無(wú)人機(jī)在坡耕地現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核中的應(yīng)用

謝增武，吳靖，姜傳勇，余雙，梁永堅(jiān)，莫學(xué)海，曾志文

（廣西水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，南寧530023）

珠江流域坡耕地面積大，分布集中，是珠江流域水土流失的主要策源地。珠江流域的坡耕地，主要是由于人口增加，環(huán)境容量承載不了增加的人口，導(dǎo)致群眾墾荒擴(kuò)種，逐步演替形成的[1]。廣西大部分地區(qū)屬于珠江流域，地形以山地、丘陵為主，地形起伏，地少人多，坡耕地廣泛分布，坡耕地在我區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，特別是貧困山區(qū)糧食生產(chǎn)中有著重要的作用[2]。坡耕地水土流失直接經(jīng)濟(jì)損失包括養(yǎng)分流失損失、水分流失損失和泥沙流失損失；間接經(jīng)濟(jì)損失包括水土流失引起土壤肥力和作物產(chǎn)量降低的損失，泥沙淤積水庫(kù)引起水庫(kù)蓄水和灌溉能力下降的損失，泥沙沖淹農(nóng)田引起棄耕的損失等[3-4]。對(duì)坡耕地進(jìn)行改造治理，不僅對(duì)于當(dāng)?shù)厮亮魇е卫?、糧食生產(chǎn)等有直接的經(jīng)濟(jì)效益，而且對(duì)區(qū)域生態(tài)安全、生態(tài)文明建設(shè)有重要貢獻(xiàn)。

無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)憑借其運(yùn)載便利、靈活性高、作業(yè)周期短、影像數(shù)據(jù)分辨率高等優(yōu)勢(shì)，在各領(lǐng)域遙感監(jiān)測(cè)中得到越來(lái)越多的應(yīng)用[5-6]。高分辨率低空無(wú)人機(jī)遙感影像在表達(dá)地物幾何、紋理、拓?fù)潢P(guān)系等特征參量方面更加細(xì)致，增強(qiáng)了對(duì)地物類型的識(shí)別能力，使得地類分布信息的提取更加快捷、細(xì)致[7-8]。水土保持相關(guān)的各種土地利用類型，如經(jīng)果林、水保林、坡耕地等，在高分辨率遙感影像中具有明顯特征，利用無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)獲取高分辨率遙感影，作為衛(wèi)星影像的有效補(bǔ)充，在水土保持行業(yè)及其他相關(guān)領(lǐng)域有很大的應(yīng)用潛力[9]，近年來(lái)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于水土保持重點(diǎn)工程建設(shè)的各個(gè)環(huán)節(jié)。隨著政府就“轉(zhuǎn)變職能、簡(jiǎn)政放權(quán)”提出一系列具體要求，以及近年來(lái)水土保持工程建設(shè)作為生態(tài)文明建設(shè)的內(nèi)容和抓手，越來(lái)越得到各級(jí)政府重視，工程規(guī)模不斷加大，實(shí)施范圍不斷擴(kuò)展。近年來(lái)水利部大力推行“圖斑精細(xì)化”監(jiān)管手段，采用天地一體化動(dòng)態(tài)核查，以圖斑為單元進(jìn)行核查，準(zhǔn)確核實(shí)水土保持重點(diǎn)工程建設(shè)進(jìn)度、措施數(shù)量、任務(wù)完成情況和實(shí)施效果。本文重點(diǎn)研究無(wú)人機(jī)在廣西百色市田陽(yáng)縣2017年坡耕地水土流失綜合治理工程中開(kāi)展“圖斑精細(xì)化”外業(yè)抽查，檢查年度工程建設(shè)管理情況中的應(yīng)用。

1 研究區(qū)概況

田陽(yáng)縣坡耕地土壤流失嚴(yán)重，據(jù)估算，坡耕地土壤流失量占當(dāng)?shù)赝寥懒魇Э偭康?0%以上，而且大部分坡耕地未采取過(guò)任何治理措施。這些坡耕地長(zhǎng)期跑水、跑肥、跑土，廣種薄收，若受干旱影響，產(chǎn)量更低，大大制約了項(xiàng)目區(qū)特色產(chǎn)業(yè)和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。田陽(yáng)縣2017年列入規(guī)劃安排實(shí)施坡耕地綜合治理工程位于田陽(yáng)縣20萬(wàn)畝現(xiàn)代農(nóng)林生態(tài)扶貧產(chǎn)業(yè)核心示范區(qū)內(nèi)，示范區(qū)是根據(jù)自治區(qū)黨委部署把田陽(yáng)縣打造為“四個(gè)示范區(qū)”（特色產(chǎn)業(yè)示范區(qū)、扶貧開(kāi)發(fā)示范區(qū)、鄉(xiāng)村生態(tài)休閑旅游示范區(qū)、文明村風(fēng)和諧鄉(xiāng)村示范區(qū)），打造成集現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、立體開(kāi)發(fā)、綠色生態(tài)、旅游觀光、扶貧聯(lián)動(dòng)、規(guī)模經(jīng)營(yíng)、集約發(fā)展、多措并舉的三次產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展的核心示范區(qū)。

項(xiàng)目區(qū)現(xiàn)有耕地面積1 054.44 hm2，其中坡耕地面積882.2 hm2，約占耕地面積的84%。本區(qū)地處云貴高原南部邊緣地帶，地勢(shì)由西北向東南傾斜，山多地少，屬中低山地貌，高程為400～900 m。山坡自然坡角在5°～45°之間，局部較緩。項(xiàng)目區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，特點(diǎn)是夏天長(zhǎng)，冬天短，四季不甚分明，光照充足，雨量充沛，溫暖濕潤(rùn)。土壤成分主要為紅壤土，質(zhì)地及熟化程度較好，是田陽(yáng)縣主要的甘蔗、玉米產(chǎn)區(qū)之一。

2 無(wú)人機(jī)航拍數(shù)據(jù)獲取

本次采用大疆精靈Phantom4 pro無(wú)人機(jī)，于2017年12月27日中午進(jìn)行，當(dāng)天天氣晴朗無(wú)風(fēng)，適宜于無(wú)人機(jī)飛行，影像獲取時(shí)間選擇正午，以避免太陽(yáng)高度角所引起的陰影對(duì)后期正射影像造成影像，設(shè)定航程高為120 m，像素為1 080 P，相機(jī)各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置適當(dāng)以保證地物成像清晰，航向重疊度70%，側(cè)向重疊度40%，以獲取足夠的影像重疊用于航帶拼接[10]。

3 監(jiān)督檢查技術(shù)方案

本文以“3S”技術(shù)為主要手段，采用遙感解譯和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查相結(jié)合的方法，利用1∶5萬(wàn)高分辨率遙感影像結(jié)合無(wú)人機(jī)影像，對(duì)項(xiàng)目區(qū)土地利用現(xiàn)狀、田間道路、水柜等水土保持措施布設(shè)，并根據(jù)數(shù)字正射影像圖、DEM成果，采取綜合評(píng)價(jià)法，準(zhǔn)確分析項(xiàng)目區(qū)工程建設(shè)管理現(xiàn)狀。

主要工作步驟和技術(shù)路線為：

（1）資料準(zhǔn)備。根據(jù)項(xiàng)目區(qū)實(shí)際條件，全面收集研究區(qū)內(nèi)1∶5萬(wàn)DOM影像數(shù)據(jù)、30 m分辨率DEM數(shù)據(jù)、氣象水文、土地利用等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；以及《全國(guó)坡耕地水土流失綜合治理工程廣西壯族自治區(qū)專項(xiàng)建設(shè)方案（2017～2020年）》、《田陽(yáng)縣2017年坡耕地水土流失綜合治理工程實(shí)施方案》中項(xiàng)目區(qū)水土保持工程措施具體布設(shè)信息。

（2）無(wú)人機(jī)影像軟硬件工作環(huán)境的搭建。硬件設(shè)備主要包括高配置計(jì)算機(jī)工作站，無(wú)人機(jī)設(shè)備等，軟件包括Pix4Dmapper軟件、Arcgis軟件等。Pix4Dmapper軟件系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)空中三角測(cè)量、DEM與正射影像圖自動(dòng)生成，能夠快速、高效地處理無(wú)人機(jī)低空遙感影像數(shù)據(jù)。

（3）外業(yè)調(diào)查、影像匹配及數(shù)據(jù)預(yù)處理。在軟硬件工作環(huán)境的支持下，以國(guó)家水土保持重點(diǎn)工程相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，對(duì)無(wú)人機(jī)影像進(jìn)行預(yù)處理，主要包括影像匹配、外業(yè)控制點(diǎn)測(cè)量、空中三角測(cè)量制作等。

（4）DEM、DOM制作，在空三解算完畢后，Pix4Dmapper軟件系統(tǒng)根據(jù)匹配的同名點(diǎn)和影像方位，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的地面離散點(diǎn)坐標(biāo)，然后由地面離散點(diǎn)生成DEM。雖然軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)匹配，但由于現(xiàn)實(shí)地物的復(fù)雜性（如水體、樹(shù)木、陰影）以及人工地物的影響，在實(shí)際生產(chǎn)中為了提高DEM的精度，采用人工判斷外加和Pix4Dmapper軟件系統(tǒng)自動(dòng)解譯成果相結(jié)合的方法，最終形成DOM、DEM、土地利用現(xiàn)狀圖。

（5）對(duì)比分析。利用生成的DOM、DEM、土地利用現(xiàn)狀圖，利用Arcgis軟件準(zhǔn)確分析這些圖斑實(shí)際實(shí)施的措施類型、數(shù)量（面積、范圍），對(duì)照項(xiàng)目區(qū)水土保持措施設(shè)計(jì)圖，與抽查圖斑的措施類型、邊界、范圍進(jìn)行對(duì)比分析，核實(shí)措施設(shè)計(jì)和實(shí)際實(shí)施情況，并做出結(jié)論。

4 復(fù)核情況分析

采用無(wú)人機(jī)進(jìn)行正射攝影測(cè)量，能夠到國(guó)家水土保持重點(diǎn)工程措施現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行低空航攝，由此獲取水土保持工程措施的影像信息，并通過(guò)計(jì)算機(jī)視覺(jué)算法對(duì)該工程措施進(jìn)行精細(xì)的三維建模。重建出的高真實(shí)度的三維模型，有助于實(shí)現(xiàn)水土保持措施項(xiàng)目的可視化查詢、管理和決策支持，圖1為本次利用無(wú)人機(jī)建立的項(xiàng)目區(qū)三維模型圖。

經(jīng)核查，田陽(yáng)縣2017年度坡耕地水土流失綜合治理工程項(xiàng)目區(qū)邊界及圖版抽查均位于實(shí)施方案設(shè)計(jì)范圍內(nèi)見(jiàn)圖2，圖3。

其中：田陽(yáng)縣2017年度坡耕地水土流失綜合治理工程實(shí)施方案與規(guī)劃階段相比較（紅線范圍為規(guī)劃階段范圍，黑線范圍為實(shí)施方案范圍）圖斑號(hào)1-39完全位于規(guī)劃范圍內(nèi)，實(shí)施方案階段增加圖斑號(hào)40～49，坡改梯治理面積由301.62 hm2增加至305.59 hm2；實(shí)施方案與現(xiàn)場(chǎng)抽查對(duì)比實(shí)施范圍均位于頭塘鎮(zhèn)的聯(lián)坡村和三雷林場(chǎng)，經(jīng)對(duì)比，項(xiàng)目區(qū)邊界及圖版抽查均位于實(shí)施方案設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。

圖1 田陽(yáng)縣2017年度坡耕地水土流失綜合治理工程現(xiàn)場(chǎng)三維影像

圖2 項(xiàng)目區(qū)規(guī)劃范圍與實(shí)施方案范圍對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

（1）近年來(lái)，國(guó)家加大了水土保持基礎(chǔ)設(shè)施與能力建設(shè)方面的投入，廣西壯族自治區(qū)各級(jí)人民政府按照水利部總體方案開(kāi)展水土保持監(jiān)督管理能力建設(shè)，雖然我區(qū)水土保持監(jiān)管能力有了很大的提升，但是隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及國(guó)家不斷加大在國(guó)家水土保持重點(diǎn)工程建設(shè)方面的投資，總體看國(guó)家水土保持重點(diǎn)工程監(jiān)管能力發(fā)展水平目前還不能完全與之適應(yīng)。

圖3 項(xiàng)目區(qū)圖斑抽查范圍與實(shí)施方案范圍對(duì)比

（2）本文對(duì)利用無(wú)人機(jī)，開(kāi)展“圖斑精細(xì)化”外業(yè)抽查，檢查年度工程建設(shè)管理情況中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，結(jié)果表明利用無(wú)人機(jī)結(jié)合地理信息系統(tǒng)（GIS）、全球定位系統(tǒng)（GPS）在水土保持監(jiān)督檢查的中有效結(jié)合，提高了現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核的準(zhǔn)確度并極大地提升了效率。

（3）無(wú)人機(jī)技術(shù)通過(guò)采用先進(jìn)的定位技術(shù)，嵌入精確的地理信息、更豐富的影像信息、更高級(jí)的用戶體驗(yàn)，極大地?cái)U(kuò)展了遙感影像的應(yīng)用領(lǐng)域，無(wú)人機(jī)技術(shù)作為新興監(jiān)督檢查手段可以作為水土保持監(jiān)督管理的有效補(bǔ)充，在水土保持行業(yè)及其他涉及到野外作業(yè)的相關(guān)領(lǐng)域都有很大的應(yīng)用潛力。