李嵐斌，金平偉，李 樂，王玉瑯，黃 俊

(珠江水利委員會(huì)珠江流域水土保持監(jiān)測(cè)中心站，廣東 廣州 510610)

生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)是準(zhǔn)確掌握項(xiàng)目建設(shè)水土流失動(dòng)態(tài)變化和水土保持措施實(shí)施效果的重要手段與基礎(chǔ)性工作?！吨腥A人民共和國水土保持法》第四十一條規(guī)定，對(duì)可能造成嚴(yán)重水土流失的大中型生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目，生產(chǎn)建設(shè)單位應(yīng)當(dāng)自行或者委托具備水土保持監(jiān)測(cè)資質(zhì)的機(jī)構(gòu)，對(duì)生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)造成的水土流失進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)情況定期上報(bào)當(dāng)?shù)厮姓鞴懿块T。

自新水土保持法頒布實(shí)施以來，國家愈加重視和規(guī)范生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)工作，2015年水利部印發(fā)的《生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)規(guī)程(試行)》明確要求不小于100 hm2的點(diǎn)型項(xiàng)目，山區(qū)(丘陵區(qū))長度不小于5 km、平原區(qū)長度不小于20 km的線型項(xiàng)目應(yīng)增加遙感監(jiān)測(cè)方法開展水土保持監(jiān)測(cè)?！端克帘３炙娟P(guān)于印發(fā)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)工作檢查要點(diǎn)的通知》(水保監(jiān)便字〔2015〕第72號(hào))將遙感監(jiān)測(cè)列為監(jiān)測(cè)實(shí)施檢查要點(diǎn)，“按規(guī)定應(yīng)采用遙感監(jiān)測(cè)方法的生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目，遙感監(jiān)測(cè)頻次和精度需滿足相關(guān)規(guī)范要求”?！端筷P(guān)于貫徹落實(shí)〈全國水土保持規(guī)劃(2015—2030年)〉的意見》(水?！?016〕37號(hào))中明確提出要強(qiáng)化水土保持事中事后監(jiān)管，加快運(yùn)用無人機(jī)、遙感等現(xiàn)代化技術(shù)手段，提高監(jiān)督執(zhí)法效能，切實(shí)做好水土保持方案實(shí)施情況的跟蹤檢查。

1 生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)方法

生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)方法主要包括地面監(jiān)測(cè)、調(diào)查監(jiān)測(cè)和遙感監(jiān)測(cè)等[1]。地面監(jiān)測(cè)、調(diào)查監(jiān)測(cè)目前已被廣泛應(yīng)用，具有省時(shí)、省力、簡便易行等特點(diǎn)，但是精度較低、人為干預(yù)較大，尤其在監(jiān)測(cè)人員無法或難以達(dá)到的區(qū)域，無法獲取數(shù)據(jù)，加上項(xiàng)目區(qū)擾動(dòng)快、地形復(fù)雜，目前已不能完全滿足當(dāng)前工作的需要。

由于生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目部分水土保持措施尺寸較小，例如排水溝寬度尚不足1 m，部分擋墻寬度只有1～2 m，而商業(yè)衛(wèi)星的分辨率一般最高僅為0.5 m[4]，因此，衛(wèi)星遙感難以全部滿足監(jiān)測(cè)工作需要，且受衛(wèi)星重訪周期和天氣條件制約，衛(wèi)星遙感較難獲取項(xiàng)目區(qū)特定時(shí)段遙感影像。目前，一幅衛(wèi)星影像最小定制為面積25 km2，而單價(jià)往往高達(dá)每平方公里數(shù)百元，昂貴的成本也制約了衛(wèi)星遙感在生產(chǎn)建設(shè)水土保持監(jiān)測(cè)工作中的推廣應(yīng)用。

無人機(jī)遙感作為空間數(shù)據(jù)獲取的重要手段之一，具有輕小、續(xù)航時(shí)間長、成本低、分辨率高、機(jī)動(dòng)靈活等優(yōu)點(diǎn)，是衛(wèi)星遙感的有力補(bǔ)充，在國內(nèi)外已得到廣泛應(yīng)用[5]，可實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目的“實(shí)時(shí)”更新，與商業(yè)衛(wèi)星相比，有著明顯的成本優(yōu)勢(shì)。Torres-Sánchez等[6]、Francisco等[7]使用低空高分辨率無人機(jī)遙感影像開展了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、農(nóng)業(yè)病蟲害防治等工作。Mitch Bryson等[8]基于植被顏色及紋理等特征使用低空可見光無人機(jī)影像開展植被類型分類研究。Sebastian d'Oleire-Oltmanns等[9]基于低空高分辨率無人機(jī)遙感影像開展了摩洛哥土壤侵蝕量監(jiān)測(cè)，為水土保持治理工作提供了參考。梁志鑫[10]、楊愷[11]等通過無人機(jī)技術(shù)開展生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)工作，均認(rèn)為無人機(jī)遙感技術(shù)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段的不足之處，有效提高了項(xiàng)目監(jiān)測(cè)的精度、效率及自動(dòng)化程度，但對(duì)于無人機(jī)技術(shù)在生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)中的適用性未進(jìn)行探討。

因此，本研究針對(duì)水土保持監(jiān)測(cè)工作中需要解決的問題，選擇典型生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目，對(duì)無人機(jī)遙感技術(shù)在生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)中的適用性進(jìn)行了探索性的研究。

2 無人機(jī)遙感技術(shù)的應(yīng)用

2.1 項(xiàng)目區(qū)基本情況

廣東清遠(yuǎn)抽水蓄能電站位于廣東省清遠(yuǎn)市清新縣太平鎮(zhèn)境內(nèi)(圖1)。項(xiàng)目擬裝4臺(tái)單機(jī)320 MW水泵水輪發(fā)電機(jī)，總裝機(jī)容量1 280 MW。站址屬南亞熱帶季風(fēng)氣候，雨量充沛，冬季溫暖，夏季多雨，多年平均年降雨量2 179.9 mm；項(xiàng)目區(qū)土壤分布以赤紅壤為主，原生地帶性植被為南亞熱帶常綠闊葉林，目前存在的植被主要以次生闊葉林為主，林草覆蓋率達(dá)85%以上。

2.2 無人機(jī)相關(guān)參數(shù)

本研究先后選用Avian華鷹無人機(jī)和DJ Inspire1無人機(jī)對(duì)項(xiàng)目區(qū)進(jìn)行航拍。Avian華鷹無人機(jī)起飛方式為彈射式，重量4.3 kg，巡航速度65 km/h，飛行時(shí)間約50 min，搭載相機(jī)型號(hào)為Sony ɑ7R，有效像素3 640萬，固定焦距為35.9 mm，航高為300 m (GSD 4.2 cm)、600 m (GSD 8.4 cm)、900 m (GSD 12.6 cm)，GSD為地面分辨率。DJ Inspire1無人機(jī)起飛方式為垂直起飛，重量2.9 kg，最大飛行速度為79 km/h，最長飛行時(shí)間約18 min，相機(jī)影像傳感器為Sony Exmor 1/2.3英寸，有效像素1 240萬，鏡頭為20 mm(35 mm格式等效) f/2.8，航高為100 m (GSD 4.33 cm)、200 m (GSD 8.65 cm)、300 m (GSD 12.98 cm)。

Avian華鷹無人機(jī)在進(jìn)行航攝成像時(shí)，需要提前完成航線規(guī)劃并設(shè)定地面控制點(diǎn)，之后攜帶固定焦相機(jī)沿飛行線(或條帶)獲取中心投影的航空像片。DJ Inspire1無人機(jī)在進(jìn)行航攝成像時(shí)，可根據(jù)實(shí)際需求隨時(shí)改變航線。飛行后經(jīng)過無人機(jī)后處理軟件IPS4.2處理獲取項(xiàng)目區(qū)正射影像及DSM數(shù)據(jù)。

2.3 數(shù)據(jù)處理

利用arcGIS10.2對(duì)項(xiàng)目區(qū)正射影像進(jìn)行處理，鑒于無人機(jī)航拍影像分辨率高，生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持相關(guān)特征明顯，可采用目視解譯方法，通過人工直接勾繪提取項(xiàng)目區(qū)水土保持相關(guān)數(shù)據(jù)。

a) 擾動(dòng)面積。擾動(dòng)面積提取主要采用直接判讀、邏輯推理或綜合分析等方法進(jìn)行勾繪解譯，解譯成果除形成項(xiàng)目區(qū)擾動(dòng)土地分布圖外，還可與防治責(zé)任范圍專題圖進(jìn)行矢量疊加，綜合判定項(xiàng)目區(qū)人為擾動(dòng)面積有無超出防治責(zé)任范圍。

采用SPSS 22.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，牙周袋探診深度、臨床附著水平、牙齦指數(shù)、牙齒松動(dòng)度、牙槽骨高度等指標(biāo)為計(jì)量資料，采用（±s）表示，滿足正態(tài)分布和方差齊性后，組間相較采用獨(dú)立t檢驗(yàn)，以P＜0.05表示差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

b) 水土流失情況。水土流失情況包括土壤流失面積、土壤侵蝕強(qiáng)度和水土流失危害等。土壤流失面積基于高分辨率無人機(jī)影像通過目視解譯方法獲?。煌寥狼治g強(qiáng)度基于“土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(SL 190─2007)”計(jì)算獲得，其中關(guān)鍵參數(shù)：土地利用基于高分辨率無人機(jī)影像目視解譯獲得、植被覆蓋度基于高分辨率無人機(jī)正射影像采用VDVI指標(biāo)計(jì)算獲取[12]、坡度信息基于無人機(jī)數(shù)值高程模型獲取。地面監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)上述獲取的土壤侵蝕強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)證，獲得項(xiàng)目區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度分布。

c) 水土保持措施。水土保持措施包括工程措施、植物措施和臨時(shí)措施，主要通過目視解譯方法結(jié)合項(xiàng)目區(qū)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行解譯。

d) 取(棄)土場(chǎng)。取(棄)土場(chǎng)解譯內(nèi)容包括擾動(dòng)面積、取(棄)土方量、水土保持防護(hù)措施等，面積及水土保持措施通過目視解譯方法解譯，取(棄)土方量的提取通過無人機(jī)兩次航拍的DSM數(shù)據(jù)在arcGIS10.2中進(jìn)行差值計(jì)算。

e) 水土保持設(shè)計(jì)變更。將項(xiàng)目區(qū)防治分區(qū)圖、防治責(zé)任范圍圖、施工布置圖等專題圖件與無人機(jī)遙感影像進(jìn)行精確地理配準(zhǔn)，綜合判讀項(xiàng)目區(qū)主體工程及取(棄)土場(chǎng)的位置、數(shù)量是否存在設(shè)計(jì)變更現(xiàn)象。

3 結(jié)果與分析

3.1 擾動(dòng)土地面積監(jiān)測(cè)

由圖2可知，截止2014年11月18日，項(xiàng)目區(qū)上庫擾動(dòng)土地面積為115.66 hm2。將上庫擾動(dòng)面積圖與防治責(zé)任范圍專題圖進(jìn)行矢量疊加后可知，項(xiàng)目區(qū)人為擾動(dòng)均未超出防治責(zé)任范圍。

3.2 水土流失監(jiān)測(cè)

利用無人機(jī)監(jiān)測(cè)獲取的影像成果，通過目視解譯提取項(xiàng)目區(qū)各單元植被覆蓋度及土地利用信息，并分析DSM數(shù)據(jù)，獲取坡度信息，結(jié)合土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，綜合判別項(xiàng)目區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度。

圖3為項(xiàng)目區(qū)上庫土壤侵蝕強(qiáng)度分布。目前項(xiàng)目區(qū)侵蝕類型主要為水力侵蝕，土壤侵蝕強(qiáng)度以微度為主，各項(xiàng)水土保持措施已完成布設(shè)并充分發(fā)揮效益。上庫公路兩側(cè)邊坡采取噴砼護(hù)坡、綠化等措施進(jìn)行防護(hù)，侵蝕強(qiáng)度較小，主要為微度、輕度；棄渣場(chǎng)已全部進(jìn)行平整并采取植物措施進(jìn)行防護(hù)，侵蝕強(qiáng)度以輕度為主；上庫采石場(chǎng)目前已停止使用，但部分區(qū)域未采取水土保持措施進(jìn)行防護(hù)，侵蝕強(qiáng)度較為嚴(yán)重。

3.3 水土保持措施監(jiān)測(cè)

圖4為項(xiàng)目區(qū)上庫典型區(qū)域水土保持措施統(tǒng)計(jì)。該區(qū)域水土保持措施類型主要為漿砌石護(hù)坡、截排水溝、綠化及無紡布覆蓋等，圖中道路一側(cè)挖方邊坡主要采取撒播草籽+無紡布覆蓋進(jìn)行防護(hù)，植被生產(chǎn)情況良好，與該區(qū)域原始植被相比，形狀規(guī)整、紋理清晰，易于解譯。因此，通過對(duì)無人機(jī)影像成果進(jìn)行目視解譯，可精確統(tǒng)計(jì)項(xiàng)目區(qū)各類水土保持措施面積。

3.4 取(棄)土場(chǎng)監(jiān)測(cè)

通過無人機(jī)正射影像結(jié)合配準(zhǔn)后的項(xiàng)目區(qū)施工平面布置圖，可對(duì)項(xiàng)目區(qū)取、棄土場(chǎng)的數(shù)量、面積、設(shè)計(jì)變更、防護(hù)效果、水土流失情況等進(jìn)行解譯分析。通過DSM數(shù)據(jù)可以提取項(xiàng)目區(qū)取、棄土場(chǎng)的高程信息，結(jié)合項(xiàng)目區(qū)前期地形圖，可計(jì)算得出取、棄土場(chǎng)的土石方量。

圖5為項(xiàng)目區(qū)副壩四壩后棄渣場(chǎng)的遙感監(jiān)測(cè)影像。由5a可知，目前該渣場(chǎng)已結(jié)束棄渣，并采取了水土保持措施進(jìn)行防護(hù)，渣場(chǎng)占地面積3.93 hm2，已全部進(jìn)行平整并采取植物措施進(jìn)行防護(hù)；由圖5b可知，渣場(chǎng)坡腳處修建有擋墻、沉砂池等水土保持工程措施，尺寸分別為13 m×0.5 m、2 m×2 m(長×寬)，渣場(chǎng)周邊排水溝寬度為0.6 m。

3.5 水土保持設(shè)計(jì)變更

通過選取項(xiàng)目區(qū)典型區(qū)域(道路、水域、建筑等)作為控制點(diǎn)，將施工平面布置圖與無人機(jī)影像進(jìn)行地理配準(zhǔn)后作對(duì)比分析，判別項(xiàng)目實(shí)際建設(shè)內(nèi)容、地點(diǎn)等是否存在設(shè)計(jì)變更。

圖6為項(xiàng)目區(qū)新增臨時(shí)棄土場(chǎng)監(jiān)測(cè)對(duì)比，將無人機(jī)影像與配準(zhǔn)后的項(xiàng)目區(qū)施工平面布置圖進(jìn)行疊加分析后，發(fā)現(xiàn)該棄土場(chǎng)為新增臨時(shí)棄土場(chǎng)，與原施工布置圖存在設(shè)計(jì)變更。監(jiān)測(cè)單位根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果建議建設(shè)單位及時(shí)完成棄渣場(chǎng)變更設(shè)計(jì)，并報(bào)送水行政主管部門備案。

3.6 討論

通過研究可知，利用無人機(jī)遙感技術(shù)可以較精確完成生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目擾動(dòng)土地面積、取(棄)土場(chǎng)、水土流失、水土保持措施等監(jiān)測(cè)工作，結(jié)合項(xiàng)目區(qū)工程資料，可完成項(xiàng)目區(qū)水土保持工程設(shè)計(jì)、防治指標(biāo)落實(shí)情況等監(jiān)測(cè)工作。無人機(jī)具有輕小、成本低、分辨率高、機(jī)動(dòng)靈活等優(yōu)點(diǎn)，是完成生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)的有效工具。

同時(shí)，無人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)在應(yīng)用上尚存在一些不足，由于生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目地形復(fù)雜，航拍獲取的DSM數(shù)據(jù)僅為表面高程數(shù)據(jù)，精度受植被高度、地形等因素影響較大，在利用高程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)土石方變化、通過提取坡度計(jì)算侵蝕強(qiáng)度等方面存在一定誤差。本次研究選取的項(xiàng)目為點(diǎn)狀工程，面對(duì)線路較長的線型工程，無人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)的工作量將大大增加。

盡管如此，無人機(jī)遙感技術(shù)在生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)工作中的應(yīng)用將大大提高水土保持監(jiān)測(cè)工作的精度、效率及自動(dòng)化程度，針對(duì)施工期開挖擾動(dòng)頻次高、地形復(fù)雜的建設(shè)項(xiàng)目，采用無人機(jī)遙感技術(shù)在提高監(jiān)測(cè)精度的同時(shí)也保證了監(jiān)測(cè)人員的安全；面對(duì)線型工程，可選取棄渣場(chǎng)、水土流失敏感點(diǎn)等重要地段，利用無人機(jī)遙感技術(shù)定期監(jiān)測(cè)，與地面監(jiān)測(cè)的常規(guī)監(jiān)測(cè)點(diǎn)相比，其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也將更加豐富、客觀。

Avian華鷹無人機(jī)和DJ Inspire1無人機(jī)相比，在飛行面積、數(shù)據(jù)精度等方面均有較大優(yōu)勢(shì)，但起飛及降落時(shí)對(duì)場(chǎng)地條件要求較高，鑒于項(xiàng)目區(qū)地形復(fù)雜，操作簡單、起飛、降落對(duì)場(chǎng)地要求較小的DJ 無人機(jī)更適合生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目的無人機(jī)航拍監(jiān)測(cè)工作。

4 結(jié)論與展望

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工業(yè)化和城市化進(jìn)程的加快，生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目導(dǎo)致的水土流失已逐漸成為中國水土流失的重要來源之一，國家對(duì)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)監(jiān)管的力度也將越來越大[13]。作為衛(wèi)星遙感的有力補(bǔ)充，利用無人機(jī)遙感實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目項(xiàng)目整個(gè)項(xiàng)目期全方位監(jiān)測(cè)，必將成為未來水土監(jiān)測(cè)工作的重要思路。本研究表明，無人機(jī)遙感技術(shù)是一種快速獲取生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持信息的有效方式，是提高水土保持監(jiān)測(cè)工作精度、效率及自動(dòng)化程度的一種重要工具。

由于水土保持監(jiān)測(cè)工作具有綜合性、特殊性和廣泛性，其標(biāo)準(zhǔn)具有復(fù)雜性和難檢測(cè)性，尚需要廣大水土保持科研人員和監(jiān)測(cè)工作者對(duì)無人機(jī)遙感技術(shù)在使用過程中出現(xiàn)的各種問題進(jìn)行研究探討。隨著監(jiān)測(cè)技術(shù)手段的改進(jìn)，生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)工作將會(huì)越來越規(guī)范，整個(gè)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)工作形勢(shì)必將一片大好。