無人機在生產建設項目水土保持“天地一體化”監管中的應用

曾麥脈，趙 院，李萬能，張廣分，趙 敏

(1.珠江水利科學研究院，廣東 廣州 510611； 2.水利部 水土保持監測中心，北京 100053)

?

無人機在生產建設項目水土保持“天地一體化”監管中的應用

曾麥脈1，趙 院2，李萬能1，張廣分1，趙 敏1

(1.珠江水利科學研究院，廣東 廣州 510611； 2.水利部 水土保持監測中心，北京 100053)

生產建設項目；水土保持信息提取；無人機航拍；傾斜攝影測量

對重點項目的精細化監管是實現生產建設項目水土保持“天地一體化”監管的重要組成部分。無人機攝影測量技術可以快速獲取生產建設項目擾動土地情況，取土(石、料)場、棄土(石、渣)場情況，水土流失情況，水土保持措施情況等相關現場監管信息，與傳統方法相比在客觀性、直觀性、工作效率、全局性等方面具有明顯優勢，是一種理想的非接觸式高效監測手段，可以很好地服務于生產建設項目水土保持“天地一體化”監管。

生產建設項目水土保持“天地一體化”監管工作主要采用多種分辨率遙感影像調查與現場復核相結合的手段，對生產建設項目的擾動合規性以及重點項目的水土保持工作實施情況進行監督管理。其中，擾動合規性及部分水土保持措施信息，可以從遙感影像中獲取；擾動合規性的復核以及更精細的與空間信息相關的監管指標，需要通過現場調查、測繪等手段獲取。但是，傳統的地面調查和測繪技術存在現場操作復雜度高、工作量大等劣勢。而無人機具有高空全局性視角和機動靈活性，通過無人機航拍，可以獲得項目區的高分辨率影像、三維實景數據、數字表面模型等數據[1]，再通過信息的內業提取，可以快速獲取水土保持監督監測所關注的擾動土地、棄渣場、水土流失、水土保持措施中的多種定量化指標，服務于重點生產建設項目水土保持情況的監管。

1 生產建設項目水土保持監管指標需求與無人機信息獲取方法

參照《水利部流域管理機構生產建設項目水土保持監督檢查辦法(試行)》《生產建設項目水土保持監測規程(試行)》，以及各級水行政主管部門日常監管工作的要求，生產建設項目水土保持監管內容主要包括：水土保持工作組織管理情況；水土保持補償費繳納情況；水土保持方案變更、水土保持措施重大變更審批情況，水土保持后續設計情況；表土剝離、保存和利用情況；取、棄土(包括渣、石、沙、矸石、尾礦等)場選址及防護情況；水土保持措施落實情況；水土保持監測監理情況；歷次檢查整改落實情況；水土保持單位工程驗收和自查初驗情況；水土保持設施驗收情況等。其中，需采集現場信息的監管內容主要包括擾動土地情況，取土(石、料)場、棄土(石、渣)場情況，水土流失情況，水土保持措施情況等。

結合無人機航拍的數據成果，將與現場信息相關的監管指標和基于無人機的指標信息獲取方法歸納如表1。表1中，除土壤流失量需要根據出口觀測得到、開(完)工日期需要查詢資料得到外，其他各項監測指標都可以通過無人機快速獲取。無人機獲取指標的方式可以歸納為三類：Ⅰ.人機交互勾繪或面向對象分類。以高清影像為底圖勾繪圖斑，獲取實際擾動、取土(石、料)場、棄土(石、渣)場、水保措施的位置、范圍、尺寸、面積等。Ⅱ.目視觀察。從高清正射影像、三維實景模型目視觀察得到渣場類型、水土流失情況、水保措施等信息。Ⅲ.DSM(數字地表模型)計算。利用兩期DSM執行挖填方分析可以得到體積指標，用以監測堆渣方量、表土剝離體積、潛在土壤流失量等。此外，從DSM可以計算坡度、量取坡長，用以監測臨時堆放場、棄渣場、高邊坡等情況。

相對于傳統基于GPS和全站儀的地面測繪方法，本方法的效率更高，數據成果更加直觀，并且不易受現場條件的限制，也避免了和施工現場的相互干擾。

2 無人機航攝與信息提取流程

無人機攝影測量主要參照GB/T 18316—2008《數字測繪成果質量檢查與驗收》、CH/Z 3003—2010《低空數字航空攝影測量內業規范》、CH/Z 3004—2010《低空數字航空攝影測量外業規范》、CH/Z 3005—2010《低空數字航空攝影規范》等相關規范執行。無人機生產建設項目水土保持監管工作流程見圖1。

表1 生產建設項目水土保持監管指標與無人機信息獲取方法歸納

注：①整治方式指硬化、土地整治、植物措施等；②棄渣特點指溝道棄渣場、坡面棄渣場、平地棄渣場、填洼(塘)棄渣場；③土壤流失量指輸出項目建設區的土、石、沙數量；④取土(石、料)棄土(石、渣)潛在土壤流失量指項目建設區內未實施防護措施，或者未按水土保持方案實施且未履行變更手續的取土(石、料)棄土(石、渣)數量；⑤水土流失危害指項目建設引起的基礎設施和民用設施的損毀、水庫淤積、河道阻塞、滑坡、泥石流等危害。

第一階段是航攝與數據生成。首先，根據項目區的情況進行航拍設計，按需求的比例尺確定航高、重疊率，結合現場地形設計測區；然后，實施外業航拍，航拍之前需按規范進行相機檢校；之后，根據相應比例尺要求的密度，測量地面控制點；最后，生成三維模型數據和所需比例尺的DSM、DOM[2-3]。

圖1 無人機航拍與信息提取工作流程

第二階段是信息提取。采用人機交互勾繪或面向對象分類、目視觀察、DSM計算等方式，獲取所需的監管指標[4-5]。

3 應用實例

3.1 渣場實例

3.1.1 渣場基本情況

某大型渣場，棄渣來源主要為工程開挖的土石方，設計堆渣2 922.37萬m3；原始地表土地利用類型主要為水塘、草地，以及少量農田和村莊，地形地貌特征為洼地。

3.1.2 試驗方法

采用DJI Phantom 3 Advanced小型多旋翼無人機進行GPS輔助航攝。其搭載的航拍相機的傳感器為1/2.3英寸SONY EXMOR，光圈f/2.8(20 mm等效焦距)，照片像素分辨率4 000×3 000，100 m高度時拍攝分辨率最高可達到4.33 cm[6]，可以制作1∶500比例尺成果。

2016年3月和7月對棄渣場開展了兩次作業，并進行內業數據處理，獲取了兩期的實景三維模型和1∶500比例尺正射影像、DSM數據，提取出渣場的位置、范圍及面積、棄渣量、棄渣類型與特點、水土保持措施及存在的問題和水土流失隱患等信息。

3.1.3 結果分析

(1)位置、范圍與面積。通過圖2(a)(b)影像疊加設計圖可看出，該渣場棄渣位于設計棄渣位置，還未到達設計邊界；利用影像勾繪渣場邊界得出7月已棄渣面積70.40 hm2，與3月相比新增棄渣面積14.87 hm2。

圖2 某渣場DOM與三維信息提取

(2)棄渣量。利用2016年3月和7月兩期DSM進行差值分析得到新增棄渣量19萬m3，見圖3(a)～(c)；用同樣的方法與設計時的地形數據進行挖填方計算，得到總棄渣量1 005萬m3。

(3)棄渣類型與特點。通過高清影像整體觀察得出，棄渣類型多數為土質，夾雜少量碎石；通過圖2(e)三維模型判斷，棄渣特點為填洼(塘)棄渣場。從圖3(d)可知，渣場整體平整，30°以上的坡度在邊緣和中心呈環狀分布，采用了分級堆放的方式降低整體坡度，從圖2(d)可知，填平區以上典型堆渣高度為10 m。

(4)水土保持措施及水土流失隱患。通過高清影像和三維模型目視解譯，尚未發現水土保持措施。從圖2(c)(e)可知，渣場北部棄渣已經靠近村莊，距離最近的房屋只有40 m，需引起高度重視，應盡快實施紅線內拆遷和渣場水保措施。

3.2 項目區實例

3.2.1 項目區基本情況

某汽車研發中心的新建廠區，面積39.53 hm2，廠區內地塊平整，由跑道、辦公區及車間、停車場等區域構成，周邊大部分為挖方邊坡，設計為框架梁護坡形式。

3.2.2 試驗方法

采用DJI Phantom 3 Advanced小型多旋翼無人機進行GPS輔助航攝，之后進行內業數據處理，獲取項目區實景三維模型和1∶500比例尺正射影像、DSM數據。通過無人機航拍影像與設計資料的疊加，確定項目區范圍和防治責任面積，在此基礎上，劃分項目區的各類擾動地塊,提取各種水土保持措施，獲得相關的定量指標，如圖4所示。

圖4 某建設項目區水土保持信息提取

3.2.3 結果分析

(1)擾動土地情況。實際擾動大部分控制在防治責任范圍以內，但是東北部超出防治責任范圍1.19 hm2。項目區主要由邊坡防護區、硬化及已建成建筑區、綠化區、裸露地表區構成，面積分別為4.23、15.56、2.77、16.97 hm2，分別占項目區總面積的11%、39%、7%和43%，其中綠化區林草植被覆蓋率達到了85%以上，土壤流失面積主要為裸露地表區和東北部尚未開展邊坡防護的裸露區，共計19.18 hm2。

(2)水土保持措施。項目區邊緣大部分邊坡開展了框架梁邊坡防護工程，植被覆蓋率達到了70%以上，總面積42 320 m2，但是東北部的修坡尚未開展，無植被覆蓋；水土保持工程措施主要實施了漿砌石排水溝8 296 m、邊坡截水溝1 652 m，完成率100%；水土保持植物措施包括綠化區栽植的喬灌木、鋪植的草皮等，共計27 699 m2，完成率40%，以及邊坡防護區噴播的草灌，共計29 624 m2，完成率70%。

(3)水土流失危害。項目區西面和北面環山，為挖方邊坡，大部分實施了框架梁護坡和植物措施，水土流失危害小；東北部裸露邊坡的水土流失風險較大，需盡快采取防護措施；西南部與居民區相鄰，但是該區域地勢平整，中間大部分已布設植物措施，對居民區的影響較小。項目區內土地平整，對外界造成水土流失危害的風險較小。

4 結 論

綜上所述，通過無人機航拍的手段，可以獲取大部分生產建設項目水土保持監管的現場技術指標。該技術手段與傳統現場調查和測量方式相比，具有明顯的優勢：①無人機航拍形成的影像數據可為現場監管取證提供客觀、全面的依據；②現場信息采集效率高、成本低；③可從三維實景模型角度整體觀察項目區域情況，發現水土流失隱患和風險；④操作簡單，不易受施工現場及復雜環境影響。因此，該技術手段是一種理想的非接觸式高效監測手段。

該技術手段可以推廣應用到水土保持設計、監測、評估等各項業務中。后期可以研究無人機航攝技術手段在水土保持行業應用的規范，以促進其普及應用。

[1] 李安福,曾政祥,吳曉明.淺析國內傾斜攝影技術的發展[J].測繪與空間地理信息,2014,37(9):57-62.

[2] 曲林,馮洋,支玲美,等.基于無人機傾斜攝影數據的實景三維建模研究[J].測繪與空間地理信息,2015,38(3):38-43.

[3] 王卿,郭增長,李豪,等.多角度傾斜攝影系統三維量測方法研究[J].測繪工程,2014,23(3):10-14.

[4] 松遼水利委員會松遼流域水土保持監測中心站.無人機遙測技術在水土保持監管中的應用[J].中國水土保持,2015(9):73-76.

[5] 王志良,付貴增,韋立偉,等.無人機低空遙感技術在線狀工程水土保持監測中的應用探討——以新建重慶至萬州鐵路為例[J].中國水土保持科學,2015,13(4):109-113.

[6] 王宗輝.航空攝影測量技術的應用研究[J].價值工程,2014(30):235-236.

(責任編輯 徐素霞)

水利部科技推廣項目；水利部預算項目(SF-201606)；水利部綜合事業局拔尖人才培養專項資金研究項目(20150608-01)

S157；P231

A

1000-0941(2016)11-0028-04

曾麥脈(1983—)，男，湖北宜都市人，工程師，博士，主要研究遙感、地理信息系統技術在水土保持中的應用。

2016-09-17