陳 宇，魏玉濤，楊泳鵬，王澤祥

（1.海河水利委員會(huì)海河流域水土保持監(jiān)測中心站，天津 300170；2.漳衛(wèi)南運(yùn)河管理局防汛機(jī)動(dòng)搶險(xiǎn)隊(duì)，山東 德州 253011；3.漳衛(wèi)南運(yùn)河四女寺樞紐工程管理局，山東 德州 253315）

隨著生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)管的加強(qiáng)，水土保持監(jiān)測成為反映水土保持工作落實(shí)的重中之重，全面、客觀、準(zhǔn)確、及時(shí)的監(jiān)測數(shù)據(jù)為水土保持管理和監(jiān)管提供了最直接的標(biāo)尺和抓手。無人機(jī)技術(shù)是以無人機(jī)為空中平臺，獲取地面影像數(shù)據(jù)，利用三維建模等軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析和提取地物信息，并按照一定精度要求制作成圖像的綜合技術(shù)。通過無人機(jī)技術(shù)獲取生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目的施工進(jìn)展情況、擾動(dòng)范圍、水土流失防治情況等水土保持相關(guān)長度、面積和體積數(shù)據(jù)[1-3]，有效地解決了水土保持監(jiān)測工作中“到不了、看不全、效率低、精度差”的問題[4]，同時(shí)滿足了建設(shè)單位和水行政主管部門對監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、完整性和及時(shí)性的要求[5]，也大大提升了水土保持監(jiān)測工作的效率和精度[6]。本文以某水利樞紐除險(xiǎn)加固工程水土保持監(jiān)測為例，通過在工程建設(shè)全過程使用無人機(jī)技術(shù)開展監(jiān)測，總結(jié)了無人機(jī)技術(shù)在生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測工作過程中的經(jīng)驗(yàn)和關(guān)鍵，并對存在的問題進(jìn)行分析和梳理，以期為生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測、管理和監(jiān)督提供參考。

1 工程概況

該水利樞紐位于兩省三縣（區(qū)）交界處，是重要的防洪控制樞紐，是一座具有防洪、排澇、灌溉等綜合利用功能的大型水閘。工程地處半濕潤半干旱地區(qū)，土壤類型為潮土；冬季干冷降雨不多，夏季濕熱降雨集中，多雷雨大風(fēng)，多年平均降水量565.9 mm；植被類型為暖溫帶落葉闊葉林。該水利樞紐除險(xiǎn)加固工程涉及主體工程區(qū)、閘管區(qū)、取土場區(qū)、棄渣場區(qū)、交通道路區(qū)和施工生產(chǎn)生活區(qū)6 個(gè)水土保持分區(qū)，工程建設(shè)具有周期短、施工擾動(dòng)變化快和涉及水域等特點(diǎn)。

本工程水土保持監(jiān)測時(shí)間自施工準(zhǔn)備期開始至自然恢復(fù)期結(jié)束，重點(diǎn)和難點(diǎn)為工程擾動(dòng)占地面積、土石方量、棄土渣量和植物措施量的監(jiān)測。監(jiān)測期間，每季度利用無人機(jī)進(jìn)行航飛監(jiān)測2～3 次，獲取工程建設(shè)全過程的三維建模、DOM（數(shù)字正射影像，下同）等影像數(shù)據(jù)，分析提取工程建設(shè)占地面積、擾動(dòng)地表面積變化、土石方及棄方變化和水土保持措施實(shí)施情況等水土保持相關(guān)數(shù)據(jù)和指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上針對現(xiàn)場水土保持情況提出相關(guān)完善和落實(shí)建議，并完成水土保持監(jiān)測成果的計(jì)算分析和編報(bào)任務(wù)。利用無人機(jī)技術(shù)可以獲取各水土保持監(jiān)測分區(qū)的主要監(jiān)測數(shù)據(jù)，詳見表1。

表1 無人機(jī)技術(shù)可以獲取的各水土保持監(jiān)測分區(qū)的主要監(jiān)測數(shù)據(jù)情況

施工準(zhǔn)備期三維模型如圖1 所示，自然恢復(fù)期三維模型如圖2所示。

圖1 施工準(zhǔn)備期三維模型

圖2 自然恢復(fù)期三維模型

2 無人機(jī)技術(shù)監(jiān)測工作開展

2.1 直觀查看工程進(jìn)度

利用無人機(jī)對工程各監(jiān)測分區(qū)進(jìn)行航飛，獲取工程建設(shè)區(qū)域多角度的照片和視頻，全面直觀查看工程的施工進(jìn)度和各項(xiàng)水土保持措施的落實(shí)情況，全方位記錄工程進(jìn)展。在該工程水土保持監(jiān)測過程中，及時(shí)為建設(shè)單位提供全方位的無人機(jī)航拍影像資料，為工程進(jìn)度管理和水土保持措施實(shí)施尤其是臨時(shí)措施的實(shí)施和完善提供了充分的依據(jù)。

2.2 準(zhǔn)確獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)

通過三維建模軟件對航拍照片進(jìn)行處理，生成三維模型、DOM等，可直接量測或利用ArcGIS軟件提取各水土保持監(jiān)測分區(qū)的土地?cái)_動(dòng)面積、開挖填方量和已實(shí)施水土保持工程措施、植物措施、臨時(shí)措施種類和數(shù)量。根據(jù)批復(fù)的水土保持方案中水土流失防治責(zé)任范圍和水土保持措施設(shè)計(jì)情況，分別建立相應(yīng)的圖層進(jìn)行疊加分析，判斷施工擾動(dòng)是否超防治責(zé)任范圍[7]、水土保持措施體系是否完善、數(shù)量和標(biāo)準(zhǔn)是否符合設(shè)計(jì)要求，并進(jìn)行水土流失防治六項(xiàng)指標(biāo)計(jì)算等。相比較傳統(tǒng)的水土保持監(jiān)測，無人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用提高了監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取的自主性，減少了對施工單位和建設(shè)單位的依賴。在該工程監(jiān)測過程中，由于前期方案設(shè)計(jì)處于可行性研究階段，取土場需要進(jìn)行變更，充分利用無人機(jī)技術(shù)對取土場變更位置和范圍進(jìn)行了測量和記錄，不僅全面記錄了防治責(zé)任范圍的變化，而且為取土場變更和面積確認(rèn)提供了數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。

2.3 明確季度變化情況

水土保持監(jiān)測單位每季度須向建設(shè)單位和水行政主管部門報(bào)送監(jiān)測季度報(bào)告表，而其需要客觀、真實(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行支撐。無人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用充分滿足了這一需求。通過對提取的數(shù)據(jù)進(jìn)而對工程的進(jìn)度和水土保持措施落實(shí)情況進(jìn)行詳細(xì)的分析對比，可以計(jì)算出季度報(bào)告中所需要的數(shù)據(jù)。在該工程水土保持監(jiān)測過程中，季度報(bào)告中擾動(dòng)面積、水土保持措施數(shù)量類型和土石方等數(shù)據(jù)均來自于無人機(jī)技術(shù)處理提取的數(shù)據(jù)和計(jì)算的結(jié)果，客觀、真實(shí)地反映了各階段工程的變化情況。

2.4 溯源監(jiān)測數(shù)據(jù)，監(jiān)測建議更具針對性

該工程監(jiān)測過程中，全過程應(yīng)用無人機(jī)技術(shù)，記錄了工程從施工準(zhǔn)備到自然恢復(fù)期的全過程各個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的照片、視頻和三維實(shí)景模型，做到了監(jiān)測數(shù)據(jù)可溯源、痕跡化管理。由于通過三維實(shí)景模型和無人機(jī)影像可以無死角地發(fā)現(xiàn)水土保持措施落實(shí)短板，及時(shí)在過程中發(fā)現(xiàn)水土保持措施落實(shí)不到位和不及時(shí)的情況，所以依此提出的建議更具針對性，并讓問題得到及時(shí)的整改和落實(shí)，把問題解決在現(xiàn)場和過程中，為后續(xù)水土保持設(shè)施自主驗(yàn)收打下了良好的基礎(chǔ)。

3 全面發(fā)揮無人機(jī)技術(shù)監(jiān)測優(yōu)勢

3.1 原始地貌航飛是前提

全面發(fā)揮無人機(jī)技術(shù)監(jiān)測優(yōu)勢的前提是對工程建設(shè)的原始地貌進(jìn)行航飛。在施工準(zhǔn)備期及時(shí)對工程建設(shè)區(qū)域尤其是水土流失防治責(zé)任范圍進(jìn)行航飛，獲取工程建設(shè)前原始地貌資料的影像資料、高精度三維實(shí)景模型和DOM。并根據(jù)批復(fù)的水土保持方案，把防治責(zé)任范圍、水土保持措施工程量和類型矢量化，為后續(xù)水土保持?jǐn)?shù)據(jù)對比分析奠定基礎(chǔ)。

3.2 全區(qū)域航飛是基礎(chǔ)

全面發(fā)揮無人機(jī)技術(shù)監(jiān)測優(yōu)勢的基礎(chǔ)是對工程建設(shè)全區(qū)域航飛。根據(jù)工程施工進(jìn)度和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，結(jié)合監(jiān)測工作需要對監(jiān)測各個(gè)分區(qū)全區(qū)域進(jìn)行航飛，獲取該時(shí)間節(jié)點(diǎn)影像資料、高精度三維實(shí)景模型和DOM，獲取工程建設(shè)的施工擾動(dòng)和水土保持措施落實(shí)情況以及相關(guān)水土保持?jǐn)?shù)據(jù)，及時(shí)掌握工程水土保持情況，發(fā)現(xiàn)存在的問題，并有針對性地提出改進(jìn)和完善建議。

3.3 三維實(shí)景建模是抓手

全面發(fā)揮無人機(jī)技術(shù)監(jiān)測優(yōu)勢的抓手是對工程建設(shè)區(qū)域進(jìn)行三維實(shí)景建模。三維實(shí)景模型可以準(zhǔn)確、全面、直觀地呈現(xiàn)工程水土保持現(xiàn)狀，獲取水土保持監(jiān)測各個(gè)分區(qū)的擾動(dòng)面積、水土保持措施實(shí)施數(shù)量和類型以及其他相關(guān)的長度、面積、體積等信息。同時(shí)，三維實(shí)景模型可任意縮放、360°旋轉(zhuǎn)，從不同高度、不同角度查看瀏覽工程現(xiàn)場水土保持具體情況并可進(jìn)行實(shí)時(shí)量測，不用到達(dá)現(xiàn)場也可全方位了解現(xiàn)場的全貌和具體細(xì)節(jié)，從空間和時(shí)間維度對工程水土保持情況進(jìn)行解析，為水土保持監(jiān)測工作提供強(qiáng)有力的技術(shù)和數(shù)據(jù)支撐。

4 存在的問題與建議

4.1 特殊區(qū)域數(shù)據(jù)確定

由于無人機(jī)航飛無法對特殊區(qū)域如水面下方、林下區(qū)域進(jìn)行拍攝，特殊區(qū)域的土地?cái)_動(dòng)情況、水土保持措施數(shù)量和類型無法通過無人機(jī)技術(shù)直接提取獲得。因此，需要結(jié)合獲取的原始地貌高精度三維模型，在前期水土保持工作開展時(shí)，對該區(qū)域進(jìn)行定位和劃分，并根據(jù)實(shí)地查勘和監(jiān)測情況進(jìn)行數(shù)據(jù)的補(bǔ)充測量和確定。

4.2 重復(fù)性水土保持措施工程量確定

由于天氣因素的影響，臨時(shí)苫蓋的密目網(wǎng)不可避免地會(huì)遭到損壞，需要重新苫蓋；而撒播的草籽由于成活率或者施工擾動(dòng)等情況影響，需要進(jìn)行重新撒播草籽。這類重復(fù)性的水土保持措施，一般情況下很難通過無人機(jī)獲取的影像或三維模型進(jìn)行量算獲取。因此，在該工程監(jiān)測過程中，對于臨時(shí)苫蓋、撒播草籽等重復(fù)性的水土保持措施需根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測和實(shí)地調(diào)查進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和匯總確定。

4.3 植物措施類型及規(guī)格獲取

受三維建模軟件技術(shù)條件限制，對喬木和灌木等植物措施的模型還原一直是個(gè)難題。在三維模型中可直接量測植物措施的面積和數(shù)量，但很難判斷出栽植的喬灌草的種類和規(guī)格。因此，對于植物措施的種類和規(guī)格，需要結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測和實(shí)地調(diào)查情況獲取，并賦予到矢量圖層屬性中。

4.4 土壤侵蝕模數(shù)確定

土壤侵蝕量計(jì)算是生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)[8]。利用無人機(jī)技術(shù)無法直接提取出工程各個(gè)水土保持監(jiān)測分區(qū)的土壤侵蝕量，但可利用生成的DOM 間接計(jì)算。利用ArcGIS 在DOM上提取各個(gè)水土保持監(jiān)測分區(qū)的建筑物、硬化和工程措施的面積，把這些區(qū)域土壤侵蝕模數(shù)定為0；其他區(qū)域根據(jù)坡度和植被蓋度，結(jié)合《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》等確定侵蝕模數(shù)，在此基礎(chǔ)上根據(jù)面積權(quán)重計(jì)算各個(gè)分區(qū)的土壤侵蝕量。

4.5 無人機(jī)數(shù)據(jù)使用

目前，在生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測工作中明確要求使用無人機(jī)、衛(wèi)星遙感等技術(shù)手段開展監(jiān)測，無人機(jī)技術(shù)在水土保持監(jiān)測工作中發(fā)揮了越來越重要的作用。無人機(jī)技術(shù)采集越來越多的照片、視頻和三維模型等數(shù)據(jù)，積累了大量的無人機(jī)成果數(shù)據(jù)，怎么把有時(shí)序有變化的這些數(shù)據(jù)充分利用起來，為水土保持監(jiān)測、驗(yàn)收和水行政主管部門監(jiān)管服務(wù)成為水土保持工作中受到關(guān)注的問題。建議由水行政主管部門建立統(tǒng)一的在線監(jiān)管平臺，監(jiān)測單位把獲取的無人機(jī)數(shù)據(jù)作為成果報(bào)告報(bào)送的內(nèi)容上傳到監(jiān)管平臺，開發(fā)數(shù)據(jù)對比分析和數(shù)據(jù)提取等功能，統(tǒng)一無人機(jī)數(shù)據(jù)成果標(biāo)準(zhǔn)，為生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持工作提供技術(shù)和數(shù)據(jù)支撐。

5 結(jié)語

把無人機(jī)技術(shù)引入生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測工作中，可以大大提高工作效率和精度；同時(shí)，建成全過程的電子數(shù)據(jù)檔案和三維實(shí)景模型，可以直觀、準(zhǔn)確地反映工程水土保持現(xiàn)狀，并能定量獲取水土保持相關(guān)數(shù)據(jù)和指標(biāo)，為水土保持監(jiān)測工作提供技術(shù)支撐。但也存在著無人機(jī)技術(shù)難以獲取的水土保持監(jiān)測數(shù)據(jù)，仍需通過現(xiàn)場查勘或調(diào)查來完善和補(bǔ)充。通過以上實(shí)踐思考，總結(jié)了無人機(jī)技術(shù)在生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測中的優(yōu)點(diǎn)和不足，嘗試性地提出了有關(guān)問題的解決思路，以期隨著無人機(jī)設(shè)備的更新、傳感器設(shè)備種類的增加、建模軟件和相關(guān)數(shù)據(jù)挖掘、分析軟件的更加智能與便捷為水土保持監(jiān)測工作提供更加科學(xué)的支撐。