低空攝影測(cè)量技術(shù)在公路水土保持監(jiān)測(cè)的應(yīng)用初探*

王宇濱 賈 洋 王 妍 曹良中

(1.九江學(xué)院，江西 九江 332005;2.四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 361012)

0 引言

生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)是準(zhǔn)確掌握項(xiàng)目建設(shè)水土流失動(dòng)態(tài)變化和水土保持措施實(shí)施效果的重要手段。2009年，水利部提出“規(guī)范生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)工作”，加強(qiáng)水土保持監(jiān)測(cè)成為強(qiáng)化生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持事中事后監(jiān)管的重點(diǎn)工作。在強(qiáng)化事中事后監(jiān)管背景下，對(duì)水土保持咨詢服務(wù)工作提出了信息化技術(shù)要求[1-3]。因此，提高公路水土保持事中事后技術(shù)服務(wù)水平，控制公路建設(shè)中水土流失問(wèn)題，是新時(shí)期綠色公路發(fā)展的必然要求。

傳統(tǒng)水土監(jiān)測(cè)的野外實(shí)驗(yàn)和巡查法人為干預(yù)性較大；徑流小區(qū)觀測(cè)法及樁頂法等方法受布設(shè)位置、密度限制以及工程量大等多種因素的影響使實(shí)施難度大且監(jiān)測(cè)精度差。而運(yùn)用無(wú)人機(jī)攝影這一空間信息技術(shù)手段，對(duì)地觀測(cè)能力的大幅提升和空間數(shù)據(jù)分析方法的應(yīng)用，為采集線狀區(qū)域地理要素提供了充分的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，對(duì)于提取公路在不同時(shí)空尺度下的水土流失特征提供了可靠、快捷的手段。無(wú)人機(jī)遙感是將低空航測(cè)和遙感數(shù)據(jù)分析相結(jié)合的一種新型數(shù)據(jù)處理技術(shù)，可以快速完成一定范圍內(nèi)地形地貌、植被等外環(huán)境地理要素的采集，獲取研究區(qū)域數(shù)字信息，經(jīng)數(shù)據(jù)挖掘得到水土保持監(jiān)測(cè)指標(biāo)，較好彌補(bǔ)公路建設(shè)中傳統(tǒng)水土流失監(jiān)測(cè)的不足[4-9]，可與傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)手段形成互補(bǔ)。本文將無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)和傳統(tǒng)水土保持研究手段相融合，有效應(yīng)用于公路水土保持監(jiān)測(cè)工作中，重點(diǎn)在公路水土保持變更、水土流失監(jiān)測(cè)、水土保持安全防護(hù)范圍和水土保持措施等方面進(jìn)行了應(yīng)用研究。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)

無(wú)人機(jī)影像資料獲取周期短，操作靈活、便捷，影像精度可達(dá)厘米級(jí)，影像數(shù)據(jù)具有快速、直觀、辨識(shí)度高、現(xiàn)勢(shì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可有效彌補(bǔ)衛(wèi)星遙感影像適時(shí)性和分辨率不足的問(wèn)題。本文選用的是大疆精靈4 RTK無(wú)人機(jī)對(duì)研究區(qū)進(jìn)行航拍，無(wú)人機(jī)的部分參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 無(wú)人機(jī)部分參數(shù)

傳統(tǒng)的水土保持監(jiān)測(cè)方法包括調(diào)查監(jiān)測(cè)法、簡(jiǎn)易坡面量測(cè)法、植物樣地法、徑流小區(qū)法等，適用于點(diǎn)狀研究區(qū)域下墊面水土流失因子的連續(xù)觀測(cè)，多用于水土流失基礎(chǔ)研究。利用不同源數(shù)據(jù)優(yōu)點(diǎn)，采集有效信息，形成完整的數(shù)據(jù)源。因此，本文利用多種數(shù)據(jù)優(yōu)點(diǎn)，形成了多源數(shù)據(jù)體系，該體系以無(wú)人機(jī)低空遙感影像數(shù)據(jù)為主，地面觀測(cè)數(shù)據(jù)為輔，不同源數(shù)據(jù)間互為補(bǔ)充，保障觀測(cè)數(shù)據(jù)的有效性。

1.2 研究方法

1.2.1 總技術(shù)路線

本文以四川省內(nèi)多條在建和已建公路工程作為研究對(duì)象，基于公路沿線遙感衛(wèi)星影像，獲取工程沿線水土流失總體概況。本文所采用的技術(shù)路線見(jiàn)圖1。

圖1 技術(shù)流程圖

針對(duì)工程重要點(diǎn)位，結(jié)合工程測(cè)量技術(shù)，對(duì)公路沿線典型路段進(jìn)行低空數(shù)字航空攝影，經(jīng)空三計(jì)算原理生成網(wǎng)格和紋理等中間信息，形成正射影像(DOM)和數(shù)字高程模型(DEM)成果。同時(shí)，通過(guò)布設(shè)地面觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，用傳統(tǒng)的水土流失觀測(cè)方式驗(yàn)證遙感解譯成果。接著，在ArcGis平臺(tái)上充分挖掘影像信息，得到所需要的各項(xiàng)水土保持信息要素，作為水土保持工作的基礎(chǔ)依據(jù)。

1.2.2 水土流失量的計(jì)算

由于施工期間的棄渣場(chǎng)處于動(dòng)態(tài)變化中，傳統(tǒng)的測(cè)釬法、徑流小區(qū)法無(wú)法布設(shè)于堆渣體上，無(wú)法使用地面觀測(cè)手段進(jìn)行觀測(cè)。參考既有公路水土流失一般規(guī)律，公路沿線棄渣場(chǎng)區(qū)域產(chǎn)生的水土流失量較大，在流失量計(jì)算中多采用類比法，但是受類比工程和渣場(chǎng)組分、規(guī)模、形態(tài)等異質(zhì)性影響，結(jié)果差距較大。因此，快速準(zhǔn)確地測(cè)算施工期棄渣場(chǎng)水土流失量是長(zhǎng)久以來(lái)困擾生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目施工期水土流失預(yù)測(cè)的一大難題。根據(jù)《生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目土壤流失量測(cè)算導(dǎo)則》(SL 773—2018)，對(duì)于棄渣場(chǎng)施工期土壤流失量計(jì)算公式為：

(1)

式(1)中，W為土壤流失量(噸)；k為預(yù)測(cè)時(shí)段(k=1，2，即指施工期和自然恢復(fù)期兩個(gè)時(shí)段)；i為預(yù)測(cè)單元(i=1，2，3,...,n-1，n)；Fik為第k預(yù)測(cè)時(shí)段、第i預(yù)測(cè)單元的面積(km2)；Mik為第k預(yù)測(cè)時(shí)段、第i預(yù)測(cè)單元的土壤侵蝕模數(shù)(噸/km2·a)；Tik為第k預(yù)測(cè)時(shí)段、第i預(yù)測(cè)單元的預(yù)測(cè)時(shí)段長(zhǎng)(a)。

2 結(jié)果與分析

2.1 水土流失防治責(zé)任范圍確定

水土流失防治責(zé)任范圍的含義是依據(jù)法律法規(guī)的規(guī)定和水土保持方案開(kāi)發(fā)建設(shè)單位或個(gè)人生產(chǎn)建設(shè)行為可能造成水土流失而必須采取有效措施進(jìn)行預(yù)防和治理的范圍，即應(yīng)承擔(dān)水土流失防治義務(wù)與責(zé)任的范圍。在建設(shè)過(guò)程中工程所處的階段不同，防治責(zé)任范圍也不同。設(shè)計(jì)階段是根據(jù)設(shè)計(jì)資料合理界定水土流失防治責(zé)任范圍，為建設(shè)單位報(bào)請(qǐng)批復(fù)時(shí)采用，而在施工階段由于材料質(zhì)量、地質(zhì)條件和施工組織的變化，導(dǎo)致水土流失防治責(zé)任范圍的變化[10]。因此，科學(xué)、快速地界定水土流失防治責(zé)任范圍在生產(chǎn)建設(shè)過(guò)程中是必然要求。本文以四川省某在建公路棄渣場(chǎng)為研究對(duì)象，通過(guò)獲取棄渣場(chǎng)不同時(shí)間點(diǎn)的DEM和DOM數(shù)據(jù)，在地理信息系統(tǒng)平臺(tái)上，甄別基于時(shí)間序列的棄渣場(chǎng)地表擾動(dòng)面積和棄渣量變化，為量化水土流失防治責(zé)任范圍提供基礎(chǔ)依據(jù)。該棄渣場(chǎng)棄渣量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)情況如圖2所示，2020年4月，尚未開(kāi)始堆渣；2020年5月，堆渣擾動(dòng)面積2.25hm2，堆渣量較小，不足1萬(wàn)m3；2020年8月，堆渣擾動(dòng)面積達(dá)到2.55hm2，已有堆渣約7萬(wàn)m3。根據(jù)設(shè)計(jì)文件，該渣場(chǎng)防治責(zé)任范圍為3.87hm2，渣場(chǎng)實(shí)施期間，施工擾動(dòng)的地表均控制在防治責(zé)任范圍內(nèi)。

(a)2020年4月 (b)2020年5月

2.2 水土流失量定量計(jì)算

在進(jìn)行棄渣場(chǎng)土壤流失量計(jì)算中，受渣場(chǎng)各坡面坡度不均等因素影響，需要將單個(gè)棄渣場(chǎng)劃定為不同的計(jì)算單元進(jìn)行計(jì)算，傳統(tǒng)量算方式很難實(shí)現(xiàn)。本研究基于無(wú)人機(jī)低空遙感影像，獲取棄渣場(chǎng)自身侵蝕要素和環(huán)境信息，運(yùn)用地理信息系統(tǒng)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)挖掘功能，用積分法測(cè)算施工期間棄渣場(chǎng)土壤流失量。以四川省某在建高速公路施工期某處棄渣場(chǎng)作為研究對(duì)象，該渣場(chǎng)為一處溝道型棄渣場(chǎng)，土石質(zhì)堆渣體，渣面裸露，正在進(jìn)行堆渣，渣體下方設(shè)置有擋墻。本文以2019年某次低空遙感影像為基礎(chǔ)，假定該棄渣場(chǎng)在2019年內(nèi)的棄渣量、堆渣形態(tài)未發(fā)生變化，通過(guò)提取渣場(chǎng)外環(huán)境要素和堆渣體本身水土流失要素，以渣面面積1 m2作為網(wǎng)格計(jì)算單元進(jìn)行積分運(yùn)算，對(duì)棄渣場(chǎng)土壤流失情況進(jìn)行為期一年的逐月模擬，得到的土壤流失量結(jié)果(表2)。

表2 某棄渣場(chǎng)2019年土壤流失量逐月模擬表

通過(guò)疊加逐月水土流失量預(yù)測(cè)結(jié)果，得到該渣場(chǎng)年內(nèi)土壤流失總量為614.69 t，年均土壤侵蝕模數(shù)11480 t/km2·a。由于無(wú)法在施工期渣場(chǎng)表面實(shí)施地面觀測(cè)，則選取了該渣場(chǎng)附近一處新近堆渣完畢的棄渣場(chǎng)作對(duì)比研究，使用測(cè)釬法測(cè)定土壤流失量，經(jīng)過(guò)半年觀測(cè)，測(cè)定結(jié)果表明，臨近棄渣場(chǎng)在棄渣逐步穩(wěn)定、初步實(shí)施坡面覆蓋等措施情況下，其土壤侵蝕量約為9000 t/km2·a。因此，根據(jù)對(duì)比觀測(cè)結(jié)果可以初步判定，使用積分法判定施工期棄渣場(chǎng)土壤流失量，與地面觀測(cè)指標(biāo)值相一致，其結(jié)果具有一定可信度，該方法可快速且較為準(zhǔn)確地獲取測(cè)定施工期棄渣場(chǎng)水土流失量。以上研究表明，運(yùn)用無(wú)人機(jī)建模和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)征占地、棄渣場(chǎng)水土流失防治責(zé)任范圍及堆渣量的適時(shí)量化，具有快速、直觀的優(yōu)點(diǎn)；對(duì)棄渣場(chǎng)土壤流失量的信息化研究，可實(shí)現(xiàn)流失量的適時(shí)量化，解決了長(zhǎng)期以來(lái)困擾生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目土壤流失量難以量化、差異較大的問(wèn)題，具有直觀、快速、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。該部分研究工作有效測(cè)算了水土流失影響因素和水土流失狀況中用傳統(tǒng)觀測(cè)方法無(wú)法量化的因子，在實(shí)施中具有較強(qiáng)可操作性。

2.3 水土流失危害應(yīng)用研究

公路建設(shè)水土流失危害主要表現(xiàn)為棄渣場(chǎng)堆渣體對(duì)周邊居民點(diǎn)、道路、管線等基礎(chǔ)設(shè)施可能造成的掩埋。因此，合理判定棄渣場(chǎng)安全防護(hù)范圍，充分預(yù)留防護(hù)距離，對(duì)安全防護(hù)范圍內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行拆除或者遷建，保障基礎(chǔ)設(shè)施安全，確保棄渣場(chǎng)選址合理可行，是水土流失防治工作的重中之重。

從既有公路水土保持工作實(shí)施情況來(lái)看，棄渣場(chǎng)選址是公路水土保持工作的核心問(wèn)題之一，選址不當(dāng)則可能造成重大的災(zāi)害。但是，如何界定棄渣場(chǎng)周邊哪些區(qū)域內(nèi)堆放棄渣場(chǎng)可能產(chǎn)生重大影響，尚沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，僅在《水利水電工程水保技術(shù)規(guī)范》(SL 575—2012)對(duì)安全防護(hù)距離提出參考，如表3所示。

表3 棄渣場(chǎng)與保護(hù)對(duì)象之間的安全防護(hù)距離

由于棄渣場(chǎng)自身堆渣組分不同，所處外環(huán)境差異較大，各種類型渣場(chǎng)可能產(chǎn)生的滑移和影響差異較大。本文基于袁普金等[11]在統(tǒng)計(jì)分析棄渣失穩(wěn)后可能產(chǎn)生的滑移距離基礎(chǔ)上，以某在建高速一處棄渣場(chǎng)為研究對(duì)象，模擬了不同堆渣量下的安全防護(hù)距離。該棄渣場(chǎng)為一處溝道型渣場(chǎng)，設(shè)計(jì)堆渣量為120萬(wàn)m3，最大堆高25.5m，平均堆高11m，占地11.89hm2。根據(jù)《水土保持工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 51018—2014)和施工圖設(shè)計(jì)文件，該渣場(chǎng)為3級(jí)棄渣場(chǎng)，擋墻防護(hù)等級(jí)為3級(jí)，防洪標(biāo)準(zhǔn)3級(jí)。渣場(chǎng)采用重力式擋土墻，墻高10m，基礎(chǔ)埋置于中風(fēng)化基巖，埋置深度不小于2m。參考袁普金等人使用歷史發(fā)生頻率選址法確立的渣場(chǎng)安全距離測(cè)算標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于V≤5.0×105m3的棄渣場(chǎng)(5級(jí)棄渣場(chǎng))宜取2.78倍落差(2.78H)的安全距離，對(duì)于5.0×105m3

本文借鑒相關(guān)規(guī)定和歷史發(fā)生頻率選址法的成果，引入流域的思路，在對(duì)溝道匯流特征仿真模擬基礎(chǔ)上，基于高精度三維地形數(shù)據(jù)，計(jì)算得到不同安全距離下溝道型棄渣場(chǎng)可能發(fā)生水土流失危害的范圍，用于快速識(shí)別和量化受脅迫區(qū)域內(nèi)居民點(diǎn)、道路等基礎(chǔ)設(shè)施及耕地、林地等受影響的各項(xiàng)因素，從而精準(zhǔn)指導(dǎo)棄渣場(chǎng)安全防護(hù)決策。目前，該渣場(chǎng)已堆放約60萬(wàn)m3，最大堆高約25.5m，占地5.24hm2，渣場(chǎng)兩側(cè)缺乏必要的排水設(shè)施。根據(jù)參考劃定的安全防護(hù)距離與歷史發(fā)生頻率選址法確立的渣場(chǎng)安全距離測(cè)算標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行了以下研究：以渣場(chǎng)某一期遙感影像為基礎(chǔ)，堆渣量不斷增大，棄渣場(chǎng)等級(jí)逐漸提高，分別測(cè)算堆渣量在50萬(wàn)m3以下、60萬(wàn)m3、120萬(wàn)m3的安全防護(hù)距離。在ArcGis平臺(tái)空間分析支持下，以渣腳線為起算點(diǎn)，進(jìn)行匯流模擬，得到不同棄渣量下的安全防護(hù)范圍，如圖3所示。

(a)2H (b)2.78H

圖3分別為2倍、2.78倍、5.88倍和7.14倍最大堆高下的安全防護(hù)范圍。根據(jù)該渣場(chǎng)等級(jí)判定其安全防護(hù)距離，在達(dá)到設(shè)計(jì)堆渣量120萬(wàn)m3情況下，宜采用渣場(chǎng)最大堆高的7.14倍作為渣場(chǎng)下方的安全防護(hù)范圍[圖3(d)]，紫紅色區(qū)域表示渣場(chǎng)下方分布有居民點(diǎn)，安全風(fēng)險(xiǎn)較高，是重點(diǎn)防控對(duì)象，應(yīng)納入棄渣場(chǎng)征拆；由于實(shí)際施工中土石方得以優(yōu)化，渣場(chǎng)棄渣量減小，目前渣場(chǎng)等級(jí)降低為4級(jí)棄渣場(chǎng)，可按最大堆高的5.88倍距離作為安全防護(hù)距范圍[圖3(c)]。以上研究表明，本研究對(duì)安全防護(hù)距離和防護(hù)范圍的界定提供了可行有效的劃定辦法，為準(zhǔn)確甄別棄渣場(chǎng)潛在威脅對(duì)象提供了科學(xué)依據(jù)，直觀形象服務(wù)于安全管理決策。

3 結(jié)束語(yǔ)

筆者先后在四川省內(nèi)多條公路水土保持事中事后工作中開(kāi)展了信息化監(jiān)測(cè)研究，獲取了翔實(shí)的基礎(chǔ)資料，形成了公路水土保持信息采集技術(shù)支撐體系，快速、直觀、全面地掌握公路建設(shè)過(guò)程中水土保持信息，為保障公路建設(shè)的合法合規(guī)性提供了科學(xué)依據(jù)。通過(guò)信息化技術(shù)的應(yīng)用研究，解決了水土流失傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段難以量化的難題，對(duì)于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工、界定工程征拆范圍和降低水土流失風(fēng)險(xiǎn)起到重要支撐作用。對(duì)運(yùn)營(yíng)期公路水土保持措施效果跟蹤的研究成果，為公路水土保持措施優(yōu)化起到示范作用，契合新時(shí)期公路建設(shè)的綠色、智慧發(fā)展方向，為科學(xué)開(kāi)展公路水土保持工作，評(píng)估建設(shè)成效提供有力理論和技術(shù)支撐。