胡玉杰，屈 創(chuàng)

(1.甘肅大禹節(jié)水集團水利水電工程有限責任公司，甘肅 酒泉 735000；2.黃河水利委員會 黃河上中游管理局，陜西 西安 710021)

我國是世界上水土流失最嚴重的國家之一，具有水土流失量大、面廣、成因復雜、危害嚴重等特點。近年來隨著高鐵、高速公路、輸氣管線、風電等大量大中型開發(fā)建設項目陸續(xù)上馬，開發(fā)建設過程中造成的人為水土流失量日益增加，給水土保持監(jiān)測、監(jiān)督管理工作提出了更高的要求。應對嚴重的水土流失，要在全國范圍內(nèi)開展國家水土保持生態(tài)綜合治理工程，但如何加強水土保持監(jiān)管和竣工驗收存在較大困難。因此，科學利用新技術(shù)協(xié)助各級水行政主管部門履行監(jiān)督管理職責，完成工程項目區(qū)和不同侵蝕類型區(qū)的水土流失動態(tài)監(jiān)測，提出科學合理的水土流失綜合治理管理體系，成為水土保持監(jiān)督管理、監(jiān)測部門的一項重要任務。

無人機遙感作為一種新型航空遙感手段，是衛(wèi)星遙感與載人航空遙感的有力補充。通過無人機遙感可以完成水土流失成因、強度、影響范圍及其防治成效等的實時動態(tài)監(jiān)測，完成國家級或省級水土流失綜合治理工程的過程檢查、竣工驗收和驗收成果抽查，實現(xiàn)水土保持重點工程由傳統(tǒng)粗放式管理到精細化、信息化管理模式的重要轉(zhuǎn)變，完成生產(chǎn)建設項目全過程、全方位動態(tài)監(jiān)管，有效防止生產(chǎn)過程中人為水土流失的發(fā)生。筆者結(jié)合工作實際，重點對無人機遙感在生產(chǎn)建設項目水土保持監(jiān)測、監(jiān)管，以及國家水土保持重點工程“圖斑精細化”管理在建項目抽查和竣工驗收項目抽查等方面的應用進行研究，希望能為水土保持相關(guān)工作開展提供借鑒。

1 無人機遙感系統(tǒng)特點及技術(shù)體系

1.1 無人機遙感系統(tǒng)特點

無人機遙感是利用先進的無人駕駛飛行器技術(shù)、遙感傳感器技術(shù)、遙測遙控技術(shù)、無線電通信技術(shù)和GPS差分定位技術(shù)等實現(xiàn)自動化、智能化獲取目標地物信息的應用技術(shù)，具有續(xù)航時間長、影像實時傳輸、高危地區(qū)探測、高分辨率、高性價比、機動靈活等優(yōu)點。其作為傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感與載人航空遙感的強有力補充，隨著應用的不斷深入，優(yōu)勢特點漸趨明晰。

(1)機動靈活。無人機遙感系統(tǒng)操作靈活、攜帶方便、連續(xù)作業(yè)能力強，對監(jiān)測和監(jiān)管區(qū)域、對象具有很強的針對性；無需專用起飛場地，可以隨地起飛作業(yè)；具有系統(tǒng)化和自動化的數(shù)據(jù)處理模式，通過搭載集成了CCD相機和慣導系統(tǒng)的光電倉來獲取可見光影像數(shù)據(jù)和對應的POS(經(jīng)緯度)信息，經(jīng)過內(nèi)業(yè)處理，在數(shù)小時內(nèi)便可以得到正射影像成果，真正實現(xiàn)“所見即所得”。

(2)成果豐富?；跓o人機搭載的傳感器、影像自動校正系統(tǒng)和GPS系統(tǒng)，自動獲取地表航拍影像，最終生成地表數(shù)據(jù)信息。圍繞水土保持應用，可得到現(xiàn)場各角度的高清照片、高清視頻、數(shù)字正射影像(DOM)、數(shù)字表面模型(DSM)、數(shù)字線劃模型(DLG)、數(shù)字化點云地圖、數(shù)字三維模型和Google瓦片等數(shù)據(jù)成果，對應成果可達到厘米級，提高了水土保持相關(guān)數(shù)據(jù)的精度。

(3)無縫集成。在CAD和GIS軟件中，可以將無人機遙感數(shù)字測繪成果與衛(wèi)星遙感影像及其他地理信息數(shù)據(jù)實現(xiàn)無縫集成，并可以生產(chǎn)自帶紋理信息的三維地表模型，實現(xiàn)面積、長度、體積、林草覆蓋率、林草覆蓋度等指標的提取。

(4)宏觀易用。無人機通過調(diào)整航高來選擇高空大面積監(jiān)測或是低空小范圍監(jiān)測，也可以通過多架次對上萬平方公里區(qū)域進行監(jiān)測，提升監(jiān)測信息的宏觀性，為水土保持部門管理和決策提供幫助。

(5)成本較低。無人機遙感兼具衛(wèi)星影像的價格和航空影像的快速采集優(yōu)勢，采用高性能自動處理技術(shù)，整體數(shù)據(jù)采集及處理費用不高，使用成本相對較低。

1.2 無人機遙感系統(tǒng)技術(shù)體系

1.2.1 數(shù)據(jù)獲取

(1)航線規(guī)劃。航線規(guī)劃前，首先要查閱資料判定航拍區(qū)域是否在國家劃定的禁飛區(qū)內(nèi)，并對航拍區(qū)域進行實地踏勘；結(jié)合區(qū)域遙感影像和DEM(數(shù)字高程模型)，掌握整個區(qū)域的地形地貌、地形起伏度及相對高差等；根據(jù)項目區(qū)范圍和數(shù)字成果精度要求進行航線規(guī)劃，設置航線的飛行方向、飛行高度、相機角度、飛行的航向重疊度和旁向重疊度等參數(shù)，通常情況下，盡量保證航向重疊度大于70%、旁向重疊度大于50%(可根據(jù)實際情況調(diào)整)。

(2)地面控制點布設。如果對成果精度要求較高，可以布設地面控制點對成果進行校正，以此來提高影像的精度。地面控制點布設遵循“保證數(shù)量、均勻分布”原則，通常在項目區(qū)內(nèi)均勻布設5～8個易于識別的彩色標志作為地面控制點，并使用差分GPS測得控制點的準確經(jīng)緯度和高程信息。

(3)獲取航空遙感數(shù)據(jù)。在無人機地面站系統(tǒng)中對規(guī)劃的飛行任務進行檢測，確保無人機及地面站系統(tǒng)各項指標信息正常且飛行任務規(guī)劃合理無誤后，再執(zhí)行飛行計劃，獲取項目區(qū)多景航空遙感影像。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理

使用Pix4 Dmapper軟件對多景原始數(shù)據(jù)進行處理，生成DOM和DSM等成果。主要包括4個步驟：①原始數(shù)據(jù)準備。包括影像數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)及控制點數(shù)據(jù)，要確保原始數(shù)據(jù)的完整性，檢查獲取的影像中有沒有質(zhì)量不合格的相片，同時查看POS數(shù)據(jù)文件，檢查航帶變化處的相片號，防止POS數(shù)據(jù)中的相片號與影像數(shù)據(jù)相片號不對應。②建立數(shù)據(jù)處理項目。導入影像照片和POS數(shù)據(jù)，建立照片陣列，設置圖像坐標系統(tǒng)和地理定位、方向等相關(guān)參數(shù)。③導入控制點文件。在有控制點和無控制點的條件下，都可基于原始靜態(tài)照片重建三維模型，生成DOM或者DSM產(chǎn)品。④建立密集點云并進行全自動空三加密生成高精度的DEM和DOM成果。

1.2.3 信息提取

在地理信息系統(tǒng)軟件中，基于DOM和DSM可以獲取生產(chǎn)建設項目擾動面積范圍、填挖方數(shù)量及各項水土保持措施數(shù)量等，結(jié)合生成的三維模型，可以判斷生產(chǎn)建設活動是否超出水土保持方案確定的防治責任范圍，以此來快速評價項目區(qū)的水土保持工作落實情況[1]；在國家水土保持重點工程在建項目抽查和竣工驗收抽查中，通過對無人機DOM影像進行措施圖斑解譯，可以核實抽查圖斑的現(xiàn)狀措施與措施布局圖(或措施變更圖)、竣工驗收圖描述是否一致，措施規(guī)模(面積和數(shù)量)是否屬實，措施質(zhì)量是否合格等。無人機遙感系統(tǒng)水土保持應用技術(shù)流程見圖1。

圖1 無人機遙感系統(tǒng)水土保持應用技術(shù)流程

2 無人機遙感水土保持應用實踐

2.1 生產(chǎn)建設項目水土保持監(jiān)測

開展水土保持監(jiān)測是《中華人民共和國水土保持法》的剛性要求，是生產(chǎn)建設單位必須承擔的一項法律義務，由生產(chǎn)建設單位自行開展或委托第三方機構(gòu)實施，與主體工程建設同步開展。生產(chǎn)建設活動通常具有占地面積大、擾動范圍廣的特點，尤其是線狀項目，監(jiān)測單位很難通過傳統(tǒng)的巡查和踏勘的方式完成全部監(jiān)測工作。無人機低空遙感因具備高精度、實時性和全面性的特點，成為生產(chǎn)建設項目水土保持監(jiān)測新的技術(shù)手段。

生產(chǎn)建設項目水土保持監(jiān)測重點關(guān)注的對象通常是亞米級的各類水土保持措施，而通過無人機獲取的DOM和DSM空間分辨率通?？梢赃_到厘米級，完全可以滿足水土保持監(jiān)測工作需求。基于高精度的DOM，采用地理信息系統(tǒng)空間分析和統(tǒng)計分析，可以獲取目標對象的影像特征和空間分布特征[2-3]。具體監(jiān)測內(nèi)容和方法見表1。

表1 生產(chǎn)建設項目水土保持無人機監(jiān)測內(nèi)容和方法

通過無人機監(jiān)測，水土保持監(jiān)測單位可以協(xié)助建設單位積極落實水土保持“三同時”制度，及時解決監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)的重大水土流失問題，減輕或控制水土流失危害，完成水土流失防治任務，切實履行法定義務。

2.2 生產(chǎn)建設項目水土保持監(jiān)管

2.2.1 生產(chǎn)建設項目水土保持監(jiān)督性監(jiān)測

生產(chǎn)建設項目水土保持監(jiān)督性監(jiān)測與生產(chǎn)建設單位開展的水土保持監(jiān)測性質(zhì)不同，它是由政府組織開展的生產(chǎn)建設項目水土保持監(jiān)測工作，屬于政府行為，具有權(quán)威性和公益性。監(jiān)督性監(jiān)測通過由政府授權(quán)專業(yè)監(jiān)測機構(gòu)開展監(jiān)測和水行政主管部門實施政府購買監(jiān)測技術(shù)服務兩種形式，對生產(chǎn)建設項目水土保持方案實施情況進行過程監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)并制止水土保持違法違規(guī)行為，跟蹤監(jiān)測監(jiān)督檢查意見落實情況，為水土保持監(jiān)督管理提供有效的技術(shù)支撐[4]。因此，監(jiān)督性監(jiān)測單位同樣可以借助無人機遙感系統(tǒng)，對生產(chǎn)建設項目的水土流失防治責任范圍，水土流失發(fā)生的面積、強度和數(shù)量，水土保持措施實施的進度和防治效果，以及是否發(fā)生水土保持違法行為等進行重點監(jiān)測，通過對比水土保持方案確定的防治責任范圍及措施布局，分析生產(chǎn)建設項目擾動狀況的合規(guī)性，為生產(chǎn)建設項目水土保持監(jiān)督執(zhí)法提供數(shù)據(jù)支撐，為生產(chǎn)建設項目水土保持監(jiān)測評價提供依據(jù)。

2.2.2 生產(chǎn)建設項目水土保持“天地一體化”監(jiān)管

生產(chǎn)建設項目水土保持“天地一體化”監(jiān)管是綜合應用國產(chǎn)高分辨率遙感影像、無人機遙感技術(shù)、野外移動信息采集終端等多種技術(shù)，開展生產(chǎn)建設項目水土流失防治責任范圍、擾動地表情況、棄渣場數(shù)量與位置、水土保持措施落實情況等全方位監(jiān)管[5]。需要現(xiàn)場采集的定量監(jiān)管指標大概可以歸納為建設項目擾動土地情況、取土(石、料)場和棄土(石、渣)場的使用情況、施工過程造成的水土流失情況、水土保持措施落實情況[6]4個方面。相關(guān)監(jiān)管指標無人機獲取方法見表2。

2.3 國家水土保持重點工程“圖斑精細化”管理

按照《全國水土保持信息化工作 2017—2018年實施計劃》，各流域機構(gòu)和省級水行政主管部門分工負責，以圖斑為單元對重點工程實施精細化管理，完成在建項目核查和竣工驗收項目抽查工作，重點核實抽查圖斑的現(xiàn)狀措施與措施布局圖(或措施變更圖)、竣工驗收圖描述是否一致，措施規(guī)模是否屬實，措施質(zhì)量是否合格等。無人機遙感系統(tǒng)機動靈活、實時全面的特點為重點工程在建項目核查和已竣工驗收項目圖斑抽查提供了強有力的技術(shù)支撐。將相關(guān)指標無人機獲取方法匯總見表3。

2.4 在水土保持其他方面的應用

除上述水土保持監(jiān)督和監(jiān)測工作外，在以下水土保持工作中也可以使用無人機。

(1)小流域水土保持綜合治理初步設計。國家水土保持小流域綜合治理工程在項目實施前要完成初步設計，首先需要獲取流域內(nèi)的土地利用、林草植被覆蓋度、坡度和土壤侵蝕類型和強度等基本情況。傳統(tǒng)的方法是基于流域地形圖、野外調(diào)查和統(tǒng)計資料獲取流域背景資料，并在CAD等繪圖軟件中對各項水土保持措施進行設計出圖。但一些流域缺少大比例尺地形圖，無法準確地對各項措施進行空間布局，得到的設計圖通常缺少經(jīng)緯度等地理信息，導致無法對措施圖斑進行空間定位和信息化管理，給后續(xù)措施圖斑入庫及“圖斑精細化”管理帶來了很多不便。針對這些情況，可以在設計前以衛(wèi)星遙感影像、無人機遙感影像和地形圖為基礎，對項目區(qū)土地利用、水土保持措施、坡度和植被覆蓋度等現(xiàn)狀進行解譯和計算[7]，按《水土保持工程設計規(guī)范》(GB 51018—2014)、《水利水電工程制圖標準水土保持圖》(SL 73.6—2015)的相關(guān)要求，利用 GIS 等相關(guān)軟件，采用人機交互的方法繪制各項水土保持措施圖斑，完成水土保持措施布局圖，這樣能保證各項措施類型和范圍符合流域地形地貌，流域綜合治理更加科學合理。無人機遙感技術(shù)的應用，避免了采用傳統(tǒng)方法導致的初步設計編制基礎材料不精確、防治措施布局不合理的情況。隨著技術(shù)的進一步發(fā)展，無人機遙感將在典型小流域綜合治理初步設計的基礎調(diào)查中扮演更重要的角色。

(2)水土保持方案編制。線性生產(chǎn)建設項目(如鐵路、公路、輸油輸氣管道工程等)水土保持方案編制過程中通常會出現(xiàn)工程布局跨度大、線路長、地形地貌數(shù)據(jù)獲取不足等問題。借助無人機遙感技術(shù)，能快速獲得項目區(qū)大比例尺正射影像圖和地形三維數(shù)據(jù)，并分析項目區(qū)的地形地貌特征，土壤侵蝕類型和強度特點，從而確定項目區(qū)取土(石、料)場、棄土(渣、石)場的位置，項目建設區(qū)的水土流失防治責任范圍，實現(xiàn)水土保持分區(qū)設置和水土保持防治措施布局，指導項目建設過程中的水土保持工作。

表2 生產(chǎn)建設項目水土保持監(jiān)管指標無人機獲取方法

表3 國家水土保持重點工程“圖斑精細化”管理指標無人機獲取方法

(3)水土保持設施驗收。對生產(chǎn)建設項目水土保持設施進行驗收技術(shù)評估，可使用無人機遙感系統(tǒng)對項目重點區(qū)域的各項水土保持措施數(shù)量、面積、質(zhì)量和保存情況，以及水土流失防治責任范圍內(nèi)的擾動土地整治率、水土流失總治理度和林草植被恢復率等六項防治指標是否達標進行抽查；對穿越無人區(qū)、山區(qū)的線性建設項目，可借助無人機對要求的各項防治措施落實情況進行遠距離核查，并及時反饋核查結(jié)果，保證水保設施的核查率。利用無人機遙感技術(shù)，可以在很大程度上縮短驗收評估時間，提高工作效率，避免人為因素的干擾，提高驗收評估的標準與可靠性[8]。

(4)水土流失危害調(diào)查。典型的水土流失危害表現(xiàn)形式有滑坡、泥石流、沙塵暴、洪災等，通常會造成重大經(jīng)濟損失和水土保持設施破壞等。通過無人機遙感系統(tǒng)和GIS空間分析等，可以快速準確地對災害事件發(fā)生的地點、影響范圍和受災程度進行評估，同時對災害的發(fā)展和演變進行預測和預警，為受災區(qū)域人員疏散轉(zhuǎn)移、防災救災等提供決策支持。

3 結(jié)論與討論

無人機遙感作為一種新型的遙感平臺，是衛(wèi)星遙感和傳統(tǒng)航空遙感的有力補充。因其具有機動靈活、受天氣干擾小、高分辨率及三維建模的獨特優(yōu)勢，目前已應用于水土保持監(jiān)測、水土保持監(jiān)管及水土保持方案編制和設施驗收評估等方面，能滿足水土保持相關(guān)數(shù)據(jù)動態(tài)、準確、及時獲取的需求，彌補了傳統(tǒng)野外調(diào)查方法勞力費時的缺陷，增強了水土保持工作的預見性、計劃性和目的性，成為一種新的水土保持監(jiān)測和監(jiān)管手段。同時，隨著硬件設備的不斷更新優(yōu)化，遙測技術(shù)、信息技術(shù)等相關(guān)軟件技術(shù)的進一步發(fā)展，無人機遙感系統(tǒng)的智能化優(yōu)勢越發(fā)凸顯，有利于促使“空、天、地”一體化在水土保持各領域發(fā)揮更為重要的作用。