水土保持監測中的無人機低空遙測技術分析

郭昌盛

（九江市濂溪區水利局，江西九江 332005）

1 工程概況

某生產項目工程占地總面積為225.55 hm2，2016年1月開工建設，總工期99個月。勘察結果顯示，現場以中低山地貌為主，海拔150～900 m；現狀土壤包含黃壤和紅壤兩大類，有微度侵蝕，侵蝕模數350 t/（km2·a），水力侵蝕作用明顯。項目建設現場植被類型豐富且生長狀況良好，覆蓋率達75%，植被包含馬尾松、灌叢等。項目所在區域屬亞熱帶季風氣候，年均降水量1 858.4 mm，集中在5～8月，總體具有雨量充沛、年內分配不均的基本特點。

2 無人機低空遙感數據的獲取方法

精準劃定監測區，綜合考慮測區面積以及現場地物類型，布設適量的地面控制點，采用手持GPS的方式采集各點坐標，完整記錄。控制點的分布遵循均勻性原則，避免局部間距過大或過小。基于掌握的現場信息，利用Pix4Dcapture軟件規劃航線，作為無人機航拍運行軌跡，以便高效操控該裝置，沿既定路徑完成航拍，飛行器在運行期間采集數據。部分區域監測范圍大或存在影響正常航拍的障礙物時，以分階段的方法依次采集數據，即劃分為2個或多個飛行架次，有秩序地推進監測進程。

3 水土保持監測信息的提取及應用

綜合考慮土地利用類型、土石方量變化、水土流失等多個方面，共同匯聚成完善的水土保持監測信息，作為計算分析的關鍵基礎。依托于Pix4DMapper軟件，針對生成的航拍照片進行拼接操作，構建具有參考價值的DOM模型、DEM模型等，提取信息，對監測范圍的實際情況進行準確判斷。在該流程下，實現外業工作向內業工作的轉換，實現精細化測量、高效分析、準確判斷的目標。

3.1 土地利用類型

人工目視識別，應用信息工具進行表達，即在軟件上勾繪相應的地物。

3.2 擾動范圍及流失量監測

（1）以無人機低空遙感技術為主體，輔以常規的地面觀測方法全面監測。提前在測區內布設觀測點，計算后確定各類型區的侵蝕模數，與流失面積相乘后求得具體的流失量，再對該結果進行算術求和操作，利用所得結果反映某特定時段內形成的流失總量。

（2）以DOM、DEM模型為基礎，向其中提取具有參考價值的因子，具體包含流失面積、植被覆蓋率、土地利用類型等，再進一步考慮土壤可蝕性、降雨量等配套信息，經過多角度整合后，使用修正通用土壤流失方程展開計算，求得土壤流失量。

3.3 取（棄）土場挖填方量監測

在取（棄）土前組織一次航拍，生成反映原地貌的具體信息及模型，為后續監測、計算分析工作的開展夯實基礎。對原始地貌模型和施工期模型進行疊加處理，確定取（棄）土場的挖填方量。還可根據各施工期的航拍成果展開測算，利用數據判斷某特定區域不同時間段的挖填方量，呈現出動態變化趨勢[1]。

4 低空遙測結果與分析

4.1 遙感數據的獲取

無人機航拍正值夏季（2017年6月），在該自然條件下，存在山體陰影以及植被陰影易干擾現場航拍的情況，若盲目觀測將直接影響最終觀測結果的準確性，因此選擇在陰天以及陽光直射時航拍。重點考慮渣場、建設管理營地等測區，生成各自的DOM模型和DEM模型，精度為0.05、0.20 m。規劃的各個測區的面積均超過1 hm2，兩種模型的精度較高，無論是擾動面積還是土石方量等指標，精度均能夠滿足“不小于90%”的要求。

4.2 信息的提取及應用

（1）土地利用類型。

土地分布缺乏均勻性，利用類型具有多樣化的特性，若采用計算機自動分類的方法，易受到識別機制的限制，影響分類結果的準確性。為解決該問題，著重考慮重點監測區，針對該部分以人工識別的方式準確判斷土地利用類型。

以建設管理營地為例展開分析，該區域總占地面積為7.84 hm2，經過人工識別后劃分為三大部分，即硬化路面（0.28 hm2）、林地和灌木林地（1.06 hm2）、水工建筑用地及其他用地（6.50 hm2）。

（2）擾動范圍及流失量監測。

以5#渣場為例展開分析，構建DOM模型，將該部分導入Globalmapper14.1軟件，識別信息并加以計算，確定擾動面積為6.56 hm2。

在此基礎上，采用手持GPS和皮尺聯合作業的方法，詳細測定擾動區域的具體面積，結果顯示該值為6.71 hm2，對比分析發現，擾動面積監測精度不小于95%，滿足相關要求。土地利用類型包含土壤流失面積（6.16 hm2）以及硬化面積（0.40 hm2），土壤流失面積可以細分為三個區塊，即雜草坡面（1.41 hm2）、平地及緩坡（0.66 hm2）以及堆渣邊坡（4.09 hm2）。

擾動面積如圖1所示。

圖1 擾動面積（勾繪部分）

針對測區進行泥沙監測，此處選取2017年第二季度的數據展開分析，雜草坡面、平地及緩坡、堆渣邊坡的侵蝕模數分別約為600、1 000、2 400 km2·a，基于監測數據進行算術加法計算，求得該階段的流失總量為28.31 t。

綜合考慮DOM模型、DEM模型、降雨等相關的既有信息，提取相應因子，借助修正通用土壤流失方程計算，目的在于確定第二季度土壤流水量，結果顯示約為30.12 t。

為檢驗前述所提的流失量監測結果的精度，進一步組織實地監測，地點選取的是攔渣壩下游出水口處，在該區域內修筑一處3級沉淀池，由專員開展有關于渣場流失量的監測工作。結果顯示，第二季度的沉淀泥沙量為24.10 t，經過對比分析發現其小于前述提及的計算結果，計算誤差未達到“精度不小于90%”的要求。采用傳統監測手段時，諸多因素均會對侵蝕模數的準確性造成影響，現場環境復雜度較高，可控性較差；對于測區的地形條件，具有復雜多變的特點，存在諸多干擾因素，部分因子的取值不準確，應用修正通用土壤流失方程后，產生的結果也會出現明顯偏差[2]。

現場屬南方紅壤丘陵區，根據此類地區的地質特性可知，容許土壤流失量為500 t/（km2·a），施工階段土壤流失控制比應超過0.7，土壤流失強度容許值為714 t/（km2·a），5#渣場的流失強度為47.91 t/a，將此數據與容許流失量進行對比分析，可以發現該渣場存在流失量偏大的情況。

（3）棄渣場挖填方量的監測。

以某渣場為例，2017年1月、6月安排航拍，DOM模型（6月）如圖2所示。

圖2 渣場6月份DOM模型

項目處于中低山區，地形條件復雜，平整性欠佳，原始狀態下取（棄）土場呈不規則坡面，以何種方法切實提高監測精度至關重要。綜合考慮前兩次航拍成果，以疊加分析的方式組織監測，及時準確地掌握挖填方情況。

確定DOM模型后進行疊加分析，經過計算后對1～6月區間的填挖方量進行判斷，結果顯示該階段挖方1.81×105m3、填方3.18×105m3，由此確定挖填總量為1.37×105m3。

結合前期的工程資料展開分析，產生挖方是因為在施工期間渣場兼具多重“角色”，即作為砂石料中轉料場使用。通過對1～6月數據的分析得知，該階段赤塢渣場運出砂石料總量為1.67×105m3，與疊加分析結果對比發現，前者更小。具體至實測結果中，渣場填方量為3.46×105m3，該值超過疊加后的結果。

①無人機遙感是一種較為可行的水土保持監測方法，其具有智能化、穩定性等特點，但受現場地形、氣候條件等因素的影響，裝置自身某些部件的精度偏差，容易產生垂直精度誤差，得到的體積測量結果存在一定失真情況。

②從渣場現場狀況分析，該處存在較多松散狀土石方，在持續性堆積的過程中，發生明顯的自然沉降，在此影響下，疊加計算的挖填方結果存在偏差，具體表現為挖方量偏大、填方量偏小。

無人機低空遙測結果與實際情況并非完全一致，但無人機航拍測算的挖填方數據具有較高的精度，可以達到“監測精度不小于90%”的要求，無人機航拍測算的方法仍具有可行性，是一種優質的水土保持監測方法。

5 結語

綜上所述，水土保持監測是一項系統性較強、復雜度較高的工作，容易在內外部因素的干擾下導致結果失真，必須合理應用作業方法，保證監測結果準確無誤，在此前提下高效完成監測工作。無人機低空遙感技術頗具代表性，監測結果的準確度較高，且具有可視化特點，合理安排后各項監測工作可高效推進。本文以某工程項目的水土保持監測為例，提出無人機低空遙測技術在應用中的關鍵作業要點，利用實際測量結果加以驗證，發現無人機低空遙測技術取得的模型、數據等信息均具有較高精度，可利用價值高，是一種優質的水土保持監測方法。