無(wú)人機(jī)技術(shù)在生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)中的運(yùn)用方法及分析

李延強(qiáng)

(甘肅中略海利咨詢(xún)服務(wù)有限公司，甘肅 武威 733000)

1 工程概況

大紅溝建筑用石料礦建設(shè)項(xiàng)目位于天祝藏族自治縣城約110°方向，直線(xiàn)距離13 km的大紅溝，與鶯鴿咀村直線(xiàn)距離1.3 km，行政區(qū)隸屬天祝藏族自治縣松山鎮(zhèn)管轄，松山鎮(zhèn)地處祁連山脈毛毛山南麓松山灘草原，東北與古浪縣接壤，東南與景泰縣、永登縣接壤，西鄰縣城華藏寺。礦區(qū)屬溫帶大陸性半濕潤(rùn)氣候。據(jù)天祝藏族自治縣氣象站資料年平均氣溫1℃，年平均降水量270 mm，相對(duì)無(wú)霜期127 d，多年平均相對(duì)濕度67%，最大凍結(jié)深度170 cm。縣域內(nèi)降水量自東向西減少。東部關(guān)山一帶年均降水量為620 mm，中西部淺山區(qū)及黃土梁峁溝壑區(qū)年均降水量為580 mm～600 mm。降水量的年內(nèi)分配很不均勻，歷年入春以后降水逐漸增多，汛期6月～9月降水量集中，可達(dá)450 mm，占全年降水量的72.6%；10月以后降水逐漸減少，冬季雨雪稀少。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，境內(nèi)24 h最大降水量為92.3 mm，1 h最大降水量為43.4 mm，30 min最大降水量為33.6 mm。旱情多出現(xiàn)于春季、初夏和伏期，輕者間隔數(shù)年，嚴(yán)重者連年發(fā)生。建設(shè)規(guī)模與開(kāi)采服務(wù)年限：礦權(quán)面積0.3308 km2，設(shè)計(jì)開(kāi)采面積0.256 km2，開(kāi)采標(biāo)高2770 m～2665 m。設(shè)計(jì)采、選儲(chǔ)量696.56×104m3，實(shí)際開(kāi)采量661.73×104m3、采、選規(guī)模30萬(wàn)m3/a。

開(kāi)采方式及開(kāi)采年限：該工程采用采用露天開(kāi)采方式。開(kāi)采年限為3 a。

工程總投資：工程項(xiàng)目總投資1365.9萬(wàn)元，全部由公司自籌。

建設(shè)工期：工程已于2018年8月完成“三通一平”，目前處于待建狀態(tài)，計(jì)劃2019年建成投產(chǎn)。

本工程總占地面積13.93 hm2，均為永久占地。建設(shè)期和運(yùn)行期土石方開(kāi)挖總量為678.14萬(wàn)m3，回填28.66萬(wàn)m3，廢方14.59萬(wàn)m3，全部為運(yùn)行期產(chǎn)生的采礦區(qū)地表剝離土方。

1.1 水土流失防治標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行等級(jí)

根據(jù)《全國(guó)水土保持規(guī)劃國(guó)家級(jí)水土流失重點(diǎn)預(yù)防區(qū)和重點(diǎn)治理區(qū)符合劃分成果的通知》和《甘肅省人民政府關(guān)于劃定省級(jí)水土流失重點(diǎn)預(yù)防區(qū)和重點(diǎn)治理區(qū)的公告》，項(xiàng)目區(qū)屬于甘肅省省級(jí)重點(diǎn)治理區(qū)。因此，水土流失防治標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行建設(shè)類(lèi)項(xiàng)目二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)《土壤侵蝕分類(lèi)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(SL-190-2007)，項(xiàng)目區(qū)容許土壤流失量為1000 t/(km2·a)。

1.2 水土流失預(yù)測(cè)結(jié)果

本工程建設(shè)可能造成的水土流失總量約為1070.856 t，其中新增水土流失量約737.806 t；各預(yù)測(cè)單元新增水土流失量依次為開(kāi)采區(qū)612.645 t、采/選工業(yè)場(chǎng)區(qū)76.375 t、道路區(qū)41.454 t、辦公生活區(qū)7.332 t、分別占新增水土流失總量的83.04%、10.35%、5.62%、0.99%。

2 水土保持無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)方法與運(yùn)用

2.1 監(jiān)測(cè)范圍和時(shí)段

對(duì)項(xiàng)目建設(shè)區(qū)、生產(chǎn)區(qū)和直接影響區(qū)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)范圍為工程建設(shè)征占、使用和其他擾動(dòng)區(qū)域總面積13.93 hm2，項(xiàng)目分區(qū)平面圖見(jiàn)圖1。

圖1 項(xiàng)目分區(qū)平面圖

監(jiān)測(cè)時(shí)段應(yīng)根據(jù)開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目類(lèi)型來(lái)確定，本項(xiàng)目為建設(shè)生產(chǎn)類(lèi)項(xiàng)目，根據(jù)開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持方案編制技術(shù)規(guī)范的有關(guān)規(guī)定，其監(jiān)測(cè)時(shí)段分為施工期、運(yùn)行期和自然恢復(fù)期，本項(xiàng)目確定檢測(cè)時(shí)段為2019年～2022年。

本方案水土保持監(jiān)測(cè)擬設(shè)固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)5處。開(kāi)采區(qū)、采/選工業(yè)場(chǎng)區(qū)、辦公生活區(qū)、道路區(qū)各一處；原地貌1處。

監(jiān)測(cè)頻次：調(diào)查監(jiān)測(cè)頻次在施工期的中間及結(jié)束后各進(jìn)行一次全面的調(diào)查監(jiān)測(cè)，在水土保持措施開(kāi)始實(shí)施后，春秋季各監(jiān)測(cè)一次；定位監(jiān)測(cè)：主要安排在5月～9月，每月各監(jiān)測(cè)一次，每次暴雨后增加監(jiān)測(cè)次數(shù)，植物措施主要在春、夏、秋季監(jiān)測(cè)。水土流失危害事件發(fā)生后7日內(nèi)報(bào)送水土流失危害事件報(bào)告。

2.2 設(shè)備及參數(shù)

航拍采用大疆精靈4RTK無(wú)人機(jī)搭載配備1英寸2000萬(wàn)像素CMOS。相機(jī)支持輸出未經(jīng)畸變矯正的原圖，并在照片XMP信息中輸出該相機(jī)的OPEN-CV畸變矯正參數(shù)，用于后處理。

2.3 無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)內(nèi)容和方法

根據(jù)水土流失防治分區(qū)，分別對(duì)工程建設(shè)期間各分區(qū)內(nèi)開(kāi)挖回填土石方等的水土流失狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括各工程單元土壤侵蝕強(qiáng)度、土壤侵蝕形式、水土流失原因等。

在拍攝之前應(yīng)先收集項(xiàng)目背景資料(如地形地貌、土壤、植被、氣象、水文等)土地紅線(xiàn)、施工工藝、施工進(jìn)度等。通過(guò)分析這些背景資料確定無(wú)人機(jī)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的點(diǎn)位和范圍，同時(shí)對(duì)水土流失量等監(jiān)測(cè)做好準(zhǔn)備。對(duì)各工程單元水土保持措施的數(shù)量、質(zhì)量，運(yùn)行狀況和發(fā)揮的實(shí)際作用進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)。主要包括水土保持工程措施的完整性，植被成活率、覆蓋率等情況，以及實(shí)施各種水土保持措施后各施工單元坡面土壤侵蝕情況的變化等。

無(wú)人機(jī)技術(shù)在運(yùn)用于生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)中，利用無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)獲取的影像成果，通過(guò)目視解譯提取項(xiàng)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(lèi)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，綜合判別項(xiàng)目區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度。

本項(xiàng)目所涉及的防治責(zé)任范圍較大，而無(wú)人機(jī)可持續(xù)飛行的時(shí)間有限；在無(wú)人機(jī)航線(xiàn)設(shè)計(jì)完成后采用自動(dòng)飛行模式，飛行高度定為100 m，航速設(shè)為6 m/s，照片重疊度設(shè)為80%；照片拍攝完成后使用Pix4D軟件來(lái)處理，形成DOM模型、DEM模型和三維模型等成果?；贒OM和DEM成果的基礎(chǔ)上可以進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)信息的提取，把外業(yè)采集的圖像及數(shù)據(jù)通過(guò)內(nèi)業(yè)軟件轉(zhuǎn)化為測(cè)量信息數(shù)據(jù)。

通過(guò)在計(jì)算機(jī)上勾繪的方式來(lái)識(shí)別土地利用類(lèi)型及變化情況，利用DOM和DEM模型成果提取出監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)土地利用類(lèi)型、流失面積、坡長(zhǎng)、植被覆蓋率及重點(diǎn)治理措施等數(shù)據(jù)，并結(jié)合項(xiàng)目區(qū)土壤可蝕性、降雨量等資料，根據(jù)土壤流失公式計(jì)算出土壤流失量。最后，分析查看監(jiān)測(cè)值是否符合《土壤侵蝕分類(lèi)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(SL 190-2007)和《生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土流失防治標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50434-2018)中的要求。

基于DOM和DEM模型再利用Pix4D可生成三維數(shù)字模型，在3D效果下能夠直觀的看到監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)水土流失的情況，分析現(xiàn)場(chǎng)是否存在不安全不穩(wěn)定的因素，如滑坡、土石崩塌、泥石流等因素。

在水土保持監(jiān)測(cè)中主要是對(duì)水土保持措施的監(jiān)測(cè)，措施主要由工程措施、植物措施及臨時(shí)措施，監(jiān)測(cè)主要利用人工進(jìn)行識(shí)別DOM模型來(lái)分析，和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量相比較，極大地提高了工作效率和準(zhǔn)確性。

3 結(jié)果與分析

3.1 基礎(chǔ)信息獲取

由于項(xiàng)目區(qū)位于山區(qū)，為了減小周邊山體圖像采集的干擾，將航拍時(shí)間定在陰天沒(méi)有陽(yáng)光的時(shí)候，開(kāi)采區(qū)、采/選工業(yè)場(chǎng)區(qū)、辦公生活區(qū)、道路區(qū)共4個(gè)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域的精度為0.01 m的DOM(見(jiàn)圖2)和精度為0.2 m的DEM(見(jiàn)圖3～圖8)；擾動(dòng)土地面積、土石方量、水保各項(xiàng)措施等監(jiān)測(cè)精度不小于85%。

圖2 項(xiàng)目區(qū)DOM

圖3 采選區(qū)DEM

圖4 采選區(qū)DEM

圖5 辦公區(qū)DEM

圖6 開(kāi)采區(qū)DEM

圖7 開(kāi)采區(qū)DEM

圖8 道路區(qū)DEM

3.2 土地利用類(lèi)型

項(xiàng)目建設(shè)區(qū)內(nèi)土地利用類(lèi)型復(fù)雜且分布零散，采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)分類(lèi)容易造成客觀的錯(cuò)誤，因此重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)的土地利用類(lèi)型主要采用人工識(shí)別的方法逐一進(jìn)行識(shí)別，項(xiàng)目區(qū)土地利用類(lèi)型及面積見(jiàn)表1。

表1 項(xiàng)目區(qū)土地利用類(lèi)型及面積

3.3 擾動(dòng)范圍及土壤流失量監(jiān)測(cè)

把已經(jīng)生成的DOM(見(jiàn)圖2)導(dǎo)入EPS中可直接勾畫(huà)出擾動(dòng)面積，在用皮尺對(duì)擾動(dòng)面積進(jìn)行人工符合，計(jì)算查看實(shí)際擾動(dòng)面積監(jiān)測(cè)精度是否大于90%。項(xiàng)目區(qū)水土流失量預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 項(xiàng)目區(qū)水土流失量預(yù)測(cè)結(jié)果

3.4 水土保持措施監(jiān)測(cè)

基于DOM模型，對(duì)水土保持措施、臨時(shí)措施、植物措施采用手動(dòng)識(shí)別的方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并用量具量取措施的規(guī)格尺寸和數(shù)量等信息；通過(guò)DOM模型成果及數(shù)字模型可以直觀的判斷出水土保持措施的防治效果。項(xiàng)目區(qū)水土流失措施見(jiàn)表3。

表3 項(xiàng)目區(qū)水土保持措施統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論

根據(jù)水土流失量預(yù)測(cè)結(jié)果，確定有可能造成水土流失面積13.93 hm2，水土流失總量為1070.856 t，新增水土流失量737.806 t。采取有針對(duì)性的水土保持措施，可極大的減少工程建設(shè)對(duì)周邊環(huán)境造成的不利影響，減少產(chǎn)生水土流失的各個(gè)環(huán)節(jié)，伴隨著植物措施效益的發(fā)揮，施工期間產(chǎn)生的水土流失基本得到控制。

本項(xiàng)目水土保持方案實(shí)施后，建設(shè)區(qū)擾動(dòng)土地整治率將達(dá)到95%，水土流失總治理度達(dá)95%，土壤流失控制比0.50，攔渣率85.06%，林草植被恢復(fù)率90.00%，林草覆蓋率15.00%。減少水土流失量529.00 t，水土流失防治均達(dá)到設(shè)計(jì)水平年的防治目標(biāo)。

無(wú)人機(jī)技術(shù)在水土保持監(jiān)測(cè)工作中基于DOM和DEM提取監(jiān)測(cè)對(duì)象的土地利用類(lèi)型、位置、面積、體積等信息，構(gòu)建三維虛擬模型。結(jié)果表明計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別更加快速，但存在將監(jiān)測(cè)對(duì)象的陰影、苫蓋誤判為植被的問(wèn)題。最后，將提取的信息逐一應(yīng)用于案例工程的水土保持監(jiān)測(cè)工作，直接獲取各典型區(qū)擾動(dòng)土地面積、棄渣體積、苫蓋與否、苫蓋面積等監(jiān)測(cè)結(jié)果。無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)結(jié)果與運(yùn)用傳統(tǒng)方法監(jiān)測(cè)的結(jié)果對(duì)比表明，2種方法的監(jiān)測(cè)結(jié)果均滿(mǎn)足相關(guān)技術(shù)要求，但無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)效率是傳統(tǒng)人工監(jiān)測(cè)效率的3～5倍。成果可為無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在水土保持監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用提供有效的方法借鑒。