無人機遙感技術在水土保持監管中的應用

孫向峰，趙 瑩，趙國峰

（1.山東省海河淮河小清河流域水利管理服務中心，山東 濟南 250100；2.山東省水利科學研究院，山東 濟南250014；3.博興縣城鄉水務局，山東 博興 256500）

近年來，為進一步深化“放管服”改革，強化生產建設項目水土保持事中事后監管，做好水土保持方案實施情況的跟蹤檢查，推進“智慧水土保持”建設，快速獲取水土保持相關的定性、定量信息，提升水土保持監督管理水平。無人機技術在環保、林業、農業等領域已實現快速的現場調查。利用無人機傾斜攝影、多光譜等影像開展生產建設項目水土保持監督檢查，比傳統調查方法調查范圍廣、速度快、精度高，可實現定量分析等目標[1]。

1 水土保持事中監管重點與難點

1.1 水土保持監督管理人員不足

為解決水土保持監督管理人員不足的問題，山東省各市、縣多采取政府購買水土保持監督檢查第三方服務方式獲取技術支持。但水保事中監督檢查屬于行政檢查，其他人員作為非行政公職人員，代履行缺乏法律法規支撐，在監督檢查工作中缺乏有效的行政制約能力。

1.2 定性檢查容易，定量分析難

目前，水土保持事中監管常以人工檢查為主，同時遙感影像和無人機等加以輔助。但僅通過觀察、詢問調查等現場檢查，只能是直觀定性而不是精確的測量和定位。對于取、棄土場及數量、防治措施規格及面積、表土剝離及利用數量、植物措施防護程度及數量，需要定量統計，難以在短時間內給出準確的結論。與《水利部生產建設項目水土保持方案變更管理規定》辦水保（2016）65號中提出的變更要求，以往的監督檢查方式在量級上滿足不了事中監管的要求，同時工作效率也較低。

1.3 暗查暗訪中取證信息獲取難度大

對項目現場存在的水土流失隱患，對納入重點監管名單、群眾舉報或問題突出的項目組織專項檢查。此類項目，常常采用“四不兩直”暗查暗訪，不定期、多頻次開展水土保持監督檢查工作。這種形式事中檢查不能通過詢問等形式，如果不依靠信息化監測手段很難獲得取證信息，而且只有通過定量計算輔助檢查，計算出準確的監督檢查數據，才能讓違法行為無處遁形。

2 無人機遙感技術應用實例

2.1 項目概況

濟泰高速公路5號棄渣場，地理位置位于東經117.148498°，北緯36.449542°，濟泰高速公路樁號K15+700左側100 m。占地類型為林地，植被發育以灌木為主，屬于溝道型棄渣場。該區地勢起伏，自然坡度5～35°，相對高差約30 m。下游100 m處為濟泰高速公路大橋，棄渣場溝底坡度較緩。

該工程應用的無人機為大疆精靈4RTK多光譜版，有6個1/2.9英寸CMOS，包括1個用于可見光成像的彩色傳感器和5個用于多光譜成像的單色傳感器，主要技術指標：1）5個多光譜傳感器，波段設置參數為紅（R）：650 nm±16 nm；綠（G）：560 nm±16 nm；藍（B）：450 nm±16 nm；紅邊（RE）：730 nm±16 nm；近紅外（NIR）：840 nm±26 nm；光譜分辨率為200萬像素（1600×1200）；2）1個可見光RGB傳感器，光譜分辨率為200萬像素（1600×1200）；3）飛行高度采用90 m，飛行參數選擇航向重疊率80%、旁向重疊率60%時，GSD約4.76 cm/pixel。

2.2 項目擾動范圍及水保措施數據獲取

利用DJI Terra軟件進行無人機遙感二維重建影像，生成數字正射影像圖（DOM），見圖1?？梢酝ㄟ^結果準確量測棄渣場擾動面積、復耕面積、措施面積，以及棄渣場攔擋長度、截排水溝長度等水保工程措施數據，見圖2。

圖1 正射影像圖（DOM）

圖2 擾動面積測量

2.3 高程與棄渣量數據獲取

利用無人機三維傾斜攝影技術，用DJI Terra軟件形成三維模型，見圖3。堆渣高度、坡度，可在三維模型上直接測量。本次測量與最低點水平面的體積、測量值與上次量測值的差即是增加的土石方量。形成數字表面模型（DSM）見圖4，可獲取地理坐標及高程等信息。

圖3 三維模型圖

圖4 數字高程模型圖（DSM）

2.4 林草覆蓋率獲取

利用DJI Terra軟件進行拼接，ENVI5.3軟件處理多光譜數據進行建模，形成NDVI指數圖，見圖5。在綜合已有多種植被覆蓋度分類的基礎上，以ENVI 5.3軟件中監督分類中支持向量機和閾值法算法進行分類，計算植被覆蓋度，并與實地植物調查樣方的調查結果進行比較，計算結果滿足精度要求。

圖5 NDVI指數圖

圖6 植被覆蓋度圖

2.5 結果分析判斷

1）擾動范圍分析判斷。判斷擾動范圍是否超出防治責任范圍，只需從生產建設項目水土保持監督檢查系統中將生產建設項目防治責任范圍矢量邊界導出，和測量的擾動DOM圖進行疊加分析，未超出防治責任范圍的判斷為“合格”，超出防治責任范圍的判定為“超防治責任范圍”，并計算超出擾動面積占水保方案批復的防治責任范圍的比例。

2）棄渣量及水保措施分析判斷。棄渣量由大疆軟件測量，同時與水保方案中的地形數據進行比較，獲取棄渣量。水保工程措施與方案設計值進行對比，棄渣量及水保措施均符合方案設計值。

3）植物措施分析判斷。棄渣場經過平整后，具備了土地資源再利用基礎，卻沒有采取人工恢復措施，只是自然恢復。經過1年多的自然恢復，10%以上蓋度的面積占71.2%，林草覆蓋率比較低，在降雨的沖刷下產生水土流失，影響棄渣場生態恢復進程。對此，監督檢查提出棄渣場整改要求：一是補充斜坡防護措施，采用工程防護或植物防護等措施；二是平臺區在土壤條件差的地方可采取客土改良，增加植物措施防護，人工加速植被恢復進程。

3 應用建議

實踐表明，采用無人機進行事中監督檢查，通過定量計算結合重點區域現場檢查，可排查項目地點規模變化、未批先棄、水土保持方案超范圍未變更等違法違規問題，極大提高了監管工作質量和效率，在未來的水土保持監管中可以廣泛應用。

建議相關部門進一步加強水土保持臨時措施監管，強化臨時措施監測技術手段，尤其是臨時擋土、臨時排水、防塵網覆蓋等措施尺度較小的臨時措施監測研究，研究其快速分類的方法，如防塵網等，可實現對臨時措施的快速辨認和測量，而不是僅僅靠目視解譯，由此實現對生產建設項目全過程監管，實現精細化監管。