)果，得到了水利部的充分肯定，為水行政部門監(jiān)督管理提供了可靠依據(jù)。按照《全國水土保持信息化工作2017—2018年實施計劃》(辦水?！?017〕39號)的要求，2017年松遼流域選擇察爾森水庫除險加固工程、遼寧省青山水庫工程開展“天地一體化”監(jiān)管工作。

1.3 國家水土保持重點工程“圖斑精細化”管理

根據(jù)《全國水土保持信息化工作2017—2018年實施計劃》(辦水?！?017〕39號)要求，國家正積極推進以綜合治理系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以圖斑為單元，基于遙感技術(shù)、無人機、移動終端等手段，對重點工程項目實施精細化管理的工作，并要求2017年各流域機構(gòu)在相關(guān)省份隨機抽取不少于2個項目區(qū)對 2014—2015年實施的國家水土保持重點工程實施效果進行評價。在前期收集與整理包括初步設(shè)計報告、小流域治理實施方案、地理位置信息、水土保持措施工程布置圖、小流域治理竣工報告、小流域遙感影像數(shù)據(jù)等的基礎(chǔ)上，在松遼流域4省區(qū)選擇了15個項目區(qū)開展了實施效果評價工作，準確獲取了各項目區(qū)水土保持措施實施圖斑的位置、面積、數(shù)量等信息，與施工圖進行逐一對比分析，解決了遙感影像較難獲取梯田、地埂、林草、改壟和溝道治理等水土保持措施數(shù)量及面積指標，人工量測費時費力成本高，且無法全覆蓋等問題。

1.4 不同土壤類型區(qū)典型監(jiān)測點信息化工作

根據(jù)《全國水土保持信息化規(guī)劃(2012—2030年)》的要求，全國水土保持信息化建設(shè)的總體框架基本構(gòu)成主要包括應用系統(tǒng)、應用支撐體系、數(shù)據(jù)庫、信息基礎(chǔ)設(shè)施、門戶網(wǎng)站等五項重點建設(shè)任務。水土保持數(shù)據(jù)庫建設(shè)包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫和業(yè)務數(shù)據(jù)庫，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫涉及公共基礎(chǔ)地理、遙感影像、自然條件和社會經(jīng)濟等數(shù)據(jù)庫。水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)是水土保持科研和水土流失預測預報的載體。水土流失監(jiān)測點作為水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，是獲取水土流失觀測和試驗數(shù)據(jù)的重要設(shè)施，水土流失監(jiān)測點的信息化是全國水土保持信息化建設(shè)的一部分內(nèi)容，其基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫建設(shè)工作是根基[5-6]。

松遼流域全國水土流失動態(tài)監(jiān)測與公告項目不同土壤類型區(qū)典型監(jiān)測點涉及吉林省長春市青溝坡面徑流觀測場、黑龍江省海倫市光榮小流域等7個典型監(jiān)測點。采用無人機技術(shù)，獲取各監(jiān)測點20 cm分辨率的正射影像、三維點云和1∶500等高線等數(shù)據(jù),在高空間分辨率數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，生成監(jiān)測點小區(qū)、雨量站、卡口站和土壤水分監(jiān)測點的位置。同時，獲取監(jiān)測點所在小流域的水土保持措施、土地利用和侵蝕溝道信息，建立了包括小流域地形圖、土地利用圖、土壤圖、水土流失圖、監(jiān)測設(shè)施設(shè)備分布等信息的監(jiān)測點基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)庫，為建設(shè)和完善松遼流域水土保持信息化工作奠定了基礎(chǔ)。以黑龍江海倫市光榮小流域為例，其綜合觀測站無人機航拍、徑流小區(qū)正射影像見圖1、2。

1.5 水土流失突發(fā)事件監(jiān)測

2016年8月16日和17日內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市發(fā)生連續(xù)大雨，兩場降雨分別歷時8、2 h，降雨量分別達到352、54 mm，共計406 mm，鄂爾多斯市烏蘭斯太溝壩系工程油坊渠1—3號壩發(fā)生漫頂潰壩。松遼流域組織人員參加了水利部水土保持司組織的水毀工程調(diào)查，利用無人機技術(shù)及時、精準采集了潰壩面積、方量、潰壩高度、最長與最短距離等數(shù)據(jù)，為了解災情、制定防治對策提供了技術(shù)支撐，為災后重建提供了科學依據(jù)，同時在水土流失突發(fā)事件監(jiān)測方面進行了探索并獲得了寶貴經(jīng)驗。

圖1 黑龍江海倫市光榮小流域綜合觀測站無人機航拍

圖2 黑龍江海倫市光榮小流域綜合觀測站徑流小區(qū)正射影像

2 幾點思考與建議

(1)進一步充實監(jiān)督、治理和監(jiān)測數(shù)據(jù)庫指標內(nèi)容。無人機監(jiān)測成果主要包括厘米級正射影像、三維點云數(shù)據(jù)和超高比例尺地形數(shù)據(jù)，目前國家層面采用的遙感影像基本是2 m及以上的空間分辨率，建議在監(jiān)督、治理和監(jiān)測數(shù)據(jù)庫中增加顯示三維點云數(shù)據(jù)功能，能夠存儲和顯示項目照片、全景影像、DEM、DOM，以及相關(guān)指標特征值等信息，且不同分辨率數(shù)據(jù)之間能夠在同一數(shù)據(jù)庫平臺疊加顯示。

(2)開展實時動態(tài)監(jiān)測，建立快速評價系統(tǒng)。定期巡查、監(jiān)測重點生產(chǎn)建設(shè)項目，獲取擾動情況、水土保持措施面積等相關(guān)數(shù)據(jù)，形成各階段影音資料，構(gòu)建監(jiān)督動態(tài)多媒體數(shù)據(jù)庫，同時應對突發(fā)情況及時派出調(diào)查組，收集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，分析多源數(shù)據(jù)，預報變化趨勢，提出應對措施等。根據(jù)重點治理項目實施計劃、無人機定期監(jiān)測實施情況，建立動態(tài)變化數(shù)據(jù)庫，為監(jiān)管提供實時信息，指導治理工程實施?；趧討B(tài)變化數(shù)據(jù)庫，選擇評價指標，建立快速評價系統(tǒng)。

(3)繼續(xù)深入探索無人機技術(shù)。目前的無人機技術(shù)主要是利用無人機鏡頭正射(垂直向下)獲取照片，經(jīng)后期處理獲得相關(guān)數(shù)據(jù)。傾斜攝影技術(shù)是在攝影測量技術(shù)之上發(fā)展起來的，與攝影測量不同的是傾斜攝影是通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器(目前常用的五鏡頭相機)，同時從垂直、傾斜等不同角度采集影像，獲取地面物體更為完整準確的信息。與傳統(tǒng)攝影測量相比，傾斜攝影測量的數(shù)據(jù)采集達到100%重疊，且重疊維數(shù)極高，采集的數(shù)據(jù)包括側(cè)面和角落，極大地保證了點云的數(shù)量和質(zhì)量精度，從而生成高精度的DSM，為三維模型和正射影像的獲取打下了基礎(chǔ)。在水土保持行業(yè)應用的無人機拍攝設(shè)備以普通數(shù)碼相機為主，光譜信息單一，可嘗試搭載多光譜相機，獲取地物更豐富的光譜信息，以探索植被蓋度反演等深層次功能。

3 結(jié) 語

無人機技術(shù)在松遼流域水土保持監(jiān)測和信息化工作中的實踐表明，利用無人機技術(shù)獲取水土保持相關(guān)數(shù)據(jù)，能滿足動態(tài)、過程、準確、及時的需求，建立監(jiān)測管理數(shù)據(jù)庫和快速評價系統(tǒng)，為松遼流域水土保持監(jiān)測服務，提升水土保持監(jiān)測和信息化水平。

[1] 蒲朝勇.推動水土保持監(jiān)測與信息化工作的思路與要求[J].中國水土保持,2017(5):1-4.

[2] 郭索彥,李智廣.我國水土保持監(jiān)測的發(fā)展歷程與成就[J].中國水土保持科學,2009,7(5):19-24.

[3] 水利部水土保持監(jiān)測中心.水土流失動態(tài)監(jiān)測方法研究[M].北京:中國水利水電出版社,2011:50-61.

[4] 松遼水利委員會松遼流域水土保持監(jiān)測中心站.無人機遙測技術(shù)在水土保持監(jiān)管中的應用[J].中國水土保持,2015(9):73-76.

[5] 郭索彥,李智廣,趙院.全國水保監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)與信息系統(tǒng)建設(shè)[J].中國水利,2003(22):41-42.

[6] 李智廣,郭索彥.全國水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的總體結(jié)構(gòu)及管理制度[J].中國水土保持,2002(9):22-24.

S157;TP79

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1000-0941(2017)12-0058-03

2017-09-28

(責任編輯 李楊楊)