無人機遙感技術在線型工程水土保持監測中的應用

楊曉娟 宋振振 李飛

摘要 以日照—京博（日京）管道工程為例，從遙感數據采集、監測內容提取2個方面，開展無人機遙感技術在線型工程水土保持監測中的應用研究。首先，在航攝基礎上，利用Agisoft PhotoScan軟件處理航攝影像生成高精度的正射影像（DOM）和數字高程模型（DEM）;然后基于DOM和DEM成果提取各類監測數據，并構建三維模型。結果表明，利用無人機遙感技術可獲取研究區防治措施落實情況、位置、面積、體積等定性和定量數據，監測精度滿足相關技術要求。無人機遙感技術應用于線型工程水土保持監測中優勢明顯，可提高監測工作質量和效率，提升監測信息化水平，為水土流失防治提供技術支撐。

關鍵詞 無人機;遙感技術;水土保持監測;線型工程;應用

中圖分類號 S157 ?文獻標識碼 A ?文章編號 0517-6611（2020）19-0222-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.19.058

Abstract Taking the pipeline project of RizhaoJingbo （abbreviation as Rijing） as an example， then a research of unmanned aerial vehicle （UAV） remote sensing technology applied in line monitoring was carried out. The contents include remote sensing data collection and monitoring content extraction. Firstly， the Agisoft PhotoScan software was used to process aerial photography image to obtain the highprecision Digital Orthophoto Model （DOM） and Digital Elevation Model （DEM） based on the basis of aerial photography. Secondly， a series of monitoring data were extracted based on DOM and DEM results. Finally， a threedimensional model was constructed. The results showed that using the UAV remote sensing technology can obtain the qualitative and quantitative data， including implementation of control measures， location， area and volume of the research area， and the monitoring accuracy can meet the technical requirements. The UAV remote sensing technology had obvious advantages in monitoring soil and water conservation of linear engineering. It can not only improve the quality and efficiency of monitoring work， but also improve the level of monitoring information，and provide technical support for soil erosion control measures.

Key words Unmanned aerial vehicle;Remote sensing technology; Soil and water conservation monitoring; Linear construction projects;Application

基金項目 山東省省級水利科研項目（SDSLKY201808）;水發設計集團科研項目（SFSJKY201913）。

作者簡介 楊曉娟（1987—），女，陜西渭南人，工程師，碩士，從事水土保持方面的研究。*通信作者，高級工程師，從事水利規劃設計研究。

收稿日期 2020-03-24

水土保持監測是水土流失預防和治理的基礎，是生態環境保護和修復的重要工作[1]，是國家生態文明建設決策和考核的依據[2]。十九大以來，生態文明建設已經上升為新時代中國特色社會主義的重要組成部分，這對水土保持監測工作提出了更加嚴格的要求。傳統監測手段以調查監測和地面觀測為主，針對性強，但監測效率低、精度差[3]，難以實現全域監測。衛星遙感影像一般適用于大尺度監測，影像質量易受云層、霧霾等影響[4]，對生產建設項目水土保持監測，其影像分辨率不高，無法滿足水土保持監測工作的精度要求[5]。進入21世紀，隨著無人機芯片等關鍵技術的成熟，無人機應用領域由軍用向民用方向迅速擴展[6]，基于無人機的水土保持監測技術也日漸成熟，并取得了顯著成效[7-12]。與傳統監測手段和衛星遙感影像相比，無人機遙感技術可提供豐富的地物空間結構和細致的幾何紋理，具有快速高效、機動靈活、成像分辨率高等優勢[13]，已經成為水土保持監測的新型技術手段。

與點型工程不同，線型工程路線長，跨越區域多，線上分布有施工場地、穿河穿路、取（棄）土場等易引發水土流失的點，是一類水土流失類型多樣、防治措施復雜的工程[14]。目前無人機遙感技術在水土保持監測領域的應用主要集中在棄渣場[8，11-12]等點狀對象上，而對線狀對象的研究卻鮮有報道。因此，該研究以日照—京博輸油管道工程（以下簡稱“日京管道”）為例，點、線相結合，對無人機遙感技術在線型工程水土保持監測中的應用進行探索，以期可為今后無人機遙感技術在小流域綜合治理、“天地一體化”監管、事中事后監督檢查和水土保持設施驗收等領域的應用提供技術指導。

1 資料與方法

1.1 研究區概況

日京管道工程以日照港首站為起點，自南向北經過山東省日照市嵐山區、東港區、莒縣，臨沂市沂南縣、沂水縣，濰坊市臨朐縣、青州市，淄博市桓臺縣，東營市廣饒縣，終點為濱州市博興縣京博輸油站（圖1），共涉及6地市10縣區，全長約430 km。工程建設面積854.4 hm2，穿越河流266處，穿越公路、鐵路70處。根據地形地質情況采用大開挖埋設、定向鉆和頂管施工3種方式，局部地段采用地上管廊架敷設。管道沿線地貌類型為魯中南低山丘陵和黃泛沖積平原，海拔高程在1～322 m，土壤類型主要為棕壤、褐土和潮土，土壤侵蝕類型除廣饒縣以風力侵蝕為主外，其他縣、區以水力侵蝕為主。

1.2 研究方法

1.2.1 遙感數據采集。

2018年12月，選擇微風、無云天氣狀況下對研究區實施航拍。考慮到工程路線長，跨越區域多，無人機航程有限，此次試驗選擇潛在土壤流失量較大的管道作業帶RJX054～056、RLS037～040和施工場地3個典型區域進行航拍。

1.2.1.1 設備配置。

無人機：采用大疆精靈4Pro小型四旋翼無人機，搭載1英寸2 000萬CMOS像素傳感器，主要硬件包括飛行器、云臺、相機、遙控器、螺旋槳、智能飛行電池等，輸出影像為JPEG以及無損的RAW格式照片。

機載飛行及地面控制系統：遙控器內置全新一代的Lightbridge高清圖傳回地面端，與飛行器機身內置的Lightbridge機載端配合，通過DJI GS Pro App（地面站）實現航線和飛行區規劃，并實時顯示高清畫面。

1.2.1.2 飛行前準備。

飛行前應了解研究區天氣狀況，選擇晴朗天氣的正午前后或陰天，風速小于8 m/s，能見度大于5 km[3];同時應避開障礙物和禁飛區[15]等。

1.2.1.3 控制點布設。

控制點布設應考慮點位清晰、分布均勻、易于布設的原則。此次管道作業帶各布設6個控制點，施工場地共布設4個控制點，用于提高影像精度。控制點采集設備為中海達iRTK2，精度為0.01 m。

1.2.1.4 參數設置。

研究區周邊大部分為耕地，具有顯著特征的地物較少，為保證影像匹配精度，航向重疊度設置為75%，旁向重疊度設置為70%，飛行高度在100～130 m，采用自動飛行模式，云臺角設置為-90°。

1.2.1.5 數據處理。

無人機遙感影像后處理軟件為Agisoft PhotoScan，水土保持監測內容提取軟件為ArcMap。

1.2.2 監測內容提取。

根據《生產建設項目水土保持監測規程（試行）》（以下簡稱“監測規程”），水土保持監測內容包括擾動土地情況監測、取土（石、料）棄土（石、渣）監測、水土流失情況監測和水土保持措施監測。水土保持監測內容及提取方法如表1所示。

由于該試驗僅實施了1次航拍，獲取的監測信息有限，因此，此次獲取的監測信息主要包括擾動范圍、面積;堆土方量;土壤流失面積;措施類型、位置、數量、防治效果和運行狀況等。

2 結果與分析

2.1 遙感數據獲取

圖2為3個典型區域生成的DOM和數字高程模型（DEM）成果，管道作業帶RJX054～056、RLS037～040和施工場地DOM水平分辨率分別為2.68、2.97和1.14 cm，DEM水平分辨率分別為1.69、2.67和0.18 cm，成果精度可完全滿足水土保持監測工作要求。

2.2 監測內容提取

2.2.1 擾動土地情況監測。

將DOM載入ArcMap，基于ArcMap的空間分析功能，新建水土保持監測信息數據庫，在數據庫內新建面狀圖層“擾動范圍”，對其進行數字化和屬性編輯，通過目視解譯勾繪擾動范圍并提取擾動面積。以施工場地為例，結合圖2c施工場地DOM成果，場地周邊具有綠色圍欄，場內地面色調以淺黃色、深褐色為主，并呈碾壓或松散堆積狀，影像紋理明顯區別于周邊麥田、道路、河溝及整理好的土地。施工場地擾動范圍及面積提取結果如圖3所示。為了檢驗無人機遙感技術對擾動面積的監測精度，采用中海達全站儀，型號ZTS-121R4，測量范圍6～1 999 m，全長相對誤差≤10-6 m，對施工場地擾動面積進行實地測量，實地測量結果為4 766.2 m2，監測精度為99.3%，滿足《監測規程》中點型擾動面積監測精度不小于95%的要求。

2.2.2 取土（石、料）棄土（石、渣）監測。

以管道作業帶RJX054～056和施工場地為例，基于DEM，在Agisoft PhotoScan中通過勾選堆土范圍、刪除次要工作面、關閉孔等操作，建立臨時堆土的三維模型，實現堆土體積量測，監測結果如圖4所示。

傳統監測手段包括地面觀測、實地量測和資料分析等。此次采用資料分析法，以施工單位計量值為基準，對無人機監測結果進行驗證，驗證結果如表2所示。由表2可知，無人機監測結果小于工程實際計量值，管道作業帶臨時堆土體積監測誤差大于施工場地，經分析，可能原因有2個方面：一是土石方長時間堆放會出現自然沉降，導致無人機監測結果偏小;二是數據量越多，累計誤差越大，無人機拍攝的單張影像誤差較小，但連續拍攝導致誤差累計增大[16]。總體而言，利用無人機測算的臨時堆土體積精度滿足《監測規程》中方量監測精度不小于90%的要求。

2.2.3 水土流失情況監測。

以施工場地為例，在水土保持監測信息數據庫內，繼續新建面狀圖層“無土壤流失區域”，并勾繪監測范圍內建構筑物、硬化場地、工程措施、水域等邊界范圍，量取面積，以擾動土地面積反推土壤流失面積。經量算，施工場地占地范圍內建構筑物面積63.6 m2，土壤流失面積4 669.2 m2。

2.2.4 水土保持措施監測。

基于生成的DOM成果，通過人工目視判讀水土保持措施類型，并通過ArcMap提取措施位置、數量。以管道作業帶RLS037～040為例（圖5），圖中色調呈綠色，邊界清晰的為防塵網苫蓋;色調呈白色，點狀分布，位于防塵網邊緣的為編織袋臨時攔擋措施。此外，通過建立研究區三維模型，在3D效果下可直觀判斷苫蓋、攔擋等水土保持措施運行狀況和防治效果等。如圖6所示，管溝左側堆土采用防塵網進行了全面苫蓋，防塵網完整無破損，防治效果較好;而堆土坡腳編織袋僅起到壓蓋防塵網的作用，攔擋效果較差。

3 結論與討論

高精度、高效率、信息化是未來水土保持監測的發展趨勢，這注定無人機遙感技術在水土保持監測領域將發揮不可替代的作用。該研究以日京管道工程為例，從遙感數據采集、監測內容提取2個方面，對無人機遙感技術在線型工程水土保持監測中的應用方法和效果進行闡述，結果表明，基于高精度DOM和DEM，可快速、準確獲取研究區擾動范圍、位置、面積、堆土體積、措施類型、數量、防治效果和運行狀況等定性、定量數據，同時可輸出研究區三維模型;監測結果與傳統監測方法相比，監測精度<10%，滿足《監測規程》要求。

相較于點型工程，線型工程監測工作量大大增加，進行全線路無人機監測實施難度大，通常可選擇典型區域實施航拍，以重點關注部位的監測結果反映總體情況。受地表原始狀況、天氣、儀器光學系統自身畸變、飛行參數設置、內業誤差等因素影響，目前無人機遙感技術在土石方量監測精度方面還存在一定誤差[6，10]，因此，如何建立科學的研究方法，如何對監測結果進行校正，還需要在后期工作中進一步探討和改進。盡管如此，無人機遙感技術在減輕線型工程外業工作量、提高監測工作質量和效率、降低監測成本、提升監測信息化水平等方面，都較傳統監測和衛星遙感影像有著強大的優勢，可為水土流失防治提供強有力的技術支撐。

參考文獻

[1] 姜德文.論生態文明建設中的水土保持監測與公共服務[J].中國水土保持科學，2016，14（6）：131-136.

[2] 郭索彥.水土保持監測與信息化管理制度體系建設現狀和思路[J].中國水土保持，2017（9）：1-5.

[3] 陳宇，付貴增，凌峰，等.無人機技術在生產建設項目水土保持監測中的應用[J].海河水利，2018（5）：57-59.

[4] 蔡志洲，袁普金，王森.空天地一體化水土保持監測初探[J].人民黃河，2018，40（4）：92-95.

[5] 林成行，朱首軍，周濤，等.基于無人機遙感技術的水土保持植被恢復率提取[J].水土保持研究，2018，25（6）：211-215.

[6] 蔡志洲.小型無人機技術在水土保持監測中的應用[C]//中國水土保持學會預防監督專業委員會第九次會議暨學術研討會論文集.北京：中國水土保持學會，2015.

[7] 張雅文，許文盛，沈盛彧，等.無人機遙感技術在生產建設項目水土保持監測中的應用——方法構建[J].中國水土保持科學，2017，15（1）：134-140.

[8] 施明新.無人機技術在生產建設項目水土保持監測中的應用[J].水土保持通報，2018，38（2）：236-240，329.

[9] 許文盛，聶文婷，王一峰，等.生產建設項目超大型棄渣場水土保持監控方案探討[J].中國水土保持科學，2019，17（4）：153-159.

[10] 李嵐斌，金平偉，李樂，等.無人機遙感技術在生產建設項目水土保持監測中的應用：以清遠抽水蓄能電站為例[J].人民珠江，2019，40（1）：6-11.

[11] 張雅文，許文盛，韓培，等.無人機遙感技術在生產建設項目水土保持監測中的應用：以鄂北水資源配置工程為例[J].中國水土保持科學，2017，15（2）：132-139.

[12] 閻世煜，王秀茹，王霄，等.無人機遙感數據處理模型的計算精度分析：以引黃入冀補淀工程水土保持監測為例[J].中國水土保持科學，2019，17（2）：121-131.

[13] 顧錚鳴，金曉斌，楊曉艷，等.基于無人機遙感影像監測土地整治項目道路溝渠利用情況[J].農業工程學報，2018，34（23）：85-93.

[14] 趙永軍，姜德文，袁普金.線狀工程建設項目的水土保持監測：以西氣東輸項目為例[J].水土保持研究，2005，12（6）：71-75，253.

[15] 胡玉杰，屈創.無人機遙感在水土保持領域的應用研究[J].中國水土保持，2019（4）：57-61，69.

[16] 常誠，李月寧.水土保持無人機遙測成果數據精度檢測[J].東北水利水電，2018，36（11）：61-63，66.