無人機遙感技術(shù)在生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測中的應(yīng)用
——以清遠抽水蓄能電站為例

李嵐斌，金平偉，李 樂，王玉瑯，黃 俊

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

生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測是準確掌握項目建設(shè)水土流失動態(tài)變化和水土保持措施實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，對可能造成嚴重水土流失的大中型生產(chǎn)建設(shè)項目，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)測資質(zhì)的機構(gòu)，對生產(chǎn)建設(shè)活動造成的水土流失進行監(jiān)測，并將監(jiān)測情況定期上報當(dāng)?shù)厮姓鞴懿块T。

自新水土保持法頒布實施以來，國家愈加重視和規(guī)范生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測工作，2015年水利部印發(fā)的《生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測規(guī)程(試行)》明確要求不小于100 hm2的點型項目，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的線型項目應(yīng)增加遙感監(jiān)測方法開展水土保持監(jiān)測?！端克帘３炙娟P(guān)于印發(fā)生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測工作檢查要點的通知》(水保監(jiān)便字〔2015〕第72號)將遙感監(jiān)測列為監(jiān)測實施檢查要點，“按規(guī)定應(yīng)采用遙感監(jiān)測方法的生產(chǎn)建設(shè)項目，遙感監(jiān)測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〈全國水土保持規(guī)劃(2015—2030年)〉的意見》(水保〔2016〕37號)中明確提出要強化水土保持事中事后監(jiān)管，加快運用無人機、遙感等現(xiàn)代化技術(shù)手段，提高監(jiān)督執(zhí)法效能，切實做好水土保持方案實施情況的跟蹤檢查。

1 生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測方法

生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測方法主要包括地面監(jiān)測、調(diào)查監(jiān)測和遙感監(jiān)測等[1]。地面監(jiān)測、調(diào)查監(jiān)測目前已被廣泛應(yīng)用，具有省時、省力、簡便易行等特點，但是精度較低、人為干預(yù)較大，尤其在監(jiān)測人員無法或難以達到的區(qū)域，無法獲取數(shù)據(jù)，加上項目區(qū)擾動快、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)星遙感較難獲取項目區(qū)特定時段遙感影像。目前，一幅衛(wèi)星影像最小定制為面積25 km2，而單價往往高達每平方公里數(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)測工作中的推廣應(yīng)用。

無人機遙感作為空間數(shù)據(jù)獲取的重要手段之一，具有輕小、續(xù)航時間長、成本低、分辨率高、機動靈活等優(yōu)點，是衛(wèi)星遙感的有力補充，在國內(nèi)外已得到廣泛應(yīng)用[5]，可實現(xiàn)對生產(chǎn)建設(shè)項目的“實時”更新，與商業(yè)衛(wèi)星相比，有著明顯的成本優(yōu)勢。Torres-Sánchez等[6]、Francisco等[7]使用低空高分辨率無人機遙感影像開展了精準農(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遙感影像開展了摩洛哥土壤侵蝕量監(jiān)測，為水土保持治理工作提供了參考。梁志鑫[10]、楊愷[11]等通過無人機技術(shù)開展生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測工作，均認為無人機遙感技術(shù)彌補了傳統(tǒng)監(jiān)測手段的不足之處，有效提高了項目監(jiān)測的精度、效率及自動化程度，但對于無人機技術(shù)在生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測中的適用性未進行探討。

因此，本研究針對水土保持監(jiān)測工作中需要解決的問題，選擇典型生產(chǎn)建設(shè)項目，對無人機遙感技術(shù)在生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測中的適用性進行了探索性的研究。

2 無人機遙感技術(shù)的應(yīng)用

2.1 項目區(qū)基本情況

廣東清遠抽水蓄能電站位于廣東省清遠市清新縣太平鎮(zhèn)境內(nèi)(圖1)。項目擬裝4臺單機320 MW水泵水輪發(fā)電機，總裝機容量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85%以上。

2.2 無人機相關(guān)參數(shù)

本研究先后選用Avian華鷹無人機和DJ Inspire1無人機對項目區(qū)進行航拍。Avian華鷹無人機起飛方式為彈射式，重量4.3 kg，巡航速度65 km/h，飛行時間約50 min，搭載相機型號為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，最長飛行時間約18 min，相機影像傳感器為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華鷹無人機在進行航攝成像時，需要提前完成航線規(guī)劃并設(shè)定地面控制點，之后攜帶固定焦相機沿飛行線(或條帶)獲取中心投影的航空像片。DJ Inspire1無人機在進行航攝成像時，可根據(jù)實際需求隨時改變航線。飛行后經(jīng)過無人機后處理軟件IPS4.2處理獲取項目區(qū)正射影像及DSM數(shù)據(jù)。

2.3 數(shù)據(jù)處理

利用arcGIS10.2對項目區(qū)正射影像進行處理，鑒于無人機航拍影像分辨率高，生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持相關(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目區(qū)水土保持相關(guān)數(shù)據(jù)。

a) 擾動面積。擾動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行勾繪解譯，解譯成果除形成項目區(qū)擾動土地分布圖外，還可與防治責(zé)任范圍專題圖進行矢量疊加，綜合判定項目區(qū)人為擾動面積有無超出防治責(zé)任范圍。

采用SPSS 22.0軟件對數(shù)據(jù)進行分析處理，牙周袋探診深度、臨床附著水平、牙齦指數(shù)、牙齒松動度、牙槽骨高度等指標為計量資料，采用（±s）表示，滿足正態(tài)分布和方差齊性后，組間相較采用獨立t檢驗，以P＜0.05表示差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。

b) 水土流失情況。水土流失情況包括土壤流失面積、土壤侵蝕強度和水土流失危害等。土壤流失面積基于高分辨率無人機影像通過目視解譯方法獲??；土壤侵蝕強度基于“土壤侵蝕分類分級標準(SL 190─2007)”計算獲得，其中關(guān)鍵參數(shù)：土地利用基于高分辨率無人機影像目視解譯獲得、植被覆蓋度基于高分辨率無人機正射影像采用VDVI指標計算獲取[12]、坡度信息基于無人機數(shù)值高程模型獲取。地面監(jiān)測點監(jiān)測結(jié)果對上述獲取的土壤侵蝕強度進行驗證，獲得項目區(qū)土壤侵蝕強度分布。

c) 水土保持措施。水土保持措施包括工程措施、植物措施和臨時措施，主要通過目視解譯方法結(jié)合項目區(qū)現(xiàn)場監(jiān)測資料進行解譯。

d) 取(棄)土場。取(棄)土場解譯內(nèi)容包括擾動面積、取(棄)土方量、水土保持防護措施等，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兩次航拍的DSM數(shù)據(jù)在arcGIS10.2中進行差值計算。

e) 水土保持設(shè)計變更。將項目區(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遙感影像進行精確地理配準，綜合判讀項目區(qū)主體工程及取(棄)土場的位置、數(shù)量是否存在設(shè)計變更現(xiàn)象。

3 結(jié)果與分析

3.1 擾動土地面積監(jiān)測

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

3.2 水土流失監(jiān)測

利用無人機監(jiān)測獲取的影像成果，通過目視解譯提取項目區(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標準，綜合判別項目區(qū)土壤侵蝕強度。

圖3為項目區(qū)上庫土壤侵蝕強度分布。目前項目區(qū)侵蝕類型主要為水力侵蝕，土壤侵蝕強度以微度為主，各項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)邊坡采取噴砼護坡、綠化等措施進行防護，侵蝕強度較小，主要為微度、輕度；棄渣場已全部進行平整并采取植物措施進行防護，侵蝕強度以輕度為主；上庫采石場目前已停止使用，但部分區(qū)域未采取水土保持措施進行防護，侵蝕強度較為嚴重。

3.3 水土保持措施監(jiān)測

圖4為項目區(qū)上庫典型區(qū)域水土保持措施統(tǒng)計。該區(qū)域水土保持措施類型主要為漿砌石護坡、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+無紡布覆蓋進行防護，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，通過對無人機影像成果進行目視解譯，可精確統(tǒng)計項目區(qū)各類水土保持措施面積。

3.4 取(棄)土場監(jiān)測

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

圖5為項目區(qū)副壩四壩后棄渣場的遙感監(jiān)測影像。由5a可知，目前該渣場已結(jié)束棄渣，并采取了水土保持措施進行防護，渣場占地面積3.93 hm2，已全部進行平整并采取植物措施進行防護；由圖5b可知，渣場坡腳處修建有擋墻、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)，渣場周邊排水溝寬度為0.6 m。

3.5 水土保持設(shè)計變更

通過選取項目區(qū)典型區(qū)域(道路、水域、建筑等)作為控制點，將施工平面布置圖與無人機影像進行地理配準后作對比分析，判別項目實際建設(shè)內(nèi)容、地點等是否存在設(shè)計變更。

圖6為項目區(qū)新增臨時棄土場監(jiān)測對比，將無人機影像與配準后的項目區(qū)施工平面布置圖進行疊加分析后，發(fā)現(xiàn)該棄土場為新增臨時棄土場，與原施工布置圖存在設(shè)計變更。監(jiān)測單位根據(jù)監(jiān)測結(jié)果建議建設(shè)單位及時完成棄渣場變更設(shè)計，并報送水行政主管部門備案。

3.6 討論

通過研究可知，利用無人機遙感技術(shù)可以較精確完成生產(chǎn)建設(shè)項目擾動土地面積、取(棄)土場、水土流失、水土保持措施等監(jiān)測工作，結(jié)合項目區(qū)工程資料，可完成項目區(qū)水土保持工程設(shè)計、防治指標落實情況等監(jiān)測工作。無人機具有輕小、成本低、分辨率高、機動靈活等優(yōu)點，是完成生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測的有效工具。

同時，無人機遙感監(jiān)測在應(yīng)用上尚存在一些不足，由于生產(chǎn)建設(shè)項目地形復(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，在利用高程動態(tài)監(jiān)測土石方變化、通過提取坡度計算侵蝕強度等方面存在一定誤差。本次研究選取的項目為點狀工程，面對線路較長的線型工程，無人機遙感監(jiān)測的工作量將大大增加。

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

Avian華鷹無人機和DJ Inspire1無人機相比，在飛行面積、數(shù)據(jù)精度等方面均有較大優(yōu)勢，但起飛及降落時對場地條件要求較高，鑒于項目區(qū)地形復(fù)雜，操作簡單、起飛、降落對場地要求較小的DJ 無人機更適合生產(chǎn)建設(shè)項目的無人機航拍監(jiān)測工作。

4 結(jié)論與展望

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，工業(yè)化和城市化進程的加快，生產(chǎn)建設(shè)項目導(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，國家對生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測監(jiān)管的力度也將越來越大[13]。作為衛(wèi)星遙感的有力補充，利用無人機遙感實現(xiàn)對生產(chǎn)建設(shè)項目項目整個項目期全方位監(jiān)測，必將成為未來水土監(jiān)測工作的重要思路。本研究表明，無人機遙感技術(shù)是一種快速獲取生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持信息的有效方式，是提高水土保持監(jiān)測工作精度、效率及自動化程度的一種重要工具。

由于水土保持監(jiān)測工作具有綜合性、特殊性和廣泛性，其標準具有復(fù)雜性和難檢測性，尚需要廣大水土保持科研人員和監(jiān)測工作者對無人機遙感技術(shù)在使用過程中出現(xiàn)的各種問題進行研究探討。隨著監(jiān)測技術(shù)手段的改進，生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測工作將會越來越規(guī)范，整個生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測工作形勢必將一片大好。