無人機(jī)在高速公路棄渣場監(jiān)測中的應(yīng)用探討

周春波，王 農(nóng)，周淑君，秦曉蕾(.江西省水土保持科學(xué)研究院，江西 南昌 33009；.北京蒼穹數(shù)碼科技有限公司，北京 0600)

無人機(jī)在高速公路棄渣場監(jiān)測中的應(yīng)用探討

周春波1，王 農(nóng)1，周淑君2，秦曉蕾1
(1.江西省水土保持科學(xué)研究院，江西 南昌 330029；2.北京蒼穹數(shù)碼科技有限公司，北京 102600)

無人機(jī)；棄渣場；監(jiān)測；高速公路

無人機(jī)監(jiān)測相較于傳統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)手段，不僅工作更高效、調(diào)查更全面，而且監(jiān)測數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確。在高速公路棄渣場水土保持監(jiān)測中，利用無人機(jī)可快速獲取擾動土地面積和坡度等水土流失因子，估算取棄土方量和水保措施工程量，監(jiān)測水土流失危害。在分析總結(jié)高速公路棄渣場特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)探討了無人機(jī)在高速公路棄渣場監(jiān)測中的應(yīng)用。

隨著國家“十三五”規(guī)劃的頒布與實(shí)施，國家級和地方級高速路網(wǎng)的不斷規(guī)劃和加密，大規(guī)模的高速公路工程建設(shè)必然會造成項(xiàng)目區(qū)人為水土流失的加劇。高速公路建設(shè)會不可避免地需要大量的棄渣場，由于棄土棄渣失去了原有的土壤結(jié)構(gòu)，且一般具有較陡的松散堆積面，因此棄渣場土壤侵蝕嚴(yán)重，具有流失量大、突發(fā)性強(qiáng)、危害大等特點(diǎn)，若不及時(shí)采取有效的水土流失防治措施，將給人民群眾的生產(chǎn)生活帶來嚴(yán)重威脅[1]。水土保持法第二十八條對生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目棄渣的綜合利用和廢棄處理進(jìn)行了明確規(guī)定，棄渣應(yīng)堆放在水土保持方案確定的專門存放地，并采取措施保證不產(chǎn)生新的危害。深圳光明新區(qū)渣土受納場“12·20”特別重大滑坡事故發(fā)生之后，棄渣場的安全穩(wěn)定已經(jīng)成了全社會關(guān)注的熱點(diǎn)，及時(shí)定期開展棄渣場的水土保持監(jiān)測是高速公路水土保持工作的重要內(nèi)容。

傳統(tǒng)的水土保持監(jiān)測野外調(diào)查方法主要是用尺量(測長度、測樣方)、GPS定位(測面積)、地形圖勾繪等，這些方法僅適用于小區(qū)域工作。由于必須接觸到被測物體，受人為干預(yù)較大，因此大面積或線性工程調(diào)查時(shí)外業(yè)工作量非常大，且對于一些地形復(fù)雜、監(jiān)測人員難以到達(dá)甚至不能到達(dá)的區(qū)域則無法獲取數(shù)據(jù)。有時(shí)為了節(jié)省時(shí)間可能會采用目測估計(jì)，工作效率和測量精度偏低，不能滿足快速、準(zhǔn)確出成果的要求，更不能適應(yīng)水土保持監(jiān)測信息化發(fā)展的要求。相較于傳統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)手段，無人機(jī)監(jiān)測具有工作更高效、調(diào)查更全面、數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確的優(yōu)勢，無人機(jī)目前已在水土保持行業(yè)得到廣泛使用，能夠適用于點(diǎn)狀項(xiàng)目和線狀項(xiàng)目的重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域(大型的取棄土場、隧道棄渣等)的水土保持監(jiān)測，可快速獲取擾動土地面積和坡度等水土流失因子，估算取棄土方量和水保措施工程量，監(jiān)測水土流失危害，評估水土流失狀況，在一定程度上解決了監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取難的問題。

1 高速公路棄渣場的特點(diǎn)

1.1 棄渣場數(shù)量多且分布離散

高速公路工程標(biāo)段劃分較多，施工過程中受施工時(shí)序等限制很難在標(biāo)段之間進(jìn)行土石方調(diào)配，加之運(yùn)距、材料等諸多因素的影響，很容易形成大量的棄土棄渣，導(dǎo)致沿線棄渣場數(shù)量較多。高速公路屬于線性工程，棄渣場通常沿線路離散分布。

1.2 棄渣場類型多樣

高速公路屬于線性工程，跨度較長的高速公路項(xiàng)目會經(jīng)過平原區(qū)和山區(qū)等多種地貌類型區(qū)。棄渣場的類型通常有平地(緩坡)型、溝道(山谷)型、坡面型、填洼(塘)型和崗地型等5種類型[1-4]。各類棄渣場的特征見表1。

表1 棄渣場分類

1.3 棄渣場存在較多變更

受施工組織及運(yùn)距等的影響，施工過程中產(chǎn)生的棄渣一般就近堆放，大多數(shù)不在方案指定地點(diǎn)堆放，從而造成棄渣場存在較多的變更，給棄渣場的管理帶來了難題，需要進(jìn)行棄渣場方案變更。

1.4 選址隱蔽，傳統(tǒng)調(diào)查方法難以發(fā)現(xiàn)

有些棄渣場距線路較遠(yuǎn)，或隱藏在山體的背面，傳統(tǒng)的地面調(diào)查難以發(fā)現(xiàn)這類棄渣場，可能會遺漏，存在水土流失隱患。

2 無人機(jī)在水土保持行業(yè)中的應(yīng)用

隨著無人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，無人機(jī)的性能愈加穩(wěn)定，技術(shù)更加成熟，價(jià)格更趨低廉，無人機(jī)普及率越來越高。對水土保持相關(guān)從業(yè)機(jī)構(gòu)的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前無人機(jī)已經(jīng)被較廣泛地應(yīng)用于水土保持監(jiān)測評估、監(jiān)督管理，水土流失災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測及水土保持方案編制和規(guī)劃設(shè)計(jì)等各個(gè)領(lǐng)域。①水土保持監(jiān)測評估。主要用于擾動土地面積、取棄土量、措施工程量、植被覆蓋度等監(jiān)測指標(biāo)信息的獲取，利用航拍成果，對水土保持措施布局、完成情況進(jìn)行評估。②水土保持監(jiān)督管理。主要用于水土保持監(jiān)督執(zhí)法取證，拍攝影像視頻資料，判斷是否超出防治責(zé)任范圍，是否按照水土保持方案要求采取水土保持措施等。③水土流失災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測。主要用于滑坡、泥石流等水土流失災(zāi)害的應(yīng)急監(jiān)測，用于獲取滑坡體的面積、方量等數(shù)據(jù)，以供救災(zāi)決策使用。④水土保持方案編制和規(guī)劃設(shè)計(jì)。主要用于方案編制和設(shè)計(jì)前的原始地形地貌調(diào)查，以作為方案編制和規(guī)劃設(shè)計(jì)的本底數(shù)據(jù)。

3 無人機(jī)在高速公路棄渣場監(jiān)測中的應(yīng)用

3.1 無人機(jī)和后處理軟件選型

綜合對比操作性、相機(jī)分辨率、續(xù)航時(shí)間、信號控制距離等多種因素，選擇DJI Phantom系列無人機(jī)作為主要的機(jī)型。后處理軟件選擇俄羅斯Agisoft PhotoScan軟件，該軟件是一款基于計(jì)算機(jī)視覺自動進(jìn)行三維重建的軟件，依據(jù)最新的計(jì)算機(jī)多目視覺影像三維重建技術(shù)對具有一定重疊度的影像進(jìn)行處理(也可以通過添加控制點(diǎn)生成具有真實(shí)坐標(biāo)的三維模型)，工作流程全部自動化。

3.2 無人機(jī)監(jiān)測指標(biāo)篩選

高速公路棄渣場的水土保持監(jiān)測指標(biāo)主要有棄渣場的特征、類型、組成物質(zhì)、堆放方式、水土保持措施和水土流失危害等，各監(jiān)測指標(biāo)的詳細(xì)內(nèi)容見表2。

表2 棄渣場主要監(jiān)測指標(biāo)

3.3 無人機(jī)監(jiān)測流程

高速公路棄渣場無人機(jī)監(jiān)測流程包括影像數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理和成果數(shù)據(jù)應(yīng)用，見圖1。

圖1 無人機(jī)監(jiān)測流程

(1)影像數(shù)據(jù)獲取。利用無人機(jī)對棄渣場進(jìn)行航拍作業(yè)，在航拍前需要對無人機(jī)進(jìn)行調(diào)試，根據(jù)成果數(shù)據(jù)的精度要求設(shè)置一定的飛行高度，根據(jù)棄渣場的形狀和大小進(jìn)行飛行航線規(guī)劃，拍攝時(shí)應(yīng)保證航向重疊度大于75%，旁向重疊度大于60%。此外還可以對棄渣場內(nèi)的重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行單獨(dú)拍攝并錄制視頻。

(2)數(shù)據(jù)處理。利用PhotoScan軟件對無人機(jī)采集的原始影像進(jìn)行處理，導(dǎo)入原始影像數(shù)據(jù)后，軟件自動進(jìn)行三維重建、點(diǎn)云密集匹配、地形建模等過程，最終導(dǎo)出監(jiān)測需要的DOM和DEM等中間成果，以便后續(xù)分析測量使用。

(3)成果數(shù)據(jù)應(yīng)用。利用GIS軟件對監(jiān)測中間成果數(shù)據(jù)(DOM和DEM)進(jìn)行量測、分析，可以獲取棄渣量、面積、堆高、措施工程量等監(jiān)測指標(biāo)，根據(jù)獲取的監(jiān)測指標(biāo)快速評價(jià)棄渣場的水土流失狀況；利用GIS軟件的制圖功能制作棄渣場的擾動范圍圖、措施分布圖等監(jiān)測成果圖件。

3.4 無人機(jī)監(jiān)測精度分析

無人機(jī)航測精度包括正射影像的地面分辨率、絕對精度和相對精度，由實(shí)際棄渣場的數(shù)據(jù)處理結(jié)果可知，地面分辨率與飛行高度和相機(jī)的像素有關(guān)(DJI Phantom 4無人機(jī)100 m飛行高度能達(dá)到2 cm地面分辨率)，在未添加控制點(diǎn)的情況下，絕對精度能夠達(dá)到米級，相對精度能夠達(dá)到厘米級，基本能夠滿足棄渣場水土保持監(jiān)測的需要。

4 結(jié)論與展望

利用無人機(jī)開展高速公路棄渣場監(jiān)測，能夠提高監(jiān)測的工作效率、質(zhì)量和信息化水平，具有良好的示范效應(yīng)。實(shí)際應(yīng)用過程中，還應(yīng)注意以下幾個(gè)方面：

(1)雖然目前無人機(jī)在水土保持監(jiān)測中應(yīng)用較為廣泛，技術(shù)也比較成熟，但由于缺乏相關(guān)的規(guī)程規(guī)范，導(dǎo)致監(jiān)測成果差異較大，因此應(yīng)及時(shí)制定無人機(jī)監(jiān)測技術(shù)規(guī)程，規(guī)范監(jiān)測流程和成果質(zhì)量，使無人機(jī)監(jiān)測成果具有較高的可信度。

(2)針對當(dāng)前無人機(jī)攝影測量精度較低的問題，可以通過增加地面控制點(diǎn)等方式來提高精度，以滿足更加專業(yè)化的需求。

(3)由于棄渣場下墊面類型多種多樣，通常難以確定棄渣場壓蓋原始地形，在未知原始地形數(shù)據(jù)的情況下，無人機(jī)對棄渣方量監(jiān)測精度偏低，應(yīng)重點(diǎn)研究不同棄渣場類型棄渣方量的計(jì)算方法，以提高無人機(jī)在棄渣方量監(jiān)測中的適用范圍。

[1] 呂釗，王冬梅，徐志友，等.生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目棄渣(土)場水土流失特征與防治措施[J].中國水土保持科學(xué)，2013，11(3):118-126.

[2] 田育新，李正南，周剛，等.開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目借土場、棄渣場的分類、選擇及防治措施布局[J].水土保持研究，2005，12(2):149-153.

[3] 趙暄，謝永生，景民曉，等.生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目棄土堆置體的類型與特征[J].中國水土保持科學(xué)，2013，11(1):88-94.

[4] 水利部.水土保持工程設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 51018—2014[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2014：20.

S157

C

1000-0941(2018)01-0044-03

周春波(1989—)，男，江西南昌市人，工程師，碩士，主要從事遙感監(jiān)測與信息化工作。

2017-05-10

(責(zé)任編輯 孫占鋒)