水土保持監(jiān)測中小型無人機(jī)技術(shù)與地理信息系統(tǒng)運用研究

王行斌，李霂涵

（貴陽市水利水電勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550001）

1 小型無人機(jī)工作任務(wù)特點

1.1 數(shù)據(jù)收集精確

小型無人機(jī)遙感技術(shù)在水土保持監(jiān)測工作中主要的任務(wù)是外業(yè)數(shù)據(jù)收集，隨著無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展與更新，其功能性也越來越多元化。目前無人機(jī)在作業(yè)中可通過內(nèi)設(shè)的RTK 對項目區(qū)域進(jìn)行精確定位，能夠精確的收集項目區(qū)域數(shù)據(jù)。通過自帶的高清攝像頭，對地物進(jìn)行高清拍攝，拍攝精度可通過作業(yè)高度調(diào)整。為使獲取數(shù)據(jù)質(zhì)量及合格率更高，在無人機(jī)作業(yè)時，可增加航線的重復(fù)率，一般情況下航線重復(fù)率達(dá)到60%為佳。

1.2 靈活高效

傳統(tǒng)的衛(wèi)星和航測飛機(jī)，受天氣和周期的影響較大，能用到的遙感圖片較少，而且航片費用較高，在水保監(jiān)測實踐中很難作為可依靠的技術(shù)。小型無人機(jī)靈活與高效并且成本低，可針對具體項目開展航測作業(yè)，并在作業(yè)軟件的加持下，使無人機(jī)外業(yè)作業(yè)更方便，通過對項目區(qū)航線的規(guī)劃，能夠多角度，多方位的對項目區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集對比，有更高的效率。且小型無人機(jī)外業(yè)不受復(fù)雜和困難地形條件的影響，對環(huán)境氣候等要求低，除限飛區(qū)以外，基本可做到全天候和全地況作業(yè)。

1.3 數(shù)據(jù)收集成果內(nèi)容全面

無人機(jī)在執(zhí)行任務(wù)時，會將規(guī)劃航線內(nèi)的正攝照片、坐標(biāo)系統(tǒng)、地貌信息、高程信息以及地物信息收集起來，正攝的高清影響數(shù)據(jù)可直觀的反應(yīng)任務(wù)區(qū)域的現(xiàn)狀，高程、坐標(biāo)等信息作為地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)。這些基礎(chǔ)信息，可在無人機(jī)一次飛行任務(wù)中全部收集。

2 地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理

2.1 Pix4Dmapper基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理

無人機(jī)收集的原始數(shù)據(jù)主要包括影像數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)以及控制點信息。通過Pix4Dmapper 軟件進(jìn)行處理，處理步驟如下：①確認(rèn)數(shù)據(jù)的完整性，檢查通過無人機(jī)獲取的影像質(zhì)量，同時查看坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件與航帶的吻合性。②建立工程并導(dǎo)入數(shù)據(jù)，設(shè)置數(shù)據(jù)坐標(biāo)系。這一步主要是輸出的數(shù)據(jù)設(shè)置為需要的坐標(biāo)系統(tǒng)。③快速處理及檢查，由于處理的數(shù)據(jù)量大，時間長，為保證最終的數(shù)據(jù)質(zhì)量，需先進(jìn)行快速處理和檢查，快速處理完成后會形成質(zhì)量報告，質(zhì)量報告主要檢查數(shù)據(jù)集。數(shù)據(jù)集是處理過程中所有影像的匹配程度，需要確定大部分或者所有的影像都進(jìn)行了匹配，才能保證正攝影像圖的質(zhì)量。④數(shù)字表面模型及正攝影像的生成，最后通過合成瓦片，生產(chǎn)一個融合的文件，以及對影像數(shù)據(jù)的拼接得到最終的正攝影像數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)。

2.2 Arcgis數(shù)據(jù)處理與分析

在得到項目區(qū)的正攝影像與DEM 數(shù)據(jù)后，通過Arcgis 軟件，對影像進(jìn)行進(jìn)一步的處理與分析，處理步驟如下：①通過數(shù)據(jù)管理工具，進(jìn)一步將DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行分級，得到項目區(qū)的高程分級數(shù)據(jù)。②通過3D分析工具，對高程模型進(jìn)行坡度分級，提取項目區(qū)的坡度信息。③項目區(qū)土地利用情況，通過監(jiān)督分類法對影像圖進(jìn)行處理，提取地類信息。④將以上指標(biāo)進(jìn)行量化處理后，根據(jù)項目區(qū)的自然條件、社會條件等各方面相關(guān)資料，并與專家交流，反復(fù)論證，將評價指標(biāo)進(jìn)行定量化處理，并對其進(jìn)行分級。再根據(jù)項目區(qū)土地土壤調(diào)查報告，采用等級賦分法對水土流失因子進(jìn)行賦分，將水土流失分為5 個等分值賦為20、40、60、80、100。最優(yōu)條件取100，最惡劣取20，其余條件的作用分值根據(jù)它對水土流失的影響程度給定，最后通過空間分析模塊對各區(qū)的水土流失因子進(jìn)行疊加分析，可得到項目區(qū)的水土流失強(qiáng)度數(shù)據(jù)。疊加分析可根據(jù)實際情況增加影響水土流失的因子。

通過對項目不同工期的監(jiān)測數(shù)據(jù)對比，可對該項目的水土流失情況，水土保持措施實施情況進(jìn)行監(jiān)測的動態(tài)分析。

3 監(jiān)測應(yīng)用實例分析

3.1 水土保持防治分區(qū)

以某水庫監(jiān)測為例，該水庫水土流失防治責(zé)任范圍分區(qū)為大壩樞紐工程區(qū)、料場區(qū)、施工區(qū)、道路區(qū)和供水管線區(qū)，通過無人機(jī)及地理信息系統(tǒng)結(jié)合處理后，直觀反應(yīng)了項目實施的現(xiàn)狀情況以及各分區(qū)的占地面積情況。根據(jù)項目區(qū)航拍正攝影像圖，可知，截止當(dāng)年第四季度，大壩樞紐區(qū)面積為4.67 hm2，料場區(qū)面積為4.76 hm2，施工區(qū)面積為1.61 hm2，附屬系統(tǒng)區(qū)0.50 hm2，交通道路區(qū)面積為9.26 hm2，專項設(shè)施改建區(qū)4.98 hm2，供水灌溉渠系區(qū)6.56 hm2，見圖1。

圖1 項目區(qū)水土流失防治分區(qū)圖

對比當(dāng)年第三季度監(jiān)測數(shù)據(jù)情況得知，樞紐工程、料場區(qū)、施工生產(chǎn)生活區(qū)、交通道路區(qū)域目前已基本建設(shè)完成，占地面積無變化，供水灌溉區(qū)正在開挖施工，第四季度新增的擾動面積主要為管線施工新增的占地0.24 hm2。

3.2 項目區(qū)土地利用現(xiàn)狀

通過對第四季度項目區(qū)正攝影像的解譯分析，得到該水庫項目的四季度土地利用現(xiàn)狀情況，項目主要占地類型為林地、草地、旱地和水庫建設(shè)用地。土地利用現(xiàn)狀中的占地，為水土保持方案中的總占地。在施工過程中，截至本季度管線工程與專項工程正在建設(shè)中，建設(shè)用地會動態(tài)增加，見圖2。

圖2 項目區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖

通過與上季度數(shù)據(jù)對比得知，截止第四季度，水源區(qū)建設(shè)用地面積為28.81 hm2，林地面積為0.96 hm2。草地面積為0.81 hm2，水域0.63 hm2。水源建設(shè)區(qū)占地類型無變化，主要為輸水工程區(qū)建設(shè)用地增加了0.24 hm2。

3.3 水土流失強(qiáng)度分析

通過對該項目水土流失因子的疊加分析，得到水土流失現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，截至第四季度，項目區(qū)水土流失為微度的面積為6.07 hm2，水土流失為輕度的面積為6.24 hm，水土流失為中度的面積為13.74 hm2，水土流失為強(qiáng)烈的面積為6.29 hm2，見圖3。

圖3 項目區(qū)水土流失現(xiàn)狀圖

結(jié)合上季度的數(shù)據(jù)分析，該水庫水土流失主要集中在料場區(qū)與道路區(qū)，與上季度相比中度流失面積減少了2.59 hm2，強(qiáng)烈流失面積減少了1.56 hm2，主要因為部分路面及建設(shè)用地硬化已完成，完成部分植物措施，道路部分邊坡植被已恢復(fù)。

3.4 水土保持防治效果監(jiān)測

截至當(dāng)年第4季度，水庫大壩全斷面填筑至1 052 m高程，下游護(hù)坡預(yù)制塊全部鋪裝完成，面板全部澆筑完成，止水全部安裝完成。施工場地及施工營地已經(jīng)建設(shè)完成，施工場地局部區(qū)域進(jìn)行了硬化，施工營地內(nèi)部進(jìn)行了硬化和綠化。進(jìn)場道路及內(nèi)部施工鏈接道路已經(jīng)建設(shè)完成并投入使用，進(jìn)場道路修建了簡易排水邊溝；場內(nèi)道路修建了截排水措施，路面已硬化。專項設(shè)施改建區(qū)目前正在建設(shè)復(fù)建道路，已完成路基和邊坡開挖，路面進(jìn)行了簡單的硬化，部分區(qū)域已經(jīng)修筑截排水溝。

該水庫項目本季度落實了方案布設(shè)的部分水土保持措施，現(xiàn)狀水土保持措施在一定程度上可有效防止項目區(qū)的水土流失，起到了水土保持作用；但水土保持防治措施不夠全面，主要問題為料場區(qū)正在進(jìn)行開采，料場開挖面較大，大量邊坡裸露在外，下一季度工作重點主要是料場開采工過程中的水土流失問題、水土保持工程措施的落實情況。

4 結(jié)語

水土保持監(jiān)測在開發(fā)建設(shè)項目中是比較重要的基礎(chǔ)性工作，開展好水土保持監(jiān)測工作，對工程建設(shè)有著重大的意義。如今，在科技不斷的創(chuàng)新和發(fā)展下，小型無人機(jī)技術(shù)得到了充分的利用，通過與地理信息技術(shù)的結(jié)合運用，能夠更加高效的開展水土保持監(jiān)測，能夠及時掌握工程建設(shè)中的水土流失狀況，為水土保持監(jiān)測工作提供了更大的空間。