低空攝影測量技術在公路水土保持監(jiān)測的應用初探*

王宇濱 賈 洋 王 妍 曹良中

(1.九江學院，江西 九江 332005;2.四川省公路規(guī)劃勘察設計研究院有限公司，四川 成都 361012)

0 引言

生產(chǎn)建設項目水土保持監(jiān)測是準確掌握項目建設水土流失動態(tài)變化和水土保持措施實施效果的重要手段。2009年，水利部提出“規(guī)范生產(chǎn)建設項目水土保持監(jiān)測工作”，加強水土保持監(jiān)測成為強化生產(chǎn)建設項目水土保持事中事后監(jiān)管的重點工作。在強化事中事后監(jiān)管背景下，對水土保持咨詢服務工作提出了信息化技術要求[1-3]。因此，提高公路水土保持事中事后技術服務水平，控制公路建設中水土流失問題，是新時期綠色公路發(fā)展的必然要求。

傳統(tǒng)水土監(jiān)測的野外實驗和巡查法人為干預性較大；徑流小區(qū)觀測法及樁頂法等方法受布設位置、密度限制以及工程量大等多種因素的影響使實施難度大且監(jiān)測精度差。而運用無人機攝影這一空間信息技術手段，對地觀測能力的大幅提升和空間數(shù)據(jù)分析方法的應用，為采集線狀區(qū)域地理要素提供了充分的數(shù)據(jù)基礎，對于提取公路在不同時空尺度下的水土流失特征提供了可靠、快捷的手段。無人機遙感是將低空航測和遙感數(shù)據(jù)分析相結合的一種新型數(shù)據(jù)處理技術，可以快速完成一定范圍內(nèi)地形地貌、植被等外環(huán)境地理要素的采集，獲取研究區(qū)域數(shù)字信息，經(jīng)數(shù)據(jù)挖掘得到水土保持監(jiān)測指標，較好彌補公路建設中傳統(tǒng)水土流失監(jiān)測的不足[4-9]，可與傳統(tǒng)的監(jiān)測手段形成互補。本文將無人機遙感技術和傳統(tǒng)水土保持研究手段相融合，有效應用于公路水土保持監(jiān)測工作中，重點在公路水土保持變更、水土流失監(jiān)測、水土保持安全防護范圍和水土保持措施等方面進行了應用研究。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)

無人機影像資料獲取周期短，操作靈活、便捷，影像精度可達厘米級，影像數(shù)據(jù)具有快速、直觀、辨識度高、現(xiàn)勢性強等優(yōu)點，可有效彌補衛(wèi)星遙感影像適時性和分辨率不足的問題。本文選用的是大疆精靈4 RTK無人機對研究區(qū)進行航拍，無人機的部分參數(shù)見表1。

表1 無人機部分參數(shù)

傳統(tǒng)的水土保持監(jiān)測方法包括調查監(jiān)測法、簡易坡面量測法、植物樣地法、徑流小區(qū)法等，適用于點狀研究區(qū)域下墊面水土流失因子的連續(xù)觀測，多用于水土流失基礎研究。利用不同源數(shù)據(jù)優(yōu)點，采集有效信息，形成完整的數(shù)據(jù)源。因此，本文利用多種數(shù)據(jù)優(yōu)點，形成了多源數(shù)據(jù)體系，該體系以無人機低空遙感影像數(shù)據(jù)為主，地面觀測數(shù)據(jù)為輔，不同源數(shù)據(jù)間互為補充，保障觀測數(shù)據(jù)的有效性。

1.2 研究方法

1.2.1 總技術路線

本文以四川省內(nèi)多條在建和已建公路工程作為研究對象，基于公路沿線遙感衛(wèi)星影像，獲取工程沿線水土流失總體概況。本文所采用的技術路線見圖1。

圖1 技術流程圖

針對工程重要點位，結合工程測量技術，對公路沿線典型路段進行低空數(shù)字航空攝影，經(jīng)空三計算原理生成網(wǎng)格和紋理等中間信息，形成正射影像(DOM)和數(shù)字高程模型(DEM)成果。同時，通過布設地面觀測點進行對比試驗，用傳統(tǒng)的水土流失觀測方式驗證遙感解譯成果。接著，在ArcGis平臺上充分挖掘影像信息，得到所需要的各項水土保持信息要素，作為水土保持工作的基礎依據(jù)。

1.2.2 水土流失量的計算

由于施工期間的棄渣場處于動態(tài)變化中，傳統(tǒng)的測釬法、徑流小區(qū)法無法布設于堆渣體上，無法使用地面觀測手段進行觀測。參考既有公路水土流失一般規(guī)律，公路沿線棄渣場區(qū)域產(chǎn)生的水土流失量較大，在流失量計算中多采用類比法，但是受類比工程和渣場組分、規(guī)模、形態(tài)等異質性影響，結果差距較大。因此，快速準確地測算施工期棄渣場水土流失量是長久以來困擾生產(chǎn)建設項目施工期水土流失預測的一大難題。根據(jù)《生產(chǎn)建設項目土壤流失量測算導則》(SL 773—2018)，對于棄渣場施工期土壤流失量計算公式為：

(1)

式(1)中，W為土壤流失量(噸)；k為預測時段(k=1，2，即指施工期和自然恢復期兩個時段)；i為預測單元(i=1，2，3,...,n-1，n)；Fik為第k預測時段、第i預測單元的面積(km2)；Mik為第k預測時段、第i預測單元的土壤侵蝕模數(shù)(噸/km2·a)；Tik為第k預測時段、第i預測單元的預測時段長(a)。

2 結果與分析

2.1 水土流失防治責任范圍確定

水土流失防治責任范圍的含義是依據(jù)法律法規(guī)的規(guī)定和水土保持方案開發(fā)建設單位或個人生產(chǎn)建設行為可能造成水土流失而必須采取有效措施進行預防和治理的范圍，即應承擔水土流失防治義務與責任的范圍。在建設過程中工程所處的階段不同，防治責任范圍也不同。設計階段是根據(jù)設計資料合理界定水土流失防治責任范圍，為建設單位報請批復時采用，而在施工階段由于材料質量、地質條件和施工組織的變化，導致水土流失防治責任范圍的變化[10]。因此，科學、快速地界定水土流失防治責任范圍在生產(chǎn)建設過程中是必然要求。本文以四川省某在建公路棄渣場為研究對象，通過獲取棄渣場不同時間點的DEM和DOM數(shù)據(jù)，在地理信息系統(tǒng)平臺上，甄別基于時間序列的棄渣場地表擾動面積和棄渣量變化，為量化水土流失防治責任范圍提供基礎依據(jù)。該棄渣場棄渣量動態(tài)監(jiān)測情況如圖2所示，2020年4月，尚未開始堆渣；2020年5月，堆渣擾動面積2.25hm2，堆渣量較小，不足1萬m3；2020年8月，堆渣擾動面積達到2.55hm2，已有堆渣約7萬m3。根據(jù)設計文件，該渣場防治責任范圍為3.87hm2，渣場實施期間，施工擾動的地表均控制在防治責任范圍內(nèi)。

(a)2020年4月 (b)2020年5月

2.2 水土流失量定量計算

在進行棄渣場土壤流失量計算中，受渣場各坡面坡度不均等因素影響，需要將單個棄渣場劃定為不同的計算單元進行計算，傳統(tǒng)量算方式很難實現(xiàn)。本研究基于無人機低空遙感影像，獲取棄渣場自身侵蝕要素和環(huán)境信息，運用地理信息系統(tǒng)強大的數(shù)據(jù)挖掘功能，用積分法測算施工期間棄渣場土壤流失量。以四川省某在建高速公路施工期某處棄渣場作為研究對象，該渣場為一處溝道型棄渣場，土石質堆渣體，渣面裸露，正在進行堆渣，渣體下方設置有擋墻。本文以2019年某次低空遙感影像為基礎，假定該棄渣場在2019年內(nèi)的棄渣量、堆渣形態(tài)未發(fā)生變化，通過提取渣場外環(huán)境要素和堆渣體本身水土流失要素，以渣面面積1 m2作為網(wǎng)格計算單元進行積分運算，對棄渣場土壤流失情況進行為期一年的逐月模擬，得到的土壤流失量結果(表2)。

表2 某棄渣場2019年土壤流失量逐月模擬表

通過疊加逐月水土流失量預測結果，得到該渣場年內(nèi)土壤流失總量為614.69 t，年均土壤侵蝕模數(shù)11480 t/km2·a。由于無法在施工期渣場表面實施地面觀測，則選取了該渣場附近一處新近堆渣完畢的棄渣場作對比研究，使用測釬法測定土壤流失量，經(jīng)過半年觀測，測定結果表明，臨近棄渣場在棄渣逐步穩(wěn)定、初步實施坡面覆蓋等措施情況下，其土壤侵蝕量約為9000 t/km2·a。因此，根據(jù)對比觀測結果可以初步判定，使用積分法判定施工期棄渣場土壤流失量，與地面觀測指標值相一致，其結果具有一定可信度，該方法可快速且較為準確地獲取測定施工期棄渣場水土流失量。以上研究表明，運用無人機建模和數(shù)據(jù)挖掘技術可以實現(xiàn)征占地、棄渣場水土流失防治責任范圍及堆渣量的適時量化，具有快速、直觀的優(yōu)點；對棄渣場土壤流失量的信息化研究，可實現(xiàn)流失量的適時量化，解決了長期以來困擾生產(chǎn)建設項目土壤流失量難以量化、差異較大的問題，具有直觀、快速、準確等優(yōu)點。該部分研究工作有效測算了水土流失影響因素和水土流失狀況中用傳統(tǒng)觀測方法無法量化的因子，在實施中具有較強可操作性。

2.3 水土流失危害應用研究

公路建設水土流失危害主要表現(xiàn)為棄渣場堆渣體對周邊居民點、道路、管線等基礎設施可能造成的掩埋。因此，合理判定棄渣場安全防護范圍，充分預留防護距離，對安全防護范圍內(nèi)的風險點進行拆除或者遷建，保障基礎設施安全，確保棄渣場選址合理可行，是水土流失防治工作的重中之重。

從既有公路水土保持工作實施情況來看，棄渣場選址是公路水土保持工作的核心問題之一，選址不當則可能造成重大的災害。但是，如何界定棄渣場周邊哪些區(qū)域內(nèi)堆放棄渣場可能產(chǎn)生重大影響，尚沒有統(tǒng)一的標準，僅在《水利水電工程水保技術規(guī)范》(SL 575—2012)對安全防護距離提出參考，如表3所示。

表3 棄渣場與保護對象之間的安全防護距離

由于棄渣場自身堆渣組分不同，所處外環(huán)境差異較大，各種類型渣場可能產(chǎn)生的滑移和影響差異較大。本文基于袁普金等[11]在統(tǒng)計分析棄渣失穩(wěn)后可能產(chǎn)生的滑移距離基礎上，以某在建高速一處棄渣場為研究對象，模擬了不同堆渣量下的安全防護距離。該棄渣場為一處溝道型渣場，設計堆渣量為120萬m3，最大堆高25.5m，平均堆高11m，占地11.89hm2。根據(jù)《水土保持工程設計規(guī)范》(GB 51018—2014)和施工圖設計文件，該渣場為3級棄渣場，擋墻防護等級為3級，防洪標準3級。渣場采用重力式擋土墻，墻高10m，基礎埋置于中風化基巖，埋置深度不小于2m。參考袁普金等人使用歷史發(fā)生頻率選址法確立的渣場安全距離測算標準，對于V≤5.0×105m3的棄渣場(5級棄渣場)宜取2.78倍落差(2.78H)的安全距離，對于5.0×105m3

本文借鑒相關規(guī)定和歷史發(fā)生頻率選址法的成果，引入流域的思路，在對溝道匯流特征仿真模擬基礎上，基于高精度三維地形數(shù)據(jù)，計算得到不同安全距離下溝道型棄渣場可能發(fā)生水土流失危害的范圍，用于快速識別和量化受脅迫區(qū)域內(nèi)居民點、道路等基礎設施及耕地、林地等受影響的各項因素，從而精準指導棄渣場安全防護決策。目前，該渣場已堆放約60萬m3，最大堆高約25.5m，占地5.24hm2，渣場兩側缺乏必要的排水設施。根據(jù)參考劃定的安全防護距離與歷史發(fā)生頻率選址法確立的渣場安全距離測算標準，進行了以下研究：以渣場某一期遙感影像為基礎，堆渣量不斷增大，棄渣場等級逐漸提高，分別測算堆渣量在50萬m3以下、60萬m3、120萬m3的安全防護距離。在ArcGis平臺空間分析支持下，以渣腳線為起算點，進行匯流模擬，得到不同棄渣量下的安全防護范圍，如圖3所示。

(a)2H (b)2.78H

圖3分別為2倍、2.78倍、5.88倍和7.14倍最大堆高下的安全防護范圍。根據(jù)該渣場等級判定其安全防護距離，在達到設計堆渣量120萬m3情況下，宜采用渣場最大堆高的7.14倍作為渣場下方的安全防護范圍[圖3(d)]，紫紅色區(qū)域表示渣場下方分布有居民點，安全風險較高，是重點防控對象，應納入棄渣場征拆；由于實際施工中土石方得以優(yōu)化，渣場棄渣量減小，目前渣場等級降低為4級棄渣場，可按最大堆高的5.88倍距離作為安全防護距范圍[圖3(c)]。以上研究表明，本研究對安全防護距離和防護范圍的界定提供了可行有效的劃定辦法，為準確甄別棄渣場潛在威脅對象提供了科學依據(jù)，直觀形象服務于安全管理決策。

3 結束語

筆者先后在四川省內(nèi)多條公路水土保持事中事后工作中開展了信息化監(jiān)測研究，獲取了翔實的基礎資料，形成了公路水土保持信息采集技術支撐體系，快速、直觀、全面地掌握公路建設過程中水土保持信息，為保障公路建設的合法合規(guī)性提供了科學依據(jù)。通過信息化技術的應用研究，解決了水土流失傳統(tǒng)監(jiān)測手段難以量化的難題，對于指導現(xiàn)場施工、界定工程征拆范圍和降低水土流失風險起到重要支撐作用。對運營期公路水土保持措施效果跟蹤的研究成果，為公路水土保持措施優(yōu)化起到示范作用，契合新時期公路建設的綠色、智慧發(fā)展方向，為科學開展公路水土保持工作，評估建設成效提供有力理論和技術支撐。