傾斜攝影測量技術在生產建設項目水土保持監(jiān)管中的應用

胡云華, 許海超, 曲雙鋒, 游 翔, 秦 偉

(1.中國水利水電科學研究院 水利部 水土保持生態(tài)工程技術研究中心, 北京 100048; 2.成都市水利水保監(jiān)測中心, 成都 610000; 3.四川省水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測總站, 成都 610000)

遙感技術能夠快速發(fā)現(xiàn)生產建設項目擾動，較為準確地識別擾動范圍，在生產建設項目監(jiān)管工作中的應用越來越廣泛[1-2]。2015年水利部印發(fā)的《生產建設項目水土保持信息化監(jiān)管技術規(guī)定(試行)》將生產建設項目水土保持信息化監(jiān)管分為區(qū)域監(jiān)管和項目監(jiān)管兩種模式。相較于區(qū)域監(jiān)管是針對流域、省、市、縣或者某功能區(qū)等一定區(qū)域范圍開展監(jiān)管工作[3]，項目監(jiān)管針對某個具體項目進行監(jiān)管，實現(xiàn)項目位置、范圍、措施布局的精細化空間化管理[4]，是進一步強化生產建設項目水土保持監(jiān)管的有效形式。在技術手段上，項目監(jiān)管在常規(guī)衛(wèi)星遙感技術手段基礎上，還需要結合無人機遙感技術手段，提高監(jiān)管數(shù)據(jù)精度和豐富度。目前全國省、市、縣各級區(qū)域監(jiān)管工作已建立了相對成熟的技術路線，但項目監(jiān)管工作流程和技術模式仍需探索和總結。

無人機攝影測繪技術目前已廣泛應用于水土保持監(jiān)管和監(jiān)測等工作[5-8]，但主要以常規(guī)航空攝影測量為主。傾斜攝影測量技術(Oblique Photography Technique)是近年來發(fā)展起來的新興測繪技術，相較于傳統(tǒng)航測方式，可以更加高效地獲取更為豐富的真實地面場景信息[9-10]。本研究以成都市為研究區(qū)，利用無人機傾斜攝影測量技術開展多個生產建設項目的水土保持項目監(jiān)管信息提取試驗，總結工作技術流程和應用實例，為重點項目水土保持精細化監(jiān)管工作提供參考。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)概況

成都市作為四川省省會，地理位置介于東經102°54′—104°53′，北緯30°05′—31°26′，是全國15個副省級城市之一和西部地區(qū)中心城市，生產建設項目數(shù)量多、分布廣，監(jiān)管難度相對較高，僅依靠傳統(tǒng)手段無法滿足高效、精準監(jiān)管的現(xiàn)實需要。按照水利部水土保持信息化監(jiān)管的統(tǒng)一安排和部署，四川省2018年在成都市率先啟動了生產建設項目“天地一體化”監(jiān)管，并注重技術創(chuàng)新，通過3年的連續(xù)實施，取得了方案編報率顯著提升、疑似違法違規(guī)施工項目明顯減少、水土保持補償費征收額有效增加等良好成效[11]。

1.2 技術概述

攝影測量是經過攝影，將三維的物理世界轉變?yōu)槎S影像，再由二維影像獲取三維空間數(shù)據(jù)的技術[12]。傾斜攝影測量是通過集成在5個方向上的攝像機在一個位置采集垂直、4個傾斜共5個角度的影像，可以提高攝影測量和三維建模工作的效率。無人機具有成本低廉、操控性好、空域限制小等優(yōu)點[13]，無人機傾斜攝影測量是3種技術的有機結合，相較于傳統(tǒng)攝影測量：一是信息獲取更豐富，傳統(tǒng)攝影主要獲取實體頂部紋理，而傾斜攝影技術能夠同時獲取側面紋理，且傾斜攝影方式更加接近人眼觀察模式，可以增加三維數(shù)據(jù)所帶來的真實感。二是支持三維量測，可獲取帶定位信息的高重疊度影像，利用實景三維建模軟件還原地表真實的場景，實現(xiàn)空間量測。三是綜合成本低，通過一次航飛可以同時制作高精度數(shù)字正射影像(DOM)、數(shù)字表面模型(DSM)、數(shù)字線劃圖(DLG)、實景三維模型等數(shù)據(jù)成果，在內業(yè)即可完成大部分測量工作，獲取等量信息的綜合成本更低。

1.3 監(jiān)管指標與提取方法

按照《生產建設項目水土保持信息化監(jiān)管技術規(guī)定(試行)》，結合無人機傾斜攝影測量技術優(yōu)勢和成果特征，對項目監(jiān)管指標及其對應信息獲取的方法歸納見表1。

表1 項目監(jiān)管指標及其無人機傾斜攝影測量信息獲取方法

1.4 技術流程

參考《生產建設項目水土保持信息化監(jiān)管技術規(guī)定(試行)》，設計了一套利用無人機傾斜攝影測量技術開展生產建設項目水土保持信息化監(jiān)管指標提取的技術流程，主要包括資料收集和預處理、無人機傾斜攝影測量、合規(guī)性詳查3個階段，具體流程見圖1。

圖1 無人機傾斜攝影測量技術項目監(jiān)管流程

在資料收集和預處理階段，收集監(jiān)管項目的水土保持方案書、批復文件、防治責任范圍圖、水土保持措施布局圖等資料；利用方案中的坐標信息完成資料的矢量化處理，并套合遙感影像初步判定合規(guī)性。在無人機攝影測量階段，根據(jù)合規(guī)性預判結果，進行無人機飛行規(guī)劃設計，獲取航攝數(shù)據(jù)和控制點資料；利用建模軟件，完成項目DOM，DSM和實景三維模型的創(chuàng)建。在合規(guī)性詳查階段，根據(jù)DOM，DSM和實景三維模型成果，套合項目方案資料，對項目監(jiān)管各項指標進行提取、識別和判定，為項目監(jiān)管提供數(shù)據(jù)支撐。

2 應用實例

為驗證監(jiān)管指標提取方法和監(jiān)管工作技術流程，在成都市范圍內隨機選取了7處在建生產建設項目，對項目方案等資料進行了收集和整理，并利用近期2 m數(shù)字正射影像對項目水土保持措施布局和疑似違規(guī)范圍進行了分析，制定了無人機航飛的方案。航飛使用大疆經緯M300 RTK測繪專用無人機，具體參數(shù)和配件信息詳見表2。該無人機集成了RTK模塊，已有測試結果表明，采用該設備免像控方案采集的影像，其平面精度滿足1∶500地形圖要求[14]。

表2 試驗無人機和傳感器主要參數(shù)信息

航飛工作完成后，使用賽爾航測助手軟件完成架次清理和拷貝、照片篩選、適配建模軟件等數(shù)據(jù)預處理操作。預處理完成后使用ContextCapture Center Master軟件開展各架次DOM，DSM和實景三維模型數(shù)據(jù)生產。航飛總面積1.339 km2，航飛高度115～120 m，航向重疊度80%，旁向重疊度50%。根據(jù)傾斜相機的像素參數(shù)，結合航拍時的鏡頭焦距和相對航高信息，經解算后獲取的正射影像地面分辨率為1.3～1.8 cm。利用ArcGIS和Acute3D Viewer軟件分別對各項目開展二維和三維量測，提取各項目監(jiān)管指標信息，將各項目典型指標提取示例總結如下。

2.1 擾動特征提取

在DOM和實景三維模型上可以準確識別項目擾動特征，以航飛的新都區(qū)某房地產項目為例，在實景三維模型上，該項目擾動主要表現(xiàn)為推堆土、施工、表土堆放等特征，因此將項目擾動類型判定為“其他擾動地塊”(圖2A)。以航飛的簡陽市某棄渣場為例，在實景三維模型上，可以提取渣體、擋墻、排水溝、沉砂池等特征，因此將項目擾動類型判定為“棄渣場”(圖2B)。通過識別項目現(xiàn)場圍欄、表土開挖等幾何特征，可以提取出項目的擾動邊界范圍，經計算，兩個項目擾動面積分別為7.6，2.1 hm2。

圖2 項目擾動特征提取示例

2.2 建設狀態(tài)識別

在DOM和實景三維模型上可以準確識別項目所處的施工階段，以航飛的新都區(qū)某道路項目為例，該項目在影像上反映為裸地、草被或灌木等土地利用特征，無新增堆挖掘痕跡，建設狀態(tài)判定為“停工”(圖3A)。以航飛的簡陽市某房地產項目為例，該項目現(xiàn)場推堆掘痕跡明顯，地表原始覆蓋被破壞，現(xiàn)場有施工設備和建筑材料堆放，建設狀態(tài)判定為“施工”(圖3B)。以航飛的簡陽市某加工制造類項目為例，該項目現(xiàn)場項目建設工作已完成，綠化等配套設施已完工，建設狀態(tài)判定為“完工”(圖3C)。

圖3 項目建設狀態(tài)識別示例

2.3 擾動合規(guī)性判定

基于擾動特征提取結果，套合項目防治責任范圍資料，利用空間疊加分析方法，可以對項目合規(guī)性進行判定。以航飛的新都區(qū)某房地產項目為例，項目擾動范圍基本均位于項目批復的防治責任范圍內，擾動面積為7.6 hm2，小于批復的防治責任范圍面積7.8 hm2，擾動合規(guī)性判定為“合規(guī)”(圖4A)。以航飛的簡陽市某房地產項目為例，項目擾動范圍局部超出了項目批復的防治責任范圍，擾動面積為4.33 hm2，批復的防治責任范圍面積為4 hm2，擾動合規(guī)性判定為 “超出防治責任范圍邊界”(圖4B)。

圖4 擾動合規(guī)性判定示例

2.4 水土保持方案落實情況評價

根據(jù)項目水土保持設計方案，對照實景三維成果，可以對項目水土保持方案變更情況、取(棄)土場選址及防護情況、水土保持措施落實情況等進行評價。以航飛的簡陽市某棄渣場為例，基于實景三維模型，采用空間長度、面積、體積量算方法，可以對項目水土保持方案中規(guī)定的各項指標進行評價(圖5)，評價結果見表3。

注：上圖設計方案來源于項目水土保持方案[15]。圖5 棄土場設計方案與三維模型比對示例

表3 水土保持方案落實情況評價結果示例

2.5 其他水土保持風險或違規(guī)行為提取

基于建立的實景三維模型成果，可以對項目范圍進行高精度全面檢視，利用空間量測方法提取項目高陡邊坡、開挖場地等重點部位范圍、坡度、坡長、水土流失危害面積等參數(shù)信息，判定項目是否存在其他水土保持風險或違規(guī)行為。如本研究通過提取發(fā)現(xiàn)，簡陽市某房地產項目存在較大開挖坡面無防護措施，未按項目水土保持方案“坡面應布設徑流排導工程，防止引發(fā)崩塌、滑坡等災害”要求(圖6A)。新都區(qū)某房地產項目，不滿足項目方案中“對臨時堆土進行攔擋、苫蓋，布設排水溝和沉砂池”等措施要求(圖6B)。

圖6 其他水土保持風險或違規(guī)行為提取示例

3 結 論

綜上，無人機傾斜攝影測量技術作為當前新興的攝影測量技術，在生產建設項目水土保持信息化監(jiān)管工作中具備較好的適用性。通過資料收集和預處理、無人機傾斜攝影測量、合規(guī)性詳查等作業(yè)工序，可以完成生產建設項目擾動特征、建設狀態(tài)、擾動合規(guī)性、水土保持方案變更情況、表土和取(棄)土場選址及防護情況、水土保持措施落實情況、其他水土保持風險或違規(guī)行為識別等大部分監(jiān)管指標的提取，且具備信息獲取豐富、實現(xiàn)真三維量測、綜合成本低等優(yōu)勢，相較于傳統(tǒng)生產建設項目監(jiān)管技術手段，具有監(jiān)管信息提取成本更低、效率更高、比對方式更靈活等優(yōu)點，在生產建設項目監(jiān)管工作中具備廣闊的應用前景。但目前該技術也面臨著設備成本偏高，便攜度略低，受空域限制等不足，是進一步推廣應用需著力解決的問題。