遙感系統在坡耕地水土保持監測中的研發與應用

陳 亮

(新民市水土保持監督管理處，遼寧 新民 110300)

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遙感系統在坡耕地水土保持監測中的研發與應用

陳 亮

(新民市水土保持監督管理處，遼寧 新民 110300)

基于現代水土流失監測技術對時效性、針對性、系統性要求逐步提高，無人機遙感技術作為新興技術在水利等工程中不斷被推廣運用，并逐漸成為水土流失治理中的關鍵技術之一。文章通過構建無人機遙感系統，研發了系統的組成情況，分析了系統的功能提出了無人機航測數據處理流程，結合實際調研及其航拍情況，展示了湖北省紅安縣和福建省安溪縣的實際航拍及其模擬云圖，并對無人機遙感系統的推廣應用進行深入分析，極大地促進了無人機遙感系統的快速生產和積極推廣應用，對我國水土流失治理工作具有重要的導向作用。

無人機遙感系統；水土保持；坡耕地；調研研發；推廣應用

目前我國水土流失形勢日益惡化，并逐步發生生態破壞、土地肥力退化、泥沙灘涂等大面積堆積等一系列鏈式問題，對人類社會生存發展造成嚴重的威脅[1]。然而，傳統監測方法以人工調查方式為主，造成水土監測工期和時間上的極大浪費，而且監測范圍小、信息誤差大，難以對大范圍區域進行定量監測[2]。科技的發展帶來了遙感技術等新技術、新方法，其適用性、運用水平也在不斷地提高，通過遙感技術進行水土保持監測能夠克服傳統監測方法存在的缺陷，通過遙感影像解譯，制作DEM模擬分析圖，從而實現水土保持實時監測等，成為目前針對大范圍區域進行水土保持監測的主要方法[3-4]。

正因為如此，無人機遙感技術逐漸被廣泛運用到各個領域中，解決諸多調查中無法實現的難題，一方面大大減小工作量，提高工程施工效率，另一方面能夠準確、及時、高效、全面的解決水土流失治理過程中信息采集、動態掌握等難題，保證水土保持工作的高效進行[5-6]。

本文基于北京地拓科技發展有限公司所研發的無人機為背景依托，構建并分析無人機遙感系統的研發及其組成情況，提出無人機航測數據處理流程，并對系統的功能進行客觀分析，結合實際調研及其航拍情況對無人機遙感系統進行了全面深入的研究和介紹，結合湖北省紅安縣和福建省安溪縣的實際調研情況，進行無人機遙感系統成果展示，對無人機遙感系統在其他領域中的應用進行詳細的研究，對無人機遙感系統的迅速投入市場生產和應用具有重要推廣作用。

1 無人機遙感系統研發

1.1 系統組成概況

無人機遙感系統主要包括4部分：動能系統、操作系統、遙感及地面控制系統，四大系統相互有機結合，控制無人機的航拍范圍和使用情況。無人機研發及其實物見圖1所示。

1)動能系統

動能系統即無人機機身，該系統能夠提供無人機起落、升降、懸停等機械動力。其中，根據機體大小機身材質分為3類：①泡沫塑料；②塑料合成材料；③碳纖維，材料不同，性能和參數也不盡相同。機身具有一定的載荷能力，便于飛行控制系統和遙感系統的安裝[7]。

2)無人機操作系統

無人機操作系統可實現無人機空中作業工作，該工作有操作人員通過遙控裝置進行控制，其中，遙控模塊分為：飛行方位傳感器、飛行控制器、飛行負載平臺、飛行穩定控制器、航測導航系統及其遙控信號收發器6大部分組成，模塊與動能系統相互成一整體，完成無人機飛行自動調整和接受地面指令，自動定位，采集信息及其數據回傳等航測工作[8]。

圖1 無人機

3)遙感系統

遙感系統包括機載傳感器，即：數碼相機、熱紅外傳感器、無人機搭載操控傳感器等裝置，可實現航測拍攝等的獲取、保存和回傳等工作。

4)地面控制系統

地面控制系統包括4大部分：無線遙控系統、無人機交互通信系統、計算機監控系統和軟件監控系統等，能夠實現無人機航測航線規劃，航跡航向設定，分解規劃飛行任務，優化遙感系統參數等任務，通過遙、監控系統和裝置能夠保證無人機的飛行穩定、航線規劃、航測任務圓滿完成，起到監測和調控的作用。

1.2 無人機遙感系統功能

無人機遙感系統具有以下7大功能：

1)實現現場檢查/驗收數據本地存儲，方便現場檢查/驗收信息查閱。

2)方便現場查閱項目基本信息。

3)實現項目實施范圍的精準定位。

4)實現措施圖斑位置與屬性關聯顯示。

5)方便現場監督檢查/驗收信息的記錄和匯總，現場拍照、錄音、錄像，記錄與地理坐標關聯，無人機航測數據處理流程圖見圖2所示。

6)實現現場檢查/驗收關鍵指標目標與實施情況對比，提高現場監督管理工作的效率和質量，為項目監管提供佐證。

7)智能查詢記錄信息，實現移動端與管理系統數據共享，資源互通。

圖2 無人機航測數據處理流程圖

1.3 系統研發及其應用界面

通過北京地拓科技發展公司進行研發，其系統研發流程情況如圖3-圖7所示。

2 坡耕地水土保持監測調研

2016年5月，該公司配合水土保持監測中心開展水利部坡耕地水土流失綜合治理工程調研工作；外業系統現場瀏覽項目信息、定位、查看、記錄、拍照、錄音、錄像、量測，無人機飛行拍照、錄像、數據拼接以及召開座談會等方式進行項目調研。

前期準備：確定調研省區典型縣后，我公司將典型縣2011-2015年度入庫信息及現狀高分遙感影像導入移動終端，供現場抽查使用。

5月21日-31日，我公司配合五個調研組開展調研，調研范圍覆蓋全部22個坡改梯省區，重點對2013-2015年度工程實施情況進行調研，兼顧2011-2012年工程實施情況。

圖3 項目實施情況對比

圖4 新建記錄及其對應情況

圖6 智能查詢研發

圖7 長度和面積量算情況

3 無人機遙感系統應用成果及其反饋

3.1 坡耕地水土保持監測成果

如圖9(a)和(b)所示為湖北省紅安縣和福建省安溪縣調研成果。

圖9 無人機遙感技術監測成像與DEM模擬圖

3.2 無人機遙感系統應用反饋

1)國家重點工程評估調研采用大疆精靈4無人機，調研期間，無人機表現出色，性能穩定。

2)通過無人機拍攝視頻、照片判斷水土保持工程實施效果。

3)通過航線規劃后拼接成調研區正射影像，可以直接用于水土保持工程面積復核。

4)三維重建調研區，可以直接用于調研區水土保持工程效果展示。

5)建立DEM，可用于調研區下一步水土保持工程措施修復、驗收管理、以及下一年度項目規劃提供數據支撐。

4 無人機遙感系統推廣應用

4.1 無人機遙感在水域動態監測中的應用

經濟的發展、人口的劇增，帶來了我國水資源供需關系日益惡化，水資源緊缺與污染已成為當下亟待解決的問題之一。但是，限于水土監測技術的落后、水土保持意思淡薄等因素影響，我國許多河流水域面積、分布、走勢、水量變化等更新速度慢，資料落后，依然滿足不了社會和經濟現代化發展的需要。

無人機遙感系統的研發可以針對已有水域進行動態監測，及時更新調研成果，對水域權屬界線、水域面積、水域利用、水域干支流分布等進行系統更新，并根據數據采集和圖形編輯，與數值模擬軟件進行結合，確定某一針對水域的動態監測面積、類型、分布、權屬、利用情況等，并通過互聯網技術，實現“縣—區—市—省”等水域的監測數據共享和管理[9]，及時掌握水域動態情況。

另一方面，無人機遙感系統還能夠監測非法水域占用、河道改道、流域發展等情況，為預測河道發展趨勢提供保證，為水域占用執法提供數據支撐。

4.2 無人機遙感在灘涂資源動態監測中的應用

無人機遙感系統直觀高效、實時快速、動態適用、移動性強等，對于地表信息難以識別、難以捕捉等具有獨特的優勢。無人機遙感系統與衛星遙感技術相比較：①前者能夠定點、定時獲取研究區域遙感影像；①機動性強，在飛行條件允許的條件下，可以獲得灘涂準確遙感影像；③提供圍墾數據分析和技術依據；④高效動態監測，數據信息時效性強。

4.3 無人機遙感在其他水利工程中的應用

無人機遙感系統具有實施效率高、分辨率高、采集和處理數據快等優點，在水利工程建設、設計、施工和管理運行等方面具有特殊作用，并且在水利工程建設環境影響分析評價方面具有較好的數據支持作用。

此外，該系統還能對與水利工程建設導致的土地植被變化、水土淹沒范圍、水庫大壩淤積、土地沙漠化和土地鹽漬化等方面進行實時動態監測，為工程生態環境提供的科學數據和決策支撐，具有重要作用和顯著的導向作用。

5 結 語

無人機遙感技術作為新興技術在水利等工程中不斷被推廣運用，并產生了顯著的經濟技術和社會效益。本文構建并分析了無人機遙感系統的研發及其組成情況，提出了無人機航測數據處理流程，并對系統的功能進行了客觀分析，結合實際調研及其航拍情況深入研究了無人機遙感系統，給出了湖北省紅安縣和福建省安溪縣的實際航拍及其模擬云圖展示，分析了無人機遙感系統在其他領域中的推廣應用情況，極大地促進了無人機遙感系統的市場生產和推廣應用，對我國水土保持工作具有一定的指導和啟發作用。

[1]李國杰.對無人機遙感技術在土地執法工作中應用的研究[J].航空航天科學技術,2016(16): 009-014.

[2]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[J].中國水土保持科學,2015,13(04):109-114.

[3]文雄飛，張 穗，張 煜.無人機傾斜攝影輔助遙感技術在水土保持動態監測中的應用潛力分析[J].長江科學院院報,2016,33(11):93-98.

[4]李德仁，李明.無人機遙感系統的研究進展與應用前景[J].武漢大學學報：信息科學版,2014(105):505-513.

[5]史源，魏志斌，白美健.無人機遙感技術在灌區信息化建設中的應用探討[J].中國水利,2016(09):43-44.

[6]王志良,付貴增,韋立偉.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[J].中國水土保持科學,2015,13(04):109-113.

[7]牛君瑜,孫超江.無人機技術在水利領域應用的探討[J].河海水利,2013(05):55-58.

[8]姜德文.高分遙感和無人機技術在水土保持監管中的應用[J].水利信息化,2013(16):45-49.

[9]陳知送.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[J].廣東水利水電,2016(02):43-46.

[10]劉軍,王鶴,王秋玲.無人機遙感技術在露天礦邊坡測繪中的應用[J].紅外與激光工程,2016,45(S1):1-4.

1007-7596(2017)03-0141-04

2017-02-24

陳亮(1981-),男，遼寧新民人，工程師，研究方向水土流失治理。

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