無人機技術在生產建設項目水土保持監測中的精度研究

施明新，張 鵬，白春昱

（上?？睖y設計研究院有限公司，上海 200434）

0 引 言

近些年，無人機遙感技術在眾多領域都得到了空前發展，也逐漸成為生產建設項目水土保持監測的常規手段[1,2]。但是，小型無人機受續航能力限制，目前主要還是用于小型項目或點型工程監測，而對于大中型項目或線型工程，則主要是對重點區域開展監測，還難以覆蓋全域。

經前人研究，無人機遙感監測成果的精度基本能夠滿足現階段水土保持行業要求[3,4]，但是對于不同類型的生產建設項目提取的成果（如擾動面積、土石方量及措施種類及工程量等）精度如何，仍需進一步探究[5,6]。為研究無人機技術在生產建設項目水土保持監測中的測量精度，分別選取平地型渣場（雙合渣場監測區）、坡地型渣場（赤塢渣場監測區）、以填方為主的礦坑回填工程（礦坑監測區）、以挖方為主的山區風電場工程（升壓站監測區）和抽水蓄能電站工程（施工便道監測區）五種不同類型項目，對重點監測區域開展無人機遙感監測。

利用無人機專業數據處理軟件對航拍照片進行拼接、調色及糾正等處理，生成精細的DEM 模型、DOM 模型（精度為5 cm）和三維數字模型等成果，采用數據提取軟件獲取測區內的擾動土地面積和水土保持措施的種類及工程量，利用疊加分析功能測算出不同施工階段監測區域挖填方量的變化情況，將復雜的外業調查轉化為精細化測量的內業工作。

為了驗證無人機遙感監測成果的精度，利用GPS-RTK 測量系統、皮尺、測距儀等進行人工現場實測，以獲取擾動面積、措施種類及工程量等數據的真實值；采用資料收集和實地量測兩種方法獲取土石方量變化情況的真實值。最終，通過將無人機航拍成果中提取的信息與真實值進行比較，分析得出不同類型的生產建設項目無人機遙感監測的精度，并總結歸納造成誤差的原因和提高精度的方法。

1 設備設施及數據獲取

1.1 設備設施及參數設定

常規設備：皮尺、測距測高儀。另外，為了增加野外測量的可操作性和工作效率，利用GPS-RTK 測量技術開展現場數據采集工作，GPS-RTK 測量系統采用Trimble R8S GNSS 系統，可達到實時厘米級的精度[7,8]。

航拍設備：大疆“悟”INSPIRE 2，配1 英寸、2 000 萬（5 472×3 548）像素傳感器，搭載禪思X4S 鏡頭，等效焦距24 mm。

航測數據智能采集軟件：Pix4Dcapture。

航拍參數指標：飛行高度80～200 m，云臺角度為45°～80°，航向重疊率80%，旁向重疊率70%。

無人機專業數據處理軟件：Pix4D Mapper，精度達5 cm。

數據提取軟件：Global Mapper 21.1、AcrGIS 10.8。

1.2 遙感數據獲取

在測區內均勻布設一定數量的地面控制點，控制點數量根據測區面積和地物復雜程度確定[9,10]，并用Trimble R8S GNSS 系統采集控制點坐標（水平精度1 cm，垂直精度2 cm），作為航拍成果整體精度的驗證點位。另外，為便于后續影像分類，需根據測區內地物類型的種類，布設相應數量的解譯標志。

為提高成果精度，航拍模式選用Pix4Dcapture 軟件中的Double Grid 模式，采用自動飛行方式，若測區面積太大或存在高空障礙物，可分為2個或多個飛行架次來完成數據采集工作[11]。采用軟件Global Mapper 21.1 和AcrGIS 10.8 的多邊形功能和數字化工具提取擾動面積數據；將兩次無人機模型成果導入Global Mapper 21.1 進行疊加分析獲取土石方量數據；通過AcrGIS 自動提取和人工矯正高精度DOM 模型獲取措施種類及工程量數據。

1.3 實測數據獲取

（1）擾動面積。采用Trimble R8S GNSS系統通過現場人工量測獲取。點型監測區測量邊界外圍轉角處經緯度和高程等信息，合圍區域垂直投影面積即為實際擾動面積。線型監測區（如施工便道）每隔30 m（路面軸線長度）采用皮尺量取一次路面寬度，并在轉彎處和路面寬度突變處加測，分別計算各段路面面積，用算術加合法計算得出測量路段實際擾動面積。

（2）土石方量。土石方量采用資料收集和實地量測兩種方法獲取。資料收集法主要為經監理單位審核后的施工報表和土石方工程量清單，實地量測法采用Trimble R8S GNSS 系統、測距測高儀和皮尺等人工現場測量。

（3）措施種類及工程量。措施種類通過人工現場拍照記錄，工程量通過皮尺、測距測高儀現場測量。

2 結果與分析

2.1 擾動面積監測精度分析

為減小監測區周邊山體陰影及測區內植被陰影對無人機航拍造成的干擾，航拍作業時間選擇陰天或太陽直射的正午。雙合渣場監測區、赤塢渣場監測區、礦坑監測區、升壓站監測區和施工便道監測區5個區域的DOM 成果見圖1，各區域擾動面積統計見表1。

圖1 5個重點監測區DOM成果Fig.1 DOM achievements for five key monitoring areas

由表1可知，4 個點型監測區（雙合渣場、赤塢渣場、礦坑和升壓站監測區）擾動面積均未超過水保方案設計值，同時擾動面積監測精度大于95.85%，滿足《生產建設項目水土保持監測規程（試行）》（下稱《規程》）中點型擾動面積監測精度不小于95%的要求。另外，雙合渣場和升壓站監測區擾動面積監測精度明顯大于赤塢渣場和升壓站監測區，而前者所在地地勢相對平坦，后者所在地起伏較大，說明利用無人機遙感監測得出的擾動面積精度，平地要高于坡地。

表1 擾動面積統計表Tab.1 Statistical table of disturbance area

但是，線型監測區（施工便道監測區）擾動面積監測精度不高。利用皮尺人工實地量測的長度為1 001 m，擾動面積為13 915 m2。根據無人機遙感監測DOM 成果（見圖1）測算道路總長度為1 003 m，擾動面積僅為12 840 m2。因此，施工便道監測區實際擾動范圍大于水保方案設計值，且利用無人機遙感監測成果量取的擾動面積存在一定誤差，精度僅為92.27%。經調查分析，存在誤差的原因主要是道路兩側喬灌木對路面形成遮擋，導致利用無人機正射影像圖量取的面積偏小。但是，總體上能夠滿足《規程》中線型擾動面積監測精度不小于90%的要求。

2.2 土石方量監測精度分析

以赤塢渣場監測區和升壓站監測區為例分析土石方量精度。其中，赤塢渣場航拍時間分別為2021年3-9月，升壓站航拍時間分別為2021年2-8月，DOM 成果見圖1。將前后兩次施工期的航拍成果（DOM 和DEM）導入Global Mapper 21.1中進行疊加分析，測算出兩次航拍間隔期內監測區挖填方量的變化情況。

經疊加分析，赤塢渣場監測區自2021年3-9月共挖方21.02 萬m3，填方67.39 萬m3（含棄渣和可用砂石料），土石方總量增加46.37 萬m3（見表2）。通過查閱設計文件及施工總布置，造成挖方的原因是赤塢渣場在施工階段需同時作為工程回填砂石料的中轉料場，挖方量為從赤塢渣場運出的砂石料方量。升壓站監測區自2021年2-8月共挖方1.81 萬m3，填方2.16 萬m3，土石方總量增加0.35 萬m3。通過分析升壓站監測區的DEM 模型成果發現，挖方主要來自升壓站南北兩側高陡邊坡的開挖，填方主要為西側籃球場地基礎及進站道路路基回填。根據設計文件和現場調查，升壓站監測區挖填平衡，無廢棄方，但是疊加分析結果為填方量比挖方量大0.35 萬m3。進一步分析發現，2021年2月升壓站處于建筑物地基澆筑施工階段，2021年8月已完成建筑物封頂，利用無人機航拍成果分析計算時，疊加分析時誤將建筑物體積計為填方。經復核，升壓站內建筑物有綜合樓、電氣樓和其他配套建筑，利用皮尺和測距測高儀量取各建筑物升壓站地坪（±0.00）以上尺寸，總體積為0.35 萬m3。因此，填方中需扣除建筑物體積0.35 萬m3，實際填方量為1.81 萬m3，與挖方量相等，滿足挖填平衡，與工程實際相吻合。

表2 土石方量統計表Tab.2 Statistical table of earthwork volume

經過大量水土保持監測工作的科學實踐，對于土石方量的監測，資料收集法和實地量測法均存在一定的限制性因素。在實際生產建設過程中，資料收集法會受眾多因素影響，使得土石方量數據存在滯后性和不穩定性，對于數據的準確性復核工作量大；實地量測法數據相對可靠，但是對于地形復雜多樣、外業條件惡劣、占地面積大的生產建設項目，不僅現場工作量巨大、效率低下，而且難以保證測量頻次和數據時效性。利用無人機遙感技術，不僅耗時少、效率高，同時具有很強的時效性和較高的精準度，測量頻次也能得到有效保證。

由表2可知，填方量精度（最小為91.74%）大于挖方量精度（最小為90.11%），雖然與擾動面積精度相比較，挖、填土石方量監測精度均較低，但總體而言能夠滿足《規程》中方量監測精度不小于90%的要求。另外，赤塢渣場監測區挖方量和填方量精度均小于升壓站監測區。經分析，赤塢渣場高程在194～265 m 之間，最大高差超過70 m，升壓站監測區最大高差不超過10 m，而無人機遙感存在一定的垂直精度誤差，對高差較大的區域進行高程測量時更容易出現偏差，因此坡地渣場高程變化大是造成精度偏低的主要因素。

2.3 措施工程量監測精度分析

以赤塢渣場監測區為例，基于DOM 模型成果解譯出的水保措施類型有擋渣墻、排水溝、截水溝和沉沙池等，見圖2。經現場人工復核，并采用皮尺、測距測高儀等進行現場量測，措施工程量見表3。

圖2 基于DOM模型措施工程量監測成果Tab.2 The monitoring results of measure quantities base on DOM model

由表3可知，基于DOM 模型成果提取的措施工程量，水平監測精度（平面尺寸）大于98.46%，能夠較好滿足《規程》中措施監測精度不小于95%的要求，但是垂直監測精度（縱向尺寸）相對較低，最大為94.34%。經分析，無人機遙感自身存在的垂直誤差是一方面原因，更為重要的是測量目標底部被遮擋，導致無人機遙感無法準確獲取目標底部信息。例如，截排水溝溝底存在水流，沉沙池內有深厚的淤積泥沙和水體，無人機遙感無法準確測量待測目標底部高程，導致垂直精度較低，甚至沉沙池深度測量值明顯失真（精度僅為34.90%）。對于難以通過無人機影像直接獲取底部高程信息的措施，為進一步提高監測精度，需通過人工現場補充調查獲取更加準確的高程數據。

表3 措施類型及工程量統計表Tab.3 Statistical table of measures for Type and quantity

3 結論及建議

3.1 結 論

通過無人機遙感監測法、實地量測法和資料收集法，對平地型渣場、坡地型渣場、回填工程區、開挖工程區和施工便道區等監測，經數據獲取、信息提取和處理分析，無人機遙感監測精度主要研究結論如下。

（1）點型區域擾動面積監測精度較高（大于95.85%），能夠滿足點型擾動面積監測精度不小于95%的要求。線型區域受周邊植被遮擋，導致無人機遙感監測面積偏小，精度僅為92.27%，雖能滿足《規程》中線型擾動面積監測精度不小于90%的要求，但需配合人機交互解譯和現場補充調查，才能進一步提升線型區域擾動面積監測精度。總體而言，對于擾動面積的監測精度，點型區域高于線型區域，同時平地明顯高于坡地。

（2） 土石方量監測精度存在一定誤差（精度最低90.11%），但能夠滿足方量監測精度不小于90%的要求。另外，受無人機垂直誤差影響，監測區高差越大精度越低。

（3）措施種類解譯與現場復核結果一致，工程量監測水平精度大于98.46%，能夠較好滿足措施監測精度不小于95%的要求。對于截排水溝、沉沙池、擋渣墻等難以通過無人機影像準確獲取基礎底部高程信息的措施，監測精度相對較低，甚至沉沙池深度測量值出現明顯失真（精度僅為34.90%），需通過人工現場補充調查高程數據來進一步提高監測精度。

（4）資料收集法數據存在滯后性和不穩定性，復核工作量大；實地量測法效率低，難以保證測量頻次和數據時效性。根據研究結論，無人機遙感監測成果精度能夠較好滿足行業要求，不僅能夠大幅提高行業信息化水平和工作效率，而且為進一步應用與發展水土保持監測信息化指明了方向。

3.2 建 議

無人機遙感技術效率高、成本低，同時具有很強的時效性和較高的精準度，但是目前仍然存在以下兩方面需進一步深入研究：

（1）生產建設項目種類復雜多樣，本研究樣本數量有限，結果難免存在一定的偶然性，因此還需通過大量的科學試驗，進一步開展無人機技術在生產建設項目水土保持監測中精度的研究與探討。

（2）對于土石方量監測，高差越大精度越低，但是高差對于精度的變化趨勢是否具有顯著性影響，還需進一步系統性研究。