無人機(jī)技術(shù)在生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測中的運用方法及分析

李延強

(甘肅中略海利咨詢服務(wù)有限公司，甘肅 武威 733000)

1 工程概況

大紅溝建筑用石料礦建設(shè)項目位于天祝藏族自治縣城約110°方向，直線距離13 km的大紅溝，與鶯鴿咀村直線距離1.3 km，行政區(qū)隸屬天祝藏族自治縣松山鎮(zhèn)管轄，松山鎮(zhèn)地處祁連山脈毛毛山南麓松山灘草原，東北與古浪縣接壤，東南與景泰縣、永登縣接壤，西鄰縣城華藏寺。礦區(qū)屬溫帶大陸性半濕潤氣候。據(jù)天祝藏族自治縣氣象站資料年平均氣溫1℃，年平均降水量270 mm，相對無霜期127 d，多年平均相對濕度67%，最大凍結(jié)深度170 cm。縣域內(nèi)降水量自東向西減少。東部關(guān)山一帶年均降水量為620 mm，中西部淺山區(qū)及黃土梁峁溝壑區(qū)年均降水量為580 mm～600 mm。降水量的年內(nèi)分配很不均勻，歷年入春以后降水逐漸增多，汛期6月～9月降水量集中，可達(dá)450 mm，占全年降水量的72.6%；10月以后降水逐漸減少，冬季雨雪稀少。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，境內(nèi)24 h最大降水量為92.3 mm，1 h最大降水量為43.4 mm，30 min最大降水量為33.6 mm。旱情多出現(xiàn)于春季、初夏和伏期，輕者間隔數(shù)年，嚴(yán)重者連年發(fā)生。建設(shè)規(guī)模與開采服務(wù)年限：礦權(quán)面積0.3308 km2，設(shè)計開采面積0.256 km2，開采標(biāo)高2770 m～2665 m。設(shè)計采、選儲量696.56×104m3，實際開采量661.73×104m3、采、選規(guī)模30萬m3/a。

開采方式及開采年限：該工程采用采用露天開采方式。開采年限為3 a。

工程總投資：工程項目總投資1365.9萬元，全部由公司自籌。

建設(shè)工期：工程已于2018年8月完成“三通一平”，目前處于待建狀態(tài)，計劃2019年建成投產(chǎn)。

本工程總占地面積13.93 hm2，均為永久占地。建設(shè)期和運行期土石方開挖總量為678.14萬m3，回填28.66萬m3，廢方14.59萬m3，全部為運行期產(chǎn)生的采礦區(qū)地表剝離土方。

1.1 水土流失防治標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行等級

根據(jù)《全國水土保持規(guī)劃國家級水土流失重點預(yù)防區(qū)和重點治理區(qū)符合劃分成果的通知》和《甘肅省人民政府關(guān)于劃定省級水土流失重點預(yù)防區(qū)和重點治理區(qū)的公告》，項目區(qū)屬于甘肅省省級重點治理區(qū)。因此，水土流失防治標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行建設(shè)類項目二級標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》(SL-190-2007)，項目區(qū)容許土壤流失量為1000 t/(km2·a)。

1.2 水土流失預(yù)測結(jié)果

本工程建設(shè)可能造成的水土流失總量約為1070.856 t，其中新增水土流失量約737.806 t；各預(yù)測單元新增水土流失量依次為開采區(qū)612.645 t、采/選工業(yè)場區(qū)76.375 t、道路區(qū)41.454 t、辦公生活區(qū)7.332 t、分別占新增水土流失總量的83.04%、10.35%、5.62%、0.99%。

2 水土保持無人機(jī)監(jiān)測方法與運用

2.1 監(jiān)測范圍和時段

對項目建設(shè)區(qū)、生產(chǎn)區(qū)和直接影響區(qū)進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測范圍為工程建設(shè)征占、使用和其他擾動區(qū)域總面積13.93 hm2，項目分區(qū)平面圖見圖1。

圖1 項目分區(qū)平面圖

監(jiān)測時段應(yīng)根據(jù)開發(fā)建設(shè)項目類型來確定，本項目為建設(shè)生產(chǎn)類項目，根據(jù)開發(fā)建設(shè)項目水土保持方案編制技術(shù)規(guī)范的有關(guān)規(guī)定，其監(jiān)測時段分為施工期、運行期和自然恢復(fù)期，本項目確定檢測時段為2019年～2022年。

本方案水土保持監(jiān)測擬設(shè)固定監(jiān)測點5處。開采區(qū)、采/選工業(yè)場區(qū)、辦公生活區(qū)、道路區(qū)各一處；原地貌1處。

監(jiān)測頻次：調(diào)查監(jiān)測頻次在施工期的中間及結(jié)束后各進(jìn)行一次全面的調(diào)查監(jiān)測，在水土保持措施開始實施后，春秋季各監(jiān)測一次；定位監(jiān)測：主要安排在5月～9月，每月各監(jiān)測一次，每次暴雨后增加監(jiān)測次數(shù)，植物措施主要在春、夏、秋季監(jiān)測。水土流失危害事件發(fā)生后7日內(nèi)報送水土流失危害事件報告。

2.2 設(shè)備及參數(shù)

航拍采用大疆精靈4RTK無人機(jī)搭載配備1英寸2000萬像素CMOS。相機(jī)支持輸出未經(jīng)畸變矯正的原圖，并在照片XMP信息中輸出該相機(jī)的OPEN-CV畸變矯正參數(shù)，用于后處理。

2.3 無人機(jī)監(jiān)測內(nèi)容和方法

根據(jù)水土流失防治分區(qū)，分別對工程建設(shè)期間各分區(qū)內(nèi)開挖回填土石方等的水土流失狀況進(jìn)行監(jiān)測。監(jiān)測內(nèi)容包括各工程單元土壤侵蝕強度、土壤侵蝕形式、水土流失原因等。

在拍攝之前應(yīng)先收集項目背景資料(如地形地貌、土壤、植被、氣象、水文等)土地紅線、施工工藝、施工進(jìn)度等。通過分析這些背景資料確定無人機(jī)重點監(jiān)測的點位和范圍，同時對水土流失量等監(jiān)測做好準(zhǔn)備。對各工程單元水土保持措施的數(shù)量、質(zhì)量，運行狀況和發(fā)揮的實際作用進(jìn)行定期監(jiān)測。主要包括水土保持工程措施的完整性，植被成活率、覆蓋率等情況，以及實施各種水土保持措施后各施工單元坡面土壤侵蝕情況的變化等。

無人機(jī)技術(shù)在運用于生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測中，利用無人機(jī)監(jiān)測獲取的影像成果，通過目視解譯提取項目區(qū)各單元植被覆蓋度及土地利用信息，并分析DSM數(shù)據(jù)，獲取坡度信息，結(jié)合土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)，綜合判別項目區(qū)土壤侵蝕強度。

本項目所涉及的防治責(zé)任范圍較大，而無人機(jī)可持續(xù)飛行的時間有限；在無人機(jī)航線設(shè)計完成后采用自動飛行模式，飛行高度定為100 m，航速設(shè)為6 m/s，照片重疊度設(shè)為80%；照片拍攝完成后使用Pix4D軟件來處理，形成DOM模型、DEM模型和三維模型等成果。基于DOM和DEM成果的基礎(chǔ)上可以進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)信息的提取，把外業(yè)采集的圖像及數(shù)據(jù)通過內(nèi)業(yè)軟件轉(zhuǎn)化為測量信息數(shù)據(jù)。

通過在計算機(jī)上勾繪的方式來識別土地利用類型及變化情況，利用DOM和DEM模型成果提取出監(jiān)測區(qū)內(nèi)土地利用類型、流失面積、坡長、植被覆蓋率及重點治理措施等數(shù)據(jù)，并結(jié)合項目區(qū)土壤可蝕性、降雨量等資料，根據(jù)土壤流失公式計算出土壤流失量。最后，分析查看監(jiān)測值是否符合《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》(SL 190-2007)和《生產(chǎn)建設(shè)項目水土流失防治標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50434-2018)中的要求。

基于DOM和DEM模型再利用Pix4D可生成三維數(shù)字模型，在3D效果下能夠直觀的看到監(jiān)測區(qū)內(nèi)水土流失的情況，分析現(xiàn)場是否存在不安全不穩(wěn)定的因素，如滑坡、土石崩塌、泥石流等因素。

在水土保持監(jiān)測中主要是對水土保持措施的監(jiān)測，措施主要由工程措施、植物措施及臨時措施，監(jiān)測主要利用人工進(jìn)行識別DOM模型來分析，和現(xiàn)場測量相比較，極大地提高了工作效率和準(zhǔn)確性。

3 結(jié)果與分析

3.1 基礎(chǔ)信息獲取

由于項目區(qū)位于山區(qū)，為了減小周邊山體圖像采集的干擾，將航拍時間定在陰天沒有陽光的時候，開采區(qū)、采/選工業(yè)場區(qū)、辦公生活區(qū)、道路區(qū)共4個重點監(jiān)測區(qū)域的精度為0.01 m的DOM(見圖2)和精度為0.2 m的DEM(見圖3～圖8)；擾動土地面積、土石方量、水保各項措施等監(jiān)測精度不小于85%。

圖2 項目區(qū)DOM

圖3 采選區(qū)DEM

圖4 采選區(qū)DEM

圖5 辦公區(qū)DEM

圖6 開采區(qū)DEM

圖7 開采區(qū)DEM

圖8 道路區(qū)DEM

3.2 土地利用類型

項目建設(shè)區(qū)內(nèi)土地利用類型復(fù)雜且分布零散，采用計算機(jī)自動分類容易造成客觀的錯誤，因此重點監(jiān)測區(qū)的土地利用類型主要采用人工識別的方法逐一進(jìn)行識別，項目區(qū)土地利用類型及面積見表1。

表1 項目區(qū)土地利用類型及面積

3.3 擾動范圍及土壤流失量監(jiān)測

把已經(jīng)生成的DOM(見圖2)導(dǎo)入EPS中可直接勾畫出擾動面積，在用皮尺對擾動面積進(jìn)行人工符合，計算查看實際擾動面積監(jiān)測精度是否大于90%。項目區(qū)水土流失量預(yù)測結(jié)果見表2。

表2 項目區(qū)水土流失量預(yù)測結(jié)果

3.4 水土保持措施監(jiān)測

基于DOM模型，對水土保持措施、臨時措施、植物措施采用手動識別的方法進(jìn)行統(tǒng)計分析，并用量具量取措施的規(guī)格尺寸和數(shù)量等信息；通過DOM模型成果及數(shù)字模型可以直觀的判斷出水土保持措施的防治效果。項目區(qū)水土流失措施見表3。

表3 項目區(qū)水土保持措施統(tǒng)計

4 結(jié)論

根據(jù)水土流失量預(yù)測結(jié)果，確定有可能造成水土流失面積13.93 hm2，水土流失總量為1070.856 t，新增水土流失量737.806 t。采取有針對性的水土保持措施，可極大的減少工程建設(shè)對周邊環(huán)境造成的不利影響，減少產(chǎn)生水土流失的各個環(huán)節(jié)，伴隨著植物措施效益的發(fā)揮，施工期間產(chǎn)生的水土流失基本得到控制。

本項目水土保持方案實施后，建設(shè)區(qū)擾動土地整治率將達(dá)到95%，水土流失總治理度達(dá)95%，土壤流失控制比0.50，攔渣率85.06%，林草植被恢復(fù)率90.00%，林草覆蓋率15.00%。減少水土流失量529.00 t，水土流失防治均達(dá)到設(shè)計水平年的防治目標(biāo)。

無人機(jī)技術(shù)在水土保持監(jiān)測工作中基于DOM和DEM提取監(jiān)測對象的土地利用類型、位置、面積、體積等信息，構(gòu)建三維虛擬模型。結(jié)果表明計算機(jī)自動識別更加快速，但存在將監(jiān)測對象的陰影、苫蓋誤判為植被的問題。最后，將提取的信息逐一應(yīng)用于案例工程的水土保持監(jiān)測工作，直接獲取各典型區(qū)擾動土地面積、棄渣體積、苫蓋與否、苫蓋面積等監(jiān)測結(jié)果。無人機(jī)監(jiān)測結(jié)果與運用傳統(tǒng)方法監(jiān)測的結(jié)果對比表明，2種方法的監(jiān)測結(jié)果均滿足相關(guān)技術(shù)要求，但無人機(jī)監(jiān)測效率是傳統(tǒng)人工監(jiān)測效率的3～5倍。成果可為無人機(jī)遙感技術(shù)在水土保持監(jiān)測中的應(yīng)用提供有效的方法借鑒。