淺談無人機等先進技術在水土保持設施驗收技術評估中的應用

陳知送

(廣東省水利電力勘測設計研究院,廣東 廣州 510635)

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淺談無人機等先進技術在水土保持設施驗收技術評估中的應用

陳知送

(廣東省水利電力勘測設計研究院,廣東 廣州 510635)

水土保持設施驗收技術評估是水行政主管部門作出水土保持設施驗收審批決定的技術支撐和基本依據,新形勢新政策下技術評估單位應采用先進的技術評估方法,對工程現場做出合理準確的評價。該文通過介紹無人機遙感等先進技術在水土保持設施驗收技術評估中的應用,為現場評估核查提供借鑒。

水土保持；技術評估；無人機技術

根據《國務院關于第一批清理規范89項國務院部門行政審批中介服務事項的決定》(國發〔2015〕58號)精神,2015年11月,水利部辦公廳以《關于貫徹落實國發〔2015〕58號文件進一步做好水土保持行政審批工作的通知》(辦水保〔2015〕247號)明確要求,2016年6月30日以后水利部批復水土保持方案的生產建設項目,建設單位不再提交水土保持設施驗收技術評估報告,改由水利部通過政府購買服務方式委托有關機構開展技術評估。新時期政策調整對水土保持設施驗收技術評估提出了更高要求,不僅要在行政許可規定的時間內(15個工作日)完成現場核查,同時還要承擔后續風險連帶責任。由于傳統測量、調查工具難以在短期內完成大面積、長距離項目核查工作,評估現場核查作為評估程序中的重要技術環節更具難度。

1 現階段技術評估工作主要內容

根據水利部司局函《關于印發<水利部水土保持設施驗收技術評估工作要點(試行)>的通知》(水保監便字〔2015〕第187號)文件要求,新時期生產建設項目水土保持設施驗收技術評估的內容主要包括對生產建設單位履行水土保持法定程序情況的評估、對生產建設項目水土流失防治任務完成情況的評估和對生產建設單位水土保持組織管理情況的評估。

1.1 生產建設單位履行水土保持法定程序評估

通過收集查閱資料、檔案、文件等,與相關法律法規、技術標準等進行核對,對生產建設單位履行水土保持法定義務和組織管理情況進行評估,對水土保持設施自驗報告、監測報告等驗收申請材料和相關資料進行評價,并給出明確結論,主要包括水土保持方案編制、水土保持后續設計、水土保持方案和措施變更、水土保持監測監理工作、水土保持補償費繳納情況等。

1.2 生產建設項目水土流失防治任務完成情況評估

通過查閱資料、現場核查,核實工程現場水土流失防治責任范圍、棄渣取料場、水土保持措施體系和總體布局、水土保持設施完成情況、水土保持工程質量、水土流失防治效果等。

1.3 生產建設單位水土保持組織管理情況評估

通過收集查閱核對資料、檔案、文件等,對工程水土保持工作組織、水行政主管部門監督檢查意見落實情況、水土保持設施自驗、水土保持設施運行管護、水土保持設施驗收申請材料和相關資料等情況進行評估。

2 評估核查常用方法及缺點

技術評估的主要對象為批復的水土保持方案及其設計文件確定的水土保持工程措施、植物措施和臨時措施,同時對主體工程的水土保持功能進行評價或提出要求。評估核查主要調查水土保持方案報告書中劃分的防治分區,詳細調查各防治分區中各項水土保持工程措施和植物措施的實施及運行情況,特別是對棄渣取料場、施工臨時設施、涉水敏感設施的調查。

2.1 外業核查常用方法

工程措施、植物措施均以實地調查和查閱資料相結合的方法進行評估。工程措施以實地測量和典型調查法為主,工程的外觀質量和幾何尺寸一般采用目視檢查和皮尺(或鋼卷尺)測量,必要時可采用GPS、經緯儀或全站儀測量。植物措施以樣方測量和面積推算法為主,主要依據《造林技術規程》和《水土保持綜合治理驗收規范》確定植物措施核查樣方,必要時可對覆土厚度、穴坑尺寸等做探坑、挖掘檢查。與此同時,查閱水土保持方案報告書及其批復文件等相關資料,對工程水土保持設施實施情況進行摸底調查,是客觀、科學作出技術評估的必要環節。

臨時措施大部分在技術評估階段已不存在,應以施工、監理監測等單位的記錄和調查統計為主(應有施工期影像資料印證)臨時措施主要是內業資料核查,根據設計、監理、監測資料以及施工期間的影像資料等進行調查,復核臨時防護措施的實施情況。

2.2 核查比例要求

占地面積不小于5 hm2或土石方量不小于5萬m3的大中型棄渣場或取土場的防護設施；工程投資不小于1萬元的穿(跨)越工程及臨河建筑物；占地1 hm2及以上的園林綠化工程等作為重要單位工程,重點核查。重點評估范圍應為主體工程取土(料)場、棄土(渣)場、施工便道等臨時設施的占地范圍。具體要求如下：

①重點評估范圍內的單位工程查勘比例應達到50%；其中對擾動強度較強項目的分部工程抽查核實比例應達到50%。

②對其他評估范圍內的單位工程查勘比例及其分部工程抽查核實比例均應達到30%。

③對重要單位工程查勘比例及其分部工程抽查核實比例均應達到80%。對重要單位工程,將全面核查工程措施的外觀質量,并對關鍵部位的幾何尺寸進行測量；全面核查植物措施生長狀況(完成率、成活率和保存率)和林草植被種植面積；檢查水土流失防治效果等。

④線型建設項目的分部工程抽查核實比例,還應按照不同地貌類型或不同侵蝕類型分別確定,山區適應增加。

⑤對大型取棄渣料場做到100%的現場核查。

2.3 常用方法缺點

工程措施核查常用方法是對工程外觀質量、幾何尺寸采用目視和皮尺測量,植物措施核查以樣方測量和面積推算為主,這些方法對于地形復雜、人工及車輛無法到達區域則難開展,如高山區輸變電工程塔基、大型棄渣場等。同時,對于線路較長、棄渣取料場多的線性工程,僅僅通過人工目測或測量幾乎無法按時(15個工作日)完成技術評估任務。因此,無人機遙感等先進技術是水土保持設施驗收技術評估工作方法和手段的創新,不僅能減輕對大面積或線型工程現場核查時的外業工作量,輕松獲取人員及車輛難以甚至無法到達的區域清晰的航拍影像,還能更真實、更直觀地反應工程建設期所造成的水土流失狀況、強度及分布情況。通過對棄渣場、取土場等重點敏感控制點進行空間插值獲得DEM,能夠詳細分析比對棄渣量或取土量的變化情況等。此外,無人機還具有運用靈活、成本低等特點。

3 先進技術應用

3.1 無人機遙感技術

無人機遙感即是利用先進的無人駕駛飛行器技術、遙感傳感器技術、通訊技術、GPS差分定位技術和遙感應用技術,實現自動化、智能化、專用化快速獲取空間遙感信息,完成遙感數據處理、建模和應用分析的應用技術。無人機遙感是通過無線電遙控設備或機載計算機程控系統進行操控的不載人飛行器。無人機作為空中遙感平臺的微型遙感技術,其特點是:以無人機為空中平臺,遙感傳感器獲取信息,用計算機對圖像信息進行處理,并按照一定精度要求建立數據模型及數據庫,為獲取遙感區域相關信息提供平臺。

水土保持措施工程量調查中,工程措施可直接利用無人機高分辨率影像在地理信息系統中矢量勾繪,得出具體面積或長度,需要折算為漿砌石砌筑量或土方開發量的措施則需要配合現場斷面量測獲取；同時從無人機高分影像中對外觀質量情況以及運行情況進行基本的判定,必要時可以現場觀測給予補充。如圖1航片,可輕松獲取渣場面積、渣體坡度、侵蝕溝長度、漿砌石擋墻長度和植物措施面積等信息。

圖1 國內某高速公路棄渣場原始航片

對于水土保持植物措施,可在陰天或多云情況下用紅外波段和紅光波段的影像進行植被覆蓋提取,將植被覆蓋按照防治分區裁切后得出各區塊的綠化面積。水土保持措施布局的評估可以通過矢量化無人機遙感影像與方案報告圖紙對照,觀察其變化情況,可以得出相應的數量和位置變化情況；同時重點核查的渣場位置和數量變化情況可以直接提取與方案設置的棄渣場情況表進行對照,對于渣場容量可以采用無人機DEM提取獲取現有渣場堆放數量和面積,進行變化對照詳細分析。防治效果的六大指標確認,多以植被、硬化、水體、復耕等幾種地表現狀的對照,先利用遙感將各個圖斑的地表組成數據按防治分區進行統計,然后直接得出各個指標。如圖2航片,可輕松獲取機場各功能區域面積、植物措施面積、排水措施工程量、硬化面積等信息。

圖2 國內某機場遙感成果

3.1.1 無人機遙感調查目的

通過使用無人機對開發建設項目施工區域進行遙感調查,可以快速獲得項目區水土流失狀況、水土保持設施實施和運行狀況,以提高開發建設項目水土保持技術評估工作的效率、精度及自動化程度。

3.1.2 遙感調查工作流程

遙感調查工作流程分為外業和內業工作。

1) 外業工作

外業實地考察選擇外業作業區域,觀察外業作業區域的地形、地貌等概況。

選擇起飛場地：一般選用微型電動無人機,場地要求低,不需要跑道,不需要彈射架,只需手拋起飛就可以,地形限制幾乎不用考慮。無人機地面控制臺見圖3。

圖3 無人機地面控制臺

航線規劃：在所需飛行的航線區域布設控制點,通過遠程遙控裝置控制無人機按照指定航線進行飛行。無人機航線規劃要根據當天的氣象條件進行飛行,設計航線時盡量逆風或順風飛,不要側風飛,以便于航線控制。低空空域飛行不涉及航空管制等問題,且遙感飛行點位設置不涉及城市中心、機場等敏感區域。

飛行作業：根據設計的航線進行飛行作業,利用無人機攜帶的高清數碼相機進行低空拍攝,獲取施工區沿線高清數碼影像信息。

采集地面控制點：采用高精度的RTK對飛行區域進行GPS點采集,便于后期影響信息的成圖達到所需要求,滿足水土保持遙感調查要求。

2) 內業工作

① 將獲取的影像信息進行空間三維結算,得到DEM(數字地面高程)。

② 根據DEM(數字地面高程)成果,得到項目區內坡度,坡向等信息。

③ 對圖像進行正射糾正,得到DOM(正射影像)。

④ 對單張DOM影像進行拼接,獲取工程沿線遙感影響信息。

⑤ 根據遙感影像成果,結合水土保持工作實際,提取植項目區被覆蓋度、擾動土地面積、項目區水土流失狀況和水土保持措施完成情況等信息。

3.2 現場核查輔助APP

在開展現場驗收評估核查時,受現場地形條件、氣候環境及人為因素影響,往往難以將工程現場,特別是線性工程全線進行詳細查勘。如對鐵路項目開展現場核查時,常常會遇到部分通往山區渣場的施工便道受線路通車試運行影響而被阻隔的情況,致使現場核查難以開展。此時需借助Google earth衛星或無人機影像等作為現場核查的補充手段。在現場核查前,可借助影像資料初步篩選有問題的渣場(如缺失防護措施)并重點查勘,還可以對不符合防治標準的地塊的大致分布及主導因素等做出初步預判,提前通過內部策劃形成工程現場完善措施意見。在現場核查時與相關參建單位就評估意見進行交底,以提高工作效率和評估意見反饋的針對性。同時,對線路長、渣料場數量眾多的線性工程開展現場核查時,時常會遇到現場核查點位、圖紙點位、拍攝照片等方面的問題,此時可利用諸如GPS2Googleearth、OruxMaps、OvitalMap等定位APP軟件,將現場核查的時間、空間位置及核查線路等進行實時記錄,以提高評估核查內業和外業的工作效率和準確度。

1) OvitalMap APP軟件

利用OvitalMap輔助現場核查,可導航、記錄、定位、查看高程數據、測量地塊面積,使用界面如圖4所示。

圖4 OvitalMap使用截圖

2) OruxMaps與GPS2Googleearth APP軟件

OruxMaps與GPS2Googleearth記錄、保存導入航跡、航點并統計相關信息,提供校準功能,同時創建KML航跡導入Google Earth,直觀反應現場情況,使用界面如圖5所示。

圖5 OruxMaps使用截圖

4 結語

隨著科學技術的飛速發展,越來越多智能化、便捷化和高精度化的新技術被應用到水土保持工作中來。近年來筆者通過應用無人機遙感等技術對20余個項目進行評估,深感無人機遙感、現場核查輔助APP軟件等先進技術相比傳統核查評估方式有著更大的優勢,大大提高了現場核查評估的精度和效率,更加適應新時期水土保持設施驗收評估工作的需要。

可以說,無人機遙感技術在水土保持設施驗收評估工作中具有廣闊深遠的發展空間和應用前景。

[1] 國務院.關于第一批清理規范89項國務院部門行政審批中介服務事項的決定：國發〔2015〕58號[A].2015-10-15.

[2] 水利部辦公廳.關于貫徹落實國發〔2015〕58號文件進一步做好水土保持行政審批工作的通知：辦水保〔2015〕247號[A].2015-11-20.

[3] 關于印發《水利部水土保持設施驗收技術評估工作要點(試行)》的通知：水保監便字〔2015〕第187號[A].2015-12-08.

(本文責任編輯 馬克俊)

Application of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) Advanced Technology to Water and Soil Conservation Facilities Acceptance Technology Assessment

CHEN Zhisong

(Guangdong Hydropower Planning & Design Institute，Guangzhou510635，China)

Soil and water conservation facilities acceptance technology assessment is the technical support and the fundamental basis for the water conservancy administrative department to make approval decision advanced technology assessment methods should be adopted to technology assessments under the new situation new policy unit, to make reasonable accurate engineering in the field. In this paper, advanced technology such as UAV remote sensing is adopted in soil and water conservation facilities acceptance technology assessment, providing good assessment method for reference for local verification.

Soil and water conservation; Technology assessment; Unmanned aerial vehicle (uav) technology

2016-02-22;

2016-03-13

陳知送(1985),男,碩士,工程師,從事水土保持及生態恢復等方面研究。

TP79；S157

B

1008-0112(2016)02-0043-04