謝金亮 劉慧芳

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

0 前言

在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的同時(shí)，由于相關(guān)政策制度的不完善，工況企業(yè)用地污染、農(nóng)業(yè)面源污染、垃圾填埋場污染現(xiàn)象日漸顯現(xiàn)，生態(tài)環(huán)境問題不容忽視。新經(jīng)濟(jì)形態(tài)下，必須牢固樹立和踐行“綠水青山就是金山銀山”的理念，積極推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)，強(qiáng)化“土壤污染管控修復(fù)”“土地綜合整治”和“綠色礦山建設(shè)”，大力整治修復(fù)生態(tài)環(huán)境，打造“山水林田湖草”生命共同體。近年來，憑借成本低、操作便捷、數(shù)據(jù)獲取方便、搭載平臺多樣化、可控性強(qiáng)、數(shù)據(jù)質(zhì)量高等優(yōu)勢，無人機(jī)遙感逐漸成為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)、搶險(xiǎn)救災(zāi)、環(huán)保督察等的重要輔助手段之一，尤其在水土保持、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、土地整治項(xiàng)目、土地監(jiān)測等方面發(fā)揮了極大的優(yōu)勢，其在生態(tài)修復(fù)方面的應(yīng)用將是未來趨勢所向。本文簡單介紹了無人機(jī)遙感的應(yīng)用現(xiàn)狀，并討論了無人機(jī)在生態(tài)修復(fù)工程中的應(yīng)用。

1 無人機(jī)遙感的應(yīng)用現(xiàn)狀

無人機(jī)遙感是指無人機(jī)通過搭載不同傳感器，在人為控制下按照一定的航線飛行，即時(shí)獲取高分辨率場地現(xiàn)狀信息的一種技術(shù)手段[1]。將無人機(jī)航測獲取的影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入專業(yè)計(jì)算機(jī)軟件，對圖形進(jìn)行矢量化處理、空間三維運(yùn)算、建模反演等[2]，可以方便快捷地獲取航拍場地的坡度、高程、建構(gòu)筑物、植被生長情況等地面特征，有效解決了傳統(tǒng)測量技術(shù)高成本、低效率、測量區(qū)域受限等問題，是充分獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息的重要技術(shù)手段之一。成熟的無人機(jī)主要有旋翼與固定翼兩種搭載方式，遙感傳感器也越來越追求高度集成、質(zhì)量輕化，無人機(jī)豐富多樣的搭載平臺與輕便易攜帶的遙感傳感器相互結(jié)合，為數(shù)據(jù)獲取提供了更多的便利。目前，無人機(jī)遙感技術(shù)已經(jīng)被用于水土保持工程、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、土地整治項(xiàng)目、土壤污染監(jiān)測等諸多領(lǐng)域。

1.1 水土保持工程

我國是世界上水土流失最嚴(yán)重的國家之一，山體滑坡、崩塌、泥石流、山洪等典型水土流失災(zāi)害具有突發(fā)性、不可控性、強(qiáng)破壞性等特點(diǎn)，災(zāi)害發(fā)生時(shí)往往使得水土保持設(shè)施被破壞，國民經(jīng)濟(jì)遭受重大損失。目前無人機(jī)搭載傳感器作為一種新型航空遙感技術(shù)，已在生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測、監(jiān)管、工程設(shè)計(jì)、驗(yàn)收以及國家水土保持重點(diǎn)工程中發(fā)揮了重要作用。無人機(jī)影像經(jīng)專業(yè)軟件處理可得到DOM和DSM影像，其空間分辨率精度可達(dá)厘米級。在此基礎(chǔ)上選用人工目視解譯或面向?qū)ο笞詣臃诸惙ǎ蓽?zhǔn)確提取建設(shè)項(xiàng)目占地面積，生產(chǎn)建設(shè)活動擾動面積，以及項(xiàng)目區(qū)已有的各類水保工程措施、生物措施和臨時(shí)措施等現(xiàn)狀；基于獲取的項(xiàng)目區(qū)土地利用、植被覆蓋度及各類水土保持措施基礎(chǔ)信息，進(jìn)行定量分析可得到攔渣率、水土流失總治理度、土壤流失控制比、擾動土地整治率、林草植被恢復(fù)率和林草覆蓋率等指標(biāo)[3-4]，更好地為水土保持監(jiān)測、驗(yàn)收工程提供技術(shù)服務(wù)。

1.2 地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查

地震、地裂縫、地面塌陷、洪水災(zāi)害、氣象災(zāi)害、路橋病害等是常見的地質(zhì)災(zāi)害[5]。無人機(jī)憑借其獲取數(shù)據(jù)靈活方便、限制性因素少、飛行區(qū)域大、作業(yè)效率高等特點(diǎn)在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查過程中發(fā)揮了極大的優(yōu)勢[6]。通過人工控制無人機(jī)飛行高度和飛行線路，從多角度航拍影像，保證能夠從各個(gè)角度對災(zāi)害狀況進(jìn)行觀察，從而能夠獲取清晰度更好、分辨率更高的影像數(shù)據(jù)，為精準(zhǔn)定位災(zāi)害區(qū)域，形成真實(shí)的三維立體模型提供支撐[7]，從而獲得更加完整、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)內(nèi)容。三維立體模型能夠?qū)崿F(xiàn)局部區(qū)域的放大，更精確地對地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查區(qū)域的坡度、高程、高差、微地形等進(jìn)行測量，保證無人機(jī)在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的實(shí)用性，為地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查提供基礎(chǔ)保證[8]。同時(shí)，將無人機(jī)遙感系統(tǒng)和GIS空間分析相結(jié)合，可以對災(zāi)害事件的發(fā)生地點(diǎn)、受災(zāi)范圍和影響程度快速準(zhǔn)確地作出評估，同時(shí)有效預(yù)測和預(yù)警災(zāi)害的發(fā)展和演變，為災(zāi)害發(fā)生區(qū)域人員疏散轉(zhuǎn)移、防災(zāi)救災(zāi)、救援搶險(xiǎn)等提供決策支持[9]。

1.3 土地整治工程

無人機(jī)航測技術(shù)的快速發(fā)展，不僅助力土地整治工作開辟了新的方向和出路，更對合理利用土地資源發(fā)揮了積極作用[10]。無人機(jī)航測技術(shù)綜合了高清數(shù)碼相機(jī)和GPS- RTK技術(shù)優(yōu)勢，可以準(zhǔn)確完成測繪任務(wù)并精準(zhǔn)定位像控點(diǎn)。無人機(jī)在土地整治項(xiàng)目中的應(yīng)用，也對項(xiàng)目的檢查、驗(yàn)收等提供巨大幫助：無人機(jī)可實(shí)現(xiàn)快速確定實(shí)地抽查地塊位置；可快速測取整治范圍內(nèi)溝渠長度、硬化道路長度等線性設(shè)施基本情況；可準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)新增耕地面積；可整體把握泵房、水池等配套設(shè)施概況，大大提高項(xiàng)目檢查和驗(yàn)收的效率[11]。對無人機(jī)航拍影像進(jìn)行處理后得到高分辨率正射影像，在此基礎(chǔ)上可以提取地類、地面邊界，使之與施工企業(yè)出具的項(xiàng)目竣工圖及新增耕地圖進(jìn)行疊加比對，可以評估新增耕地范圍線是否準(zhǔn)確，為各級各類土地整治和高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)項(xiàng)目新增耕地核定提供技術(shù)支撐[12]。無人機(jī)航測技術(shù)在土地整治工程及相關(guān)項(xiàng)目管理工作中的應(yīng)用優(yōu)勢明顯，是今后土地整治工作發(fā)展的重要趨勢。

1.4 土壤污染監(jiān)測

當(dāng)前，土壤污染主要表現(xiàn)形式為有機(jī)物污染和無機(jī)物污染，重金屬污染是一種常見的工礦企業(yè)用地土壤無機(jī)物污染現(xiàn)象，一般包括砷、鉻、鎘、鋅、銅、汞、鉛、鎳等污染物。土壤重金屬污染具有可富集、難治理、易轉(zhuǎn)換、難可逆等特點(diǎn)[13]，可加劇土壤質(zhì)量退化、生態(tài)環(huán)境惡化，威脅動植物生長和人體健康，已日漸成為社會關(guān)注的熱點(diǎn)。存在污染的土壤環(huán)境復(fù)雜，其上生長的作物和正常土壤中種植的作物相比，光譜表現(xiàn)不同。因此可以通過土壤光譜信息變化監(jiān)測地塊中重金屬的含量和特征，也可以參照植被光譜數(shù)據(jù)，從而間接地去評估土壤重金屬污染程度[14]。無人機(jī)搭載多光譜、高光譜獲取遙感影像后，導(dǎo)入專業(yè)軟件建立合適的模型進(jìn)行光譜反演，以此來確定土壤污染分布情況，可快速掌握污染空間分布及程度，為生態(tài)環(huán)境改善、土壤質(zhì)量評估及項(xiàng)目區(qū)規(guī)劃等提供重要的科學(xué)依據(jù)和決策支撐。

2 無人機(jī)遙感在生態(tài)修復(fù)工程的應(yīng)用

目前，無人機(jī)的優(yōu)勢已經(jīng)在上述水土保持工程、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、土地整治項(xiàng)目、土壤污染監(jiān)測四個(gè)方面得到廣泛認(rèn)可，毋庸置疑，無人機(jī)遙感技術(shù)在廢棄(舊)礦山、生活垃圾填埋場及其他污染場地等的生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域也能發(fā)揮很好的作用。本文基于無人機(jī)遙感在上述四個(gè)方面的應(yīng)用現(xiàn)狀，將無人機(jī)在生態(tài)修復(fù)工程中的應(yīng)用分為場地調(diào)查、施工過程控制、修復(fù)后效果監(jiān)測三部分進(jìn)行討論，其流程如圖1所示。

2.1 場地調(diào)查

場地調(diào)查主要對項(xiàng)目范圍內(nèi)的地形地貌、土壤污染情況、植被生長情況、土地利用現(xiàn)狀、水土流失情況進(jìn)行調(diào)查。無人機(jī)遙感技術(shù)適用面積很廣，100～100 000 m2的場地均可以選用無人機(jī)航測技術(shù)，其相應(yīng)的誤差范圍約為2～20 cm[15]，可以滿足場地調(diào)查的精度要求。無人機(jī)低空攝影技術(shù)獲取的遙感影像數(shù)據(jù)質(zhì)量都比較高，尤其是小地區(qū)或者地貌、氣候條件復(fù)雜的地區(qū)。場地調(diào)查階段，利用無人機(jī)搭載全色或光譜相機(jī)，可以快速獲取高精確度、高分辨率和高時(shí)效的場地基礎(chǔ)信息，并進(jìn)一步將其加工為DEM、DSM、DTM等產(chǎn)品，為修復(fù)工程設(shè)計(jì)和生態(tài)景觀設(shè)計(jì)提供輔助；在此基礎(chǔ)上還可以生成三維模型，為場地立體分析與設(shè)計(jì)、三維景觀數(shù)字系統(tǒng)構(gòu)建等提供基礎(chǔ)[16]。因此無人機(jī)通過搭載不同類型的傳感器，結(jié)合Pix 4D、ArcGIS等軟件，可以快速獲取地形地貌、地表水、土地?fù)p毀現(xiàn)狀、地表植被、地表擾動情況、土石方棄渣堆放情況、雨污分流設(shè)施等場地現(xiàn)狀信息，還可以整體把握調(diào)查場地附近的居民區(qū)、醫(yī)院、學(xué)校等敏感點(diǎn)情況，大大減少人工調(diào)查成本，提高調(diào)查質(zhì)量和調(diào)查效率。結(jié)合Google Earth歷史影像，可以對場地近5～10年的情況有一個(gè)宏觀把控，為進(jìn)一步制定場地調(diào)查與采樣計(jì)劃、重點(diǎn)評估區(qū)域的選擇提供支撐。

2.2 施工過程控制

無人機(jī)航測獲取的正射影像圖，分辨率較高，能夠直觀呈現(xiàn)生態(tài)恢復(fù)區(qū)域的實(shí)施狀況。利用無人機(jī)航測時(shí)，既可以從整體上把握項(xiàng)目施工進(jìn)展，也可以對重點(diǎn)區(qū)域重點(diǎn)工程措施進(jìn)行放大觀測，獲取更多施工細(xì)節(jié)信息，有助于詳細(xì)掌握項(xiàng)目區(qū)生態(tài)修復(fù)項(xiàng)目的實(shí)施成果[17]。一方面，無人機(jī)航測技術(shù)可以加強(qiáng)施工管理，較全面地監(jiān)測施工區(qū)域，加強(qiáng)對建設(shè)施工單位的監(jiān)管，確保將各種現(xiàn)場活動控制在項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)，將臨時(shí)用地面積控制在最低限度。另一方面，對無人機(jī)航拍影像進(jìn)行處理可實(shí)現(xiàn)對填埋土方量、土地平整面積、截排水溝修建、路基護(hù)坡修建、擋墻修建等工程進(jìn)行勘查和測量，可以及時(shí)、準(zhǔn)確、全面地反映施工進(jìn)展，檢查施工初期效果，及時(shí)監(jiān)督施工過程，控制工程進(jìn)度，把握工程質(zhì)量，進(jìn)而掌握生態(tài)恢復(fù)工程完成的情況。還可對施工過程實(shí)施安全監(jiān)護(hù)，確保施工方在施工期間采取了足夠的安全保護(hù)措施，如地上管線設(shè)置、地下管道埋設(shè)及施工作業(yè)機(jī)械加固等情況，確保安全文明施工。

2.3 修復(fù)后監(jiān)測

生態(tài)修復(fù)是一項(xiàng)長期發(fā)展的、客觀的動態(tài)過程。修復(fù)工程施工完成后，需要對各項(xiàng)工程措施、生物措施進(jìn)行長期監(jiān)測?？梢詫⒈O(jiān)測項(xiàng)目區(qū)劃分為一般監(jiān)測和重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)，根據(jù)修復(fù)項(xiàng)目實(shí)施方案中的監(jiān)測計(jì)劃，利用無人機(jī)搭載傳感器，按照規(guī)劃航線多角度航拍，保證其拍攝精度，將航拍影像導(dǎo)入專業(yè)軟件進(jìn)行處理，生成正射影像、DSM數(shù)字模型、三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)等[18]，長期動態(tài)監(jiān)測工程防治措施的治理效果以及周圍植物的成活率等。對監(jiān)測區(qū)域的地形、坡度、植被、排灌溝渠、道路系統(tǒng)以及配套與管護(hù)設(shè)施等進(jìn)行科學(xué)航拍，將地面監(jiān)測與航空監(jiān)測相結(jié)合，可以及時(shí)對項(xiàng)目區(qū)治理現(xiàn)狀進(jìn)行評估，更好地推動修復(fù)區(qū)可持續(xù)發(fā)展。

2.4 應(yīng)用實(shí)例

生態(tài)修復(fù)是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)，生態(tài)修復(fù)過程是生物修復(fù)、物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)以及工程技術(shù)措施的優(yōu)化組合。目前，無人機(jī)已經(jīng)成為各地生態(tài)修復(fù)大軍中的一名“新隊(duì)員”。2018年9月，河南省煤田一隊(duì)生態(tài)修復(fù)研究所在鞏義市圣水興旺鋁礦、張家溝大發(fā)鋁土礦礦山地質(zhì)環(huán)境綜合治理與土地復(fù)墾工程設(shè)計(jì)中，利用無人機(jī)技術(shù)對項(xiàng)目的房屋建筑、農(nóng)田土地、河流湖泊、山地林地等重要數(shù)據(jù)進(jìn)行精確航拍勘測，獲取了高分辨率的影像，科學(xué)建立三維模型，使得區(qū)域地形更加直觀、全面；2019年3月以來，許昌市禹州局組織8架無人機(jī)，沿省道彭花路生態(tài)廊道兩側(cè)自東向西，對4個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)700余平方公里區(qū)域內(nèi)礦區(qū)現(xiàn)狀進(jìn)行航空拍攝，制作分辨率為0.1 m的高清航空正射影像圖，直觀顯示了各鄉(xiāng)鎮(zhèn)礦區(qū)及各企業(yè)礦坑(點(diǎn))開采利用現(xiàn)狀、邊坡標(biāo)高，持證礦山、廢棄礦坑(點(diǎn))已修復(fù)和待修復(fù)區(qū)域面積等，為市委、市政府管理決策提供詳實(shí)準(zhǔn)確的基礎(chǔ)資料。諸如此類的例子還有很多，無人機(jī)遙感作為新型科技手段，將在助力生態(tài)修復(fù)方面發(fā)揮更大的優(yōu)勢。

3 結(jié)束語

無人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用為礦山生態(tài)修復(fù)基礎(chǔ)資料的獲取、工程建設(shè)的控制及修復(fù)后監(jiān)測打開了新視角，有效解決了人力目之所及而難于掌握全貌的難題，為我國生態(tài)文明建設(shè)提供了有力支撐。無人機(jī)遙感作為新型科技手段目前仍存在一些問題，比如技術(shù)人員缺乏、飛行空域受限、海量數(shù)據(jù)如何實(shí)現(xiàn)快速處理以及如何保證模型構(gòu)建的精度等。在生態(tài)文明建設(shè)大潮下，如何發(fā)揮無人機(jī)的優(yōu)勢，使其更好地應(yīng)用在生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域，推動建設(shè)美麗中國，還需要不斷的探索和研究。