數字化技術在水土保持監測中的應用

陳曉佳 CHEN Xiao-jia；趙安平 ZHAO An-ping；陳生 CHEN Shen

（①上海海洋地質勘察設計有限公司，上海 200120；②上海東亞地球物理勘查有限公司，上海 200120）

0 引言

水土保持是國土治理、江河治理的根本，是國民經濟和社會發展的基礎。搞好水土保持、防治水土流失，是治水事業的一項根本性措施，也是改善和保護生態環境的一項緊迫而長期的戰略任務。

國家生態環境監測總目標：一是要實現生態狀況、環境質量和重點污染源監測的全覆蓋，從水土保持來看包括水土流失面積、強度和分布，變化與趨勢，水土保持措施實施數量和成效等，均應全面監測，并納入生態環境監測體系中；二是要建成天地一體監測、上下協同監測和信息共享的監測網絡，顯著提高信息化能力和保障水平；三是監測與監管聯動，監測要為監控和管理提供強有力的支撐。生產建設項目“天地一體化”監測成果要成為制訂監督計劃、組織督查、檢查和驗收的依據，使水土保持監測真正成為水土保持工作和生態環境保護的耳目和前沿[1]。

2021年02月，上海市水務局印發《關于推進開發區生產建設項目水土保持管理工作改革的實施意見》的通知，積極推行實施開發區水土保持區域評估，鼓勵管理機構對開發區或開發區一定區域統一開展水土保持監測，其監測成果可供區域內項目共享使用。這就給水土保持監測工作帶來新的挑戰和契機。水土保持監測工作需全面提高工作效率，以快速、準確、全面的監測成果，為區域評估提供高效服務。

1 依托項目概況

依托硬X射線自由電子激光裝置國家重大科技基礎設施建設項目實施水土保持監測技術數字化應用。硬X射線自由電子激光裝置國家重大科技基礎設施建設項目國家發展改革委聯合教育部、科技部等優先布局建設的10個國家重大科技基礎設施項目之一，上海張江綜合性國家科學中心建設的標志性項目。項目為線型工程，位于上海市浦東新區，跨越花木街道、張江鎮以及北蔡鎮。項目建設內容包括五座工作井基地及其聯通隧道建設。總占地面積為12.90hm2，項目總長3.1km。項目已于2018年4月開工，2021年1月通過水利部水土保持方案評審（水許可決[2021]1號）。

本項目水土保持監測特點：①監測范圍廣，監測點位分散，本工程設置8個監測點位，其中調查監測法監測點6處，分別在井場及隧道建設區（2、3、5號井場）、施工生產生活區（4號井場和5號井場）和施工便道區（5號井場區）各設一處；集沙池法監測點2處，分別選取井場及隧道建設區1號井場以及4號井場各一處。②涉及土地類型多，永久占地及臨時占地分散。③監測內容及土石方量大，土石方挖填總量達到96.81萬m3。④監測周期較長。項目開工時間為2018年4月，計劃于2024年04月完工，總工期計72個月。⑤監測頻次要求高。對擾動土地、水土流失狀況等每月監測一次。基于以上監測特點，水土保持監測小組積極探索水土保持新型監測手段，積極創新，為提高監測效率及精度積極開展水土保持監測技術數字化的研究應用。

2 水土保持監測技術數字化應用

2.1 整體思路及技術路線

水土保持監測技術數字化應用整體思路為：①利用無人機傾斜攝影技術代替傳統人工測量，實現水土保監測項目數據的三維數字化；②利用現場氣象平臺以及氣象大數據，實現水土流失因子實時記錄及監控，為確定土壤流失量提供可靠依據。具體實施技術路線如圖1所示。

圖1 水土保持監測技術數字化技術路線圖

2.2 無人機傾斜攝影技術

近年來無人機航拍技術已廣泛用于水土保持監測，但是要快速獲取土地擾動面積，項目建設過程中水保措施的工程量等仍需要人工現場測量。在線性工程以及區域評估的項目中，傳統的水土保持監測工作量大且測量時間較長。無人機傾斜攝影對影像數據的采集具有真實高效性，三維模型全自動化。與傳統數據采集測量相比，無人機測量包含了空間位置信息，并能根據需求輸出多種成果。無人機傾斜攝影技術通過相關專業軟件以及多角度測量攝影，完整獲取項目基礎信息，高效建立三維數字模型，借助三維平臺的實現擾動面積、植被壓占面積、水土保持措施工程量（工程措施、植物措施、臨時措施等）、工程進度等數據的測量。同時能對項目存在的問題實時監測與反饋[2]。

本項目使用大疆Phantom 4 RTK搭載DJITM GSRK無人機，搭載多頻多系統RTK模塊，使作業精度可達到厘米級別。同時確保測量目標區域被完整測量要求飛行方向和旁向的重合度大于85%，確保測量的高精度。通過Smart3DCapture軟件進行影像處理，進行3D建模。無人機傾斜攝影與傳統測量的效率對比如表1所示。

表1 無人機傾斜攝影效率表

2021年第三季度，通過無人機和傾斜攝影建立三維數字模型，以數字模型為基礎復核硬X射線自由電子激光裝置國家重大科技基礎設施建設項目實際擾動范圍為13.36hm2，較方案批復的新增擾動范圍0.46hm2。

以5號井場為例，5號井場位于小張家浜北側、三八河東側，建設內容為：1棟科研大樓、1棟共用設施，1棟35kV變電所以及一棟門衛。總占地面積為3.29hm2，其中永久占地1.82hm2，臨時占地1.47hm2。臨時占地中施工便道占地面積0.24hm2，施工生產生活區占地面積為1.23hm2。通過無人機傾斜攝影技術建立3D數字模型（見圖2、圖3），直接在模型模型中提取水土保監測相關數據如下：

圖2 5號井場照片（2021.05）

圖3 5號井場3D模型

①擾動面積。擾動面積的讀取主要通過3D模型判斷、綜合分析進行防治范圍直接勾繪提取。5號井通過數字模型直接測量，擾動范圍為3.29hm2，與水土保持方案批復的防治責任范圍一致，人為擾動未超出防治責任范圍。

②水土流失情況。水土流失情況包括土壤流失面積、土壤侵蝕強度和水土流失危害等。利用3D數字模型中的高程信息，獲得井場坡道信息，綜合土壤侵蝕分類分級標準，判斷項目區土壤侵蝕強度。目前本項目侵蝕類型主要為水力侵蝕，根據判斷結果土壤侵蝕強度為微度。說明項目各項水土保持措施充分發揮效益。

③水土保持措施監測。目前項目處于主體工程建設期，主要的水土保持措施為臨時措施，包括：密目網苫蓋、基坑截水溝、場地排水溝、沉砂池、洗車平臺、混凝土擋墻等。通過模型直接測量5號井場的臨時措施工程量及尺寸。對比批復方案，可判斷措施完成進度情況。

④臨時堆土量。目前主體基坑開挖已經完成，項目場地內無臨時堆土。若有，可根據3D數字模型，計算臨時堆土數據。

通過項目實際監測，采用無人機傾斜攝影技術，極大的節約人力資源，提高了水土保持監測的工作效率，同時水土保持監測成果也更直觀立體。

2.3 氣象數據平臺的應用

上海位于長江三角沖積平原，屬于太湖流域，北亞熱帶濕潤季風氣候、四季分明，雨量充沛，以水力侵蝕為主的南方紅壤區，土壤侵蝕強度為微度。由于上海市水土保持工作起步相對較晚，水土保持方案中的土壤流失量預測大部分以相近地區項目已有成果，進行類比分析和引用。擾動后的土壤侵蝕模數根據地形地貌、氣候（降雨、風速）、擾動強度等參數以及最不利情況進行修正。降雨是水土流失的原動力，從氣象學角度來看，降雨主要有雨量、雨強、降雨歷時等特征值來反映，另外，在定量計算中，最具代表性的土壤侵蝕統計模型—通用土壤流失方程式USLE[3][4]為：

其中：A代表土壤流失量，R是降雨侵蝕力因子，K為土壤可蝕性因子，LS為地形因子（坡長、坡度），C為植被因子，P為水土保持措施因子。基于上述計算公式可知，對于土壤流失量，降雨侵蝕力因子的確定尤為重要。

本項目根據氣象數據采集要求，在5號井場設置氣象站，選用RS-QXYL自動雨量氣象站，實施采集并記錄總雨量、瞬時雨量、日雨量、當前雨量、風力風速、風向、溫濕度及大氣壓力等氣象數據。設備通過GPRS/4G方式將數據上傳至環境監控云平臺，通過網頁和APP查看。環境監控云平臺如圖4所示。

圖4 氣象數據監測平臺

上海市年降雨量總體呈逐年波動上升趨勢，80%以上的年降水量在900mm以上，近30年來，年降水量大都高于平均降水量。降水表現出明顯的季節變化，約70%的降水集中在汛期（6月-9月），另外受冷空氣及臺風的影響形成的降雨也比較頻繁。從歷年暴雨發生的區域來看，上海市一般以局部暴雨為主，表現出明顯的區域性。故單個項目的降雨量與區域氣象站的數據存在偏差，需要將項目實際測量監測的數據與氣象站的數據進行分析，修正氣象因子，從而修正土壤侵蝕模數，進而計算土壤流失量[5]。根據上海浦東新區58370氣象站逐日降水量與項目現場氣象站數據進行對比，如圖5所示。2021年10月降雨量，上海浦東新區58370氣象站累計雨量為148.10mm，現場氣象站累計雨量為108.60mm，全月累計數據偏差為26.67%。全月最大降雨日為10月20日，上海浦東新區58370氣象站測量雨量為32.1mm，現場氣象站測量雨量為25.0mm，數據偏差為22.11%。根據圖5，10月8號、12日及15號浦東發生局部降雨，而項目現場（5號井）未出現降雨情況，10月7號及11號現場降雨量超過浦東新區降雨量平均值。

圖5 降雨量對比圖(2021.10)

根據水土流失調查及預測，工程建設期間共計產生水土流失總量約210.53t。由于降雨當年量與類比工程多年平均降雨量有偏差，故擾動后的侵蝕模數需修正，根據各區各階段的施工特點，修正后的土壤侵蝕模數為584～6148/（km2·a）。截止到2021年第三季度總流失量為67.42t。后期水土流失重點時段為場地市政雨水管網、綠化工程、道路配套工程以及臨時占地恢復階段。

3 結論與展望

通過研究及實際項目監測，利用無人機傾斜攝影以及氣象云平臺可以比較精確完成生產建設項目擾動土地面積、水土保持措施、氣象因子等監測工作，對完成線性和大型點狀工程極大提高水土保持監測的精度、效率及自動化程度。與地面常規監測相比，其監測數據更加豐富和客觀，也必將成為水土保持監測技術數字應用的重要思路。

本文根據相關數據，得到以上研究成果，尚存在一定的局限性，但是隨著監測手段改建及創新，水土保持監測數字化技術的推廣應用，數字化技術也將越來越完善。同時水土保持監測工作對監測人員的技術要求也越來越高，要求水土保持監測人員始終牢記使命，不忘初心，為新時代的水土保持工作添磚加瓦。