小流域水土流失治理無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用研究

石先闖，王麗娜

(1.承德市水土保持科學(xué)研究所，河北 承德 067000；2.承德供水集團(tuán)有限公司，河北 承德 067000)

水土保持是國家生態(tài)文明建設(shè)的重要組成部分，也是水利部新時(shí)期改革發(fā)展的新要求[1]。河北省地處華北地區(qū)東北部，東臨渤海，西倚太行山與山西相望，南接河南，北與內(nèi)蒙接壤，東南和東北部分別毗鄰山東省、遼寧省，中間環(huán)繞北京和天津市，全省國土面積18.86萬km2，水土流失面積4.71萬km2，占全省土地總面積的24.97%，以輕、中度侵蝕為主，輕、中度侵蝕面積占水土流失面積的98.63%，水土流失面積較大的是張家口市和承德市，分別占全省水土流失面積的31.83%、30.84%，主要集中在太行山、燕山山地丘陵地區(qū)，太行山、燕山山地丘陵地區(qū)是京津冀生態(tài)屏障和水源涵養(yǎng)區(qū)，還是革命老區(qū)、少數(shù)民族地區(qū)和貧困地區(qū)，水土流失預(yù)防和治理任務(wù)十分艱巨。太行山、燕山山地丘陵地區(qū)山陡林密，外業(yè)工作困難大，無人機(jī)可充分發(fā)揮其優(yōu)勢，在項(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理、監(jiān)測、竣工驗(yàn)收階段均可實(shí)施，大大提高效率，無人機(jī)在河北省的水土保持工作中具有廣闊前景，本次以懷來縣東溝小流域綜合治理工程為研究對象。

1 區(qū)域概況

懷來縣國土總面積1782.32km2，水土流失面積593.91km2，占總面積的33.3%，現(xiàn)有耕地面積222.18km2，約70%為坡耕地，土壤侵蝕主要為水蝕，侵蝕強(qiáng)度主要為輕度侵蝕。水蝕主要分布在坡耕地和干旱陽坡，侵蝕形式表現(xiàn)為坡耕地的層狀面蝕、沙?；嫖g、細(xì)溝狀面蝕、一級荒山陽坡的鱗片狀面蝕和溝蝕，另有部分崩塌、滑坡等重力侵蝕。

東溝小流域土地總面積34.88km2，其中旱平地351.51hm2，占土地總面積的10.1%；坡耕地面積151.27hm2，占土地總面積的4.3%；荒草地1003.11hm2，占土地總面積的29%；天然牧草地1049.34hm2，占土地總面積的30%；灌木林地870.11hm2，占土地總面積的25%；溝道面積31.74hm2，占土地總面積的0.9%，村鎮(zhèn)及工礦用地20.38hm2，占土地總面積的0.6%；交通運(yùn)輸用地10.67hm2，占土地總面積的0.3%，占地類型組成見表1。

表1 占地類型組成

東溝小流域涉及王家樓鄉(xiāng)長安嶺、舊站堡、東莊子、于莊子、瓦房等5個(gè)行政村，7個(gè)行政村位于永定河流域。

東溝小流域現(xiàn)有水土流失面積1195.13hm2，占總面積35%，侵蝕形式以水蝕為主，重力侵蝕、風(fēng)力侵蝕與之相伴發(fā)生，輕度侵蝕有667hm2，中度侵蝕有376.74hm2，強(qiáng)度侵蝕有151.39hm2，工程區(qū)平均土壤侵蝕模數(shù)達(dá)1348t/(km2·a)，年流失量達(dá)到1.61萬t。水土流失面積及水土流失量見表2。

表2 水土流失面積及水土流失量

2 技術(shù)路線

2.1 影像獲取

手動(dòng)設(shè)置飛行范圍，選擇多邊形，調(diào)整飛行參數(shù)進(jìn)行航線規(guī)劃，保障正射。當(dāng)規(guī)劃路線上傳成功后，無人機(jī)開始執(zhí)行飛行任務(wù)，按設(shè)置的拍照模式拍攝，并實(shí)時(shí)傳回拍攝快視圖，完成原始遙感影像數(shù)據(jù)獲取[2]。

完成飛行任務(wù)后導(dǎo)出數(shù)據(jù)，利用軟件Pix4Dmapper對獲取的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)化處理快速拼接，該軟件的操作流程簡便，建立測區(qū)后導(dǎo)入POS數(shù)據(jù)默認(rèn)WGS84坐標(biāo)、照片、控制點(diǎn)即可自動(dòng)生成并給出質(zhì)量報(bào)告。圖像范圍、重疊度、色彩等可通過質(zhì)量報(bào)告查看是否滿足要求，是否存在漏拍、圖像質(zhì)量等問題，如有問題應(yīng)當(dāng)場進(jìn)行補(bǔ)拍。遙測作業(yè)時(shí)，對天氣有一定要求，最好晴朗無云，無風(fēng)[3]。所有相片都應(yīng)匹配對齊，即Dataset(數(shù)據(jù)集)應(yīng)滿足100%；為保障照片不失焦，Camera optimization quality(相機(jī)參數(shù)優(yōu)化質(zhì)量)應(yīng)不超過5%，即無人機(jī)飛行作業(yè)完畢后，關(guān)閉無人機(jī)電源，將無人機(jī)放到飛行箱內(nèi)，再進(jìn)行實(shí)物記錄。對于研究區(qū)，還應(yīng)使用照相機(jī)實(shí)地拍攝，記錄拍攝點(diǎn)水土保持措施的地理坐標(biāo)、時(shí)間等要素，完畢后及時(shí)進(jìn)行內(nèi)業(yè)處理，分類歸檔保存。

2.2 影像處理

無人機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件主要有：PhotoMetric、Pix4D mapper、PhotoScan、CC等，考慮到出圖質(zhì)量對后期解譯標(biāo)志判定的巨大影響，選擇Pix4D mapper軟件進(jìn)行內(nèi)業(yè)處理。

Pix4Dmapper軟件由瑞士Pix4D公司研發(fā)，是一款集全自動(dòng)、快速、專業(yè)精度為一體的無人機(jī)數(shù)據(jù)和航空影像數(shù)據(jù)處理軟件，自動(dòng)生成精度報(bào)告，可以快速和正確地評估結(jié)果的質(zhì)量，顯示處理完成的百分比，以及正射鑲嵌和DEM的預(yù)覽結(jié)果，提供了詳細(xì)的、定量化的自動(dòng)空域網(wǎng)平差和地面控制點(diǎn)的精度[4]。

本研究主要通過Pix4D mapper對無人機(jī)拍攝的基本圖像進(jìn)行拼接融合，可快速獲得清晰的正射圖像，質(zhì)量報(bào)告通過初步處理后，圖像拼接工作隨之展開，生成稀疏點(diǎn)云，在此基礎(chǔ)上加密生成密集點(diǎn)云，緊接著進(jìn)行紋理渲染，而后建立DEM生成正射影像圖[5]。

無人機(jī)正射影像質(zhì)量要求如下：影像空間分辨率應(yīng)優(yōu)于0.2m；影像清晰，層次豐富，反差適中，色調(diào)柔和；能辨認(rèn)出與地面空間分辨率相適應(yīng)的水土保持措施和土地利用類型；影像上不能有云、云影、煙、大面積反光和污點(diǎn)等缺陷；拼接影像應(yīng)無明顯模糊、重影和錯(cuò)位現(xiàn)象。

項(xiàng)目前期階段，在正射影像圖上進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)，如邊界的確定，面積的測量、措施的定位布設(shè)等，實(shí)現(xiàn)“設(shè)計(jì)工作精細(xì)化”；在項(xiàng)目管理、驗(yàn)收及評估階段，將正射影像圖導(dǎo)入Arc GIS中，正射圖像格式應(yīng)為TIF柵格格式，導(dǎo)入后自動(dòng)生成瓦塊地圖，圖像清晰可以作為水土保持措施標(biāo)志解譯的判別依據(jù)[6]。

3 實(shí)施方法

3.1 措施布設(shè)及實(shí)施方案編制

水土保持綜合治理設(shè)計(jì)利用無人機(jī)技術(shù)輔助，調(diào)查范圍可擴(kuò)大到人力調(diào)研無法到達(dá)區(qū)域，利用無人機(jī)空中優(yōu)勢，快速掌握項(xiàng)目區(qū)河流湖泊、耕地、林草資源等土地利用類型的分布、地貌形態(tài)、植被覆蓋以及水土流失現(xiàn)狀等信息。通過成像系統(tǒng)，形成連續(xù)影像遙感資料、大比例地形圖，補(bǔ)充和完善項(xiàng)目區(qū)基礎(chǔ)資料，有效增強(qiáng)水土保持規(guī)劃設(shè)計(jì)的針對性、預(yù)見性和前瞻性，提高水土保持措施的精準(zhǔn)度、可靠性和持續(xù)性。

東溝小流域確定建設(shè)內(nèi)容包括：水平梯田104hm2，鋪設(shè)節(jié)水管道10200m，蓄水池5座，施工道路6km，鉛絲籠谷坊5道。栽植榛子和海棠98hm2，栽植水保林98hm2，封禁治理700hm2。

3.2 治理措施核查

借助無人機(jī)空中優(yōu)勢和成像優(yōu)勢，對水土流失防治措施、防治效果各項(xiàng)指標(biāo)一一進(jìn)行檢查核驗(yàn)。對于點(diǎn)狀、現(xiàn)狀工程大跨度的調(diào)查工作，應(yīng)用無人機(jī)低空飛行和成像設(shè)備采集數(shù)據(jù)，能夠快速獲取工程位置、規(guī)模等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，大大提高工作效率，縮短核查時(shí)間，同時(shí)使核查結(jié)果更加客觀、準(zhǔn)確、可靠，更具說服力。

核查工作重點(diǎn)是圖斑的實(shí)施進(jìn)度。首先從“全國水土保持信息管理系統(tǒng)”中下載數(shù)據(jù)，包括項(xiàng)目區(qū)實(shí)施方案、工程進(jìn)度文本信息和措施布局圖矢量文件，選取擬核查措施圖斑，如生產(chǎn)道路、坡面截流工程等。其次，項(xiàng)目區(qū)現(xiàn)場核查工作利用無人機(jī)和移動(dòng)終端等工具，主要采集核查圖斑正射影像，核查圖斑現(xiàn)場照片，核查工作視頻等內(nèi)容，基于現(xiàn)場實(shí)際情況填寫核查信息表。然后，進(jìn)行抽查措施圖斑矢量化工作，根據(jù)無人機(jī)影像特征，以先驗(yàn)知識、解譯標(biāo)志、設(shè)計(jì)圖斑屬性以及現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果作為參考，人工勾繪項(xiàng)目區(qū)核查階段水土保持措施現(xiàn)狀圖斑，計(jì)算每個(gè)核查措施圖斑規(guī)模，填寫核查信息表。見表3—4。

表3 水土保持措施計(jì)劃應(yīng)該完成工程量、實(shí)際完成工程量及對比情況

(續(xù)表)

(續(xù)表)

3.3 治理措施驗(yàn)收

以“全國水土保持信息管理系統(tǒng)”為基礎(chǔ)，應(yīng)用移動(dòng)終端、遙感技術(shù)及無人機(jī)航拍等手段對各項(xiàng)措施選取一定比例進(jìn)行現(xiàn)場復(fù)核。重點(diǎn)核實(shí)抽查圖斑的措施類型與措施布局圖(或措施變更圖)、竣工驗(yàn)收圖描述是否一致，措施數(shù)量是否屬實(shí)，措施質(zhì)量是否合格等。

前期準(zhǔn)備工作與在建工程相似，現(xiàn)場抽查信息采集項(xiàng)目區(qū)現(xiàn)場核查工作應(yīng)利用無人機(jī)和移動(dòng)終端等工具，主要采集核查圖斑正射影像，在項(xiàng)目區(qū)現(xiàn)場利用無人機(jī)低空航攝照片，利用無人機(jī)航拍照片拼接技術(shù)，獲取核查圖斑的正射影像數(shù)據(jù)(無人機(jī)影像)。與在建工程不同的是，竣工驗(yàn)收抽查信息化監(jiān)管需要按照公式計(jì)算措施符合率、措施質(zhì)量合格率和措施完成率指標(biāo)，填寫現(xiàn)場抽查信息表。見表5—6。根據(jù)無人機(jī)和移動(dòng)終端現(xiàn)場核查結(jié)果，對核查措施圖斑編碼、措施類型、設(shè)計(jì)措施數(shù)量、實(shí)際完成措施數(shù)量、措施質(zhì)量進(jìn)行校核，然后根據(jù)校核后數(shù)據(jù)，分別計(jì)算本項(xiàng)目截至核查時(shí)間實(shí)際的措施完成率、項(xiàng)目進(jìn)度，給出詳細(xì)的核查意見，并得到各項(xiàng)目區(qū)水土保持措施分布圖。

表5 東溝小流域治理工程現(xiàn)場調(diào)查信息表

(續(xù)表)

(續(xù)表)

表6 東溝小流域措施完成情況匯總表

3.4 治理措施效果后評價(jià)

治理措施效果后評估指對項(xiàng)目實(shí)施1～5a后的治理效果進(jìn)行評估。評估內(nèi)容包括項(xiàng)目水土流失治理情況、水土保持措施保存情況、林草植被覆蓋情況以及水土流失消長情況等。通過解譯評估年土地利用、水土保持措施和土壤侵蝕狀況，結(jié)合措施布局、措施變更圖中的水土保持措施規(guī)模，評估項(xiàng)目區(qū)水土保持措施的實(shí)施效果。見表7—8。

表8 項(xiàng)目區(qū)實(shí)施前與實(shí)施后土壤侵蝕強(qiáng)度轉(zhuǎn)移矩陣 單位：hm2

4 結(jié)語

以圖斑為單元規(guī)劃或者解譯水土保持措施，進(jìn)行矢量化操作，得出同一種類水土保持措施工進(jìn)度完成情況，提前還是滯后，完成后可以得出驗(yàn)收成果，以及運(yùn)行幾年后項(xiàng)目區(qū)水土流失強(qiáng)度矩陣變化情況，應(yīng)用無人機(jī)可迅速而精準(zhǔn)地把握水土流失治理全過程以及后期效果，[7]構(gòu)建水土保持?jǐn)?shù)據(jù)庫，對水土保持?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行管理，促進(jìn)和加快河北省水土流失治理，助力生態(tài)文明建設(shè)。

無人機(jī)應(yīng)用還存在不少問題，飛行穩(wěn)定性受氣象條件影響較大，獲取遙感數(shù)據(jù)缺少快速的處理方法和管理技術(shù)指導(dǎo)平臺，尚未充分實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的綜合應(yīng)用，高精度、高階數(shù)據(jù)的有效信息未能完全發(fā)掘[8]。