無人機(jī)遙感技術(shù)在生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測中的應(yīng)用

習(xí)超，李開偉，文剛，吳茂皓，許磊，彭志興

［關(guān)鍵詞］ 無人機(jī)；遙感技術(shù)；水土保持監(jiān)測；棄渣場；李家?guī)r水庫

［摘要］ 生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測是有效防治水土流失的重要基礎(chǔ)。無人機(jī)遙感技術(shù)因其監(jiān)測效率高、數(shù)據(jù)處理速度快、數(shù)據(jù)精度高、操作簡單便捷、安全系數(shù)高等優(yōu)勢，故在生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測中得到了廣泛應(yīng)用。以四川省李家?guī)r水庫工程棄渣場為例，探討無人機(jī)遙感技術(shù)在生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測中的應(yīng)用方法，包括影像數(shù)據(jù)獲取與處理、挖填方量分析、擾動(dòng)范圍分析、坡度分析、土壤流失量計(jì)算等，以期為同類工程應(yīng)用無人機(jī)遙感技術(shù)提供參考。

［中圖分類號(hào)］ S157［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ B［文章編號(hào)］ 1000－0941（2023）06－066－03

通過數(shù)據(jù)處理和計(jì)算得到生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目擾動(dòng)范圍、挖填方量、堆渣體積和水土流失量等，分析生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土流失情況及其影響因素，有助于及時(shí)掌握生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土流失防治效果，為水土保持工作開展提供數(shù)據(jù)支撐，是有效防治水土流失的重要基礎(chǔ)。無人機(jī)遙感技術(shù)作為一項(xiàng)綜合了計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理技術(shù)、GPS定位技術(shù)、無人機(jī)飛行技術(shù)的新興技術(shù)，在生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測中得到了廣泛應(yīng)用。與實(shí)地量測、地面觀測、資料分析等傳統(tǒng)監(jiān)測方法相比，無人機(jī)遙感技術(shù)具有以下優(yōu)勢：①監(jiān)測效率高，數(shù)據(jù)處理速度快，數(shù)據(jù)精度高。通過飛行器搭載的傳感器可實(shí)時(shí)獲取精準(zhǔn)的地面信息，經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理和相關(guān)軟件分析可得到水土保持監(jiān)測所需的各類數(shù)據(jù)，也可直觀展現(xiàn)工程建設(shè)情況，且相較于衛(wèi)星遙感影像，其數(shù)據(jù)精度更高。②操作簡單便捷。可根據(jù)不同需求規(guī)劃航線，并在飛行中自動(dòng)校對(duì)調(diào)整，且無人機(jī)機(jī)身較小，方便攜帶運(yùn)輸。③安全系數(shù)高。無人機(jī)可到達(dá)實(shí)地監(jiān)測中技術(shù)人員難以到達(dá)的危險(xiǎn)區(qū)域，也可有效避免突發(fā)事件的影響，大幅降低監(jiān)測的風(fēng)險(xiǎn)性。

本研究以四川省李家?guī)r水庫棄渣場為例，探討無人機(jī)遙感技術(shù)在生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測中的應(yīng)用方法，以期為同類工程應(yīng)用無人機(jī)遙感技術(shù)提供參考。

1項(xiàng)目概況

李家?guī)r水庫位于文井江的山區(qū)河段，壩址位于四川省成都市青峰嶺大橋上游1.3 km處。項(xiàng)目區(qū)地處四川盆地西北側(cè)，區(qū)域內(nèi)群山起伏，峰巒疊嶂，地勢西北高、東南低。以彭縣-灌縣斷裂為界，東南側(cè)為龍門山山前凹陷帶的碎屑巖區(qū)，屬中低山-平原地形，高程800～1 800 m，相對(duì)高差100～1 000 m；西北側(cè)為龍門山系的碳酸鹽建造區(qū)及邛崍山脈東側(cè)的變質(zhì)巖、巖漿巖區(qū)，多為“V”形峽谷，屬深切高山地貌，高程2 200～3 400 m，相對(duì)高差1 400～2 500 m。項(xiàng)目區(qū)屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫16.2 ℃，年均降水量975.4 mm，相對(duì)濕度82.4%，年均風(fēng)速1.3 m/s。降水量年際變化大，年內(nèi)分配不均，主要集中在汛期。

李家?guī)r水庫是成都市第二水源地，開發(fā)任務(wù)以城鄉(xiāng)供水為主，并為城市供水提供應(yīng)急備用水源，兼顧灌溉、發(fā)電等。水庫總庫容17 141萬 m3，正常蓄水位763 m。工程建設(shè)（含臨時(shí)工程、公路及料場開采剝離）開挖土石方量約780.18萬m3（自然方），其中土石方明挖約767.22萬m3，石方洞挖約12.96萬m3；大壩蓋重體回填、溢洪道和泄洪洞等石渣回填利用27.34萬m3（填筑方），圍堰填筑利用52.47萬m3（填筑方），公路填筑利用20.14萬m3（填筑方），共計(jì)利用土石方約99.95萬m3（松方），折約75.15萬m3（自然方）。經(jīng)土石方平衡后，工程棄渣量約705.03萬m3（自然方）。

2影像數(shù)據(jù)獲取與處理

由于李家?guī)r水庫占地面積較大，因此本研究選取具有代表性的水土流失易發(fā)區(qū)——棄渣場作為研究區(qū)域。飛行前應(yīng)收集項(xiàng)目區(qū)的原始地形圖、歷史天氣數(shù)據(jù)等資料，并在棄渣場布設(shè)像控點(diǎn)以提高數(shù)據(jù)精度。像控點(diǎn)應(yīng)盡量選在地形平整、易識(shí)別、無遮擋的區(qū)域，在航測范圍內(nèi)均勻分布。本研究在棄渣場中共布設(shè)4個(gè)像控點(diǎn)，基于中緯ZG20 GPS測量儀采用10次平滑采集像控點(diǎn)的坐標(biāo)信息。無人機(jī)選擇大疆精靈Phantom 4 RTK，航線規(guī)劃范圍應(yīng)大于實(shí)際棄渣場范圍，飛行高度為100 m，縱向重疊率設(shè)為80%，旁向重疊率設(shè)為75%。

使用Photoscan軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，添加無人機(jī)掃描影像后進(jìn)行坐標(biāo)系統(tǒng)設(shè)置，導(dǎo)入像控點(diǎn)文件，進(jìn)行空三計(jì)算。第一次空三計(jì)算結(jié)束后進(jìn)行像控點(diǎn)刺點(diǎn)，刺點(diǎn)結(jié)束再進(jìn)行一次空三計(jì)算，最后生成紋理和網(wǎng)格，輸出數(shù)字高程模型（DEM）和數(shù)字正射影像（DOM）成果，見圖1。

3水土保持監(jiān)測

3.1挖填方量分析

DEM用數(shù)字坐標(biāo)表示實(shí)際地形起伏特征，可用于高程信息表達(dá)、坡度分析、土石方量計(jì)算等。利用無人機(jī)遙感技術(shù)不僅可以對(duì)棄渣場位置、數(shù)量、擾動(dòng)范圍進(jìn)行監(jiān)測，還可以基于ArcGIS的空間分析工具，通過對(duì)比項(xiàng)目區(qū)建設(shè)前原始DEM和建設(shè)后現(xiàn)狀DEM的體積差，計(jì)算工程挖填方量。具體操作為：首先，為了保證挖填方量計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，去除植被的影響，通過工程建設(shè)前和建設(shè)后的無人機(jī)拍攝照片建立傾斜模型，并在此基礎(chǔ)上繪制工程建設(shè)前和建設(shè)后的等高線； 習(xí)超等：無人機(jī)遙感技術(shù)在生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測中的應(yīng)用其次，通過ArcGIS中3D Analyst-數(shù)據(jù)管理-TIN，調(diào)用創(chuàng)建TIN工具，基于等高線生成工程建設(shè)前的原始DEM和建設(shè)后的現(xiàn)狀DEM；再次，通過ArcGIS中3D Analyst-柵格表面，調(diào)用填挖方工具，輸入原始DEM和現(xiàn)狀DEM，輸出結(jié)果柵格屬性表中Volume字段代表每個(gè)連續(xù)柵格的挖填方量；最后，在輸出結(jié)果柵格屬性表中建立“凈損失”“凈收益”2個(gè)字段，類型為雙精度型，Volume字段中所有正值的總和為凈收益，代表填方量，所有負(fù)值的總和為凈損失，代表挖方量。

為了分析基于DEM計(jì)算挖填方量的準(zhǔn)確性，本研究還采用三角網(wǎng)法和方格網(wǎng)法計(jì)算挖填方量，并將3種方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。三角網(wǎng)法是通過實(shí)測棄渣前后地面點(diǎn)的三維坐標(biāo)生成三角網(wǎng)，構(gòu)建不規(guī)則三棱柱模型，底面為棄渣前所在平面投影構(gòu)成的三角形，頂面為棄渣后所在平面投影構(gòu)成的三角形，分別計(jì)算每個(gè)三棱柱的挖填方量，并通過累加得到工程挖填方量，適用于地勢有起伏的地區(qū)；方格網(wǎng)法是通過實(shí)測棄渣前后地面點(diǎn)的三維坐標(biāo)生成方格網(wǎng)，分別計(jì)算每個(gè)方格網(wǎng)的挖填方量并通過累加得到工程挖填方量，適用于地勢平坦的地區(qū)。結(jié)果顯示：通過DEM計(jì)算得到工程填方31 770.78 m3，挖方229.01 m3；通過三角網(wǎng)法計(jì)算得到工程填方31 769.26 m3，挖方242.95 m3；通過方格網(wǎng)法計(jì)算得到工程填方31 307.28 m3，挖方130.15 m3。項(xiàng)目區(qū)屬地勢起伏較大的地區(qū)，通過DEM計(jì)算得到的工程挖填方量與三角網(wǎng)法計(jì)算結(jié)果相近，具有一定的準(zhǔn)確性。

3.2擾動(dòng)范圍分析

將經(jīng)過Photoscan軟件處理得到的DOM導(dǎo)入ArcGIS中作為底圖，在ArcGIS中新建面狀要素并選擇合適的地理坐標(biāo)系，在底圖上勾勒出實(shí)際堆渣范圍，經(jīng)ArcGIS空間分析計(jì)算得出棄渣場實(shí)際擾動(dòng)面積為4.13 hm2。再將設(shè)計(jì)單位確定的棄渣場位置和設(shè)計(jì)堆渣范圍導(dǎo)入ArcGIS中，與實(shí)際堆渣范圍進(jìn)行對(duì)比，可以看出實(shí)際堆渣范圍已經(jīng)超出設(shè)計(jì)堆渣范圍，見圖2。

3.3坡度分析

將經(jīng)過Photoscan軟件處理得到的DEM導(dǎo)入ArcGIS中，通過空間分析工具-表面分析，調(diào)用坡度分析工具，得到棄渣場坡度的柵格數(shù)據(jù)，依據(jù)《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》（SL 190—2007）將坡度分為0～5°、5°～8°、8°～15°、15°～25°、25°～35°、≥35°共6個(gè)等級(jí)，見圖3。

3.4土壤流失量計(jì)算

3.4.1計(jì)算方法

土壤流失量的計(jì)算范圍是棄渣場的實(shí)際堆渣范圍。依據(jù)《生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目土壤流失量測算導(dǎo)則》（SL 773—2018），本研究中的棄渣場為上方無來水工程堆積體，土壤流失量計(jì)算公式為Mdw=X×R×Gdw×Ldw×Sdw×As（1）

Gdw=a1×eb1δ（2）

Sdw=（θ/25）d1（3）

Ldw=（λ/5）f1（4）式中：Mdw為上方無來水工程堆積體計(jì)算單元土壤流失量，t；X為工程堆積體形態(tài)因子，無量綱，錐形堆積體取值0.92，傾斜平面堆積體取值1.00；R為降雨侵蝕力因子，MJ·mm/（hm2·h）；Gdw為上方無來水工程堆積體土石質(zhì)因子，t·hm2·h/（hm2·MJ·mm）；δ為計(jì)算單元侵蝕面土體礫石含量，%；a1、b1分別為上方無來水工程堆積體土石質(zhì)因子系數(shù)，取值見表1；Sdw為上方無來水工程堆積體坡度因子，無量綱；θ為坡度，（°）；d1為上方無來水工程堆積體坡度因子系數(shù)，取值見表2；Ldw為上方無來水工程堆積體坡長因子，無量綱；λ為計(jì)算單元水平投影坡長度，m；f1為上方無來水工程堆積體坡長因子系數(shù)，取值見表3；As為計(jì)算單元的水平投影面積，hm2。

在ArcGIS中建立屬性表并添加上述因子字段，采用字段計(jì)算器工具計(jì)算工程土壤流失量，得到工程土壤流失量為220.13 t。

3.4.2與測釬法對(duì)比

為分析基于無人機(jī)遙感技術(shù)計(jì)算土壤流失量的準(zhǔn)確性，本研究還采用測釬法進(jìn)行土壤流失量計(jì)算。使用9根長50 cm、直徑1 cm的鋼釬（侵蝕測針）以3×3的形式打入地下，釘帽與地面齊平，并在釘帽上涂上紅漆進(jìn)行編號(hào)登記。在監(jiān)測年內(nèi)每年定期觀測釘帽露出地面的高度并進(jìn)行記錄，得到土壤侵蝕深度，遇到日降水量＞20 mm或風(fēng)速＞5 m/s的情況時(shí)需進(jìn)行加測，通過土壤侵蝕深度計(jì)算土壤流失量，計(jì)算公式為A=Z×Rbd×S×cos θ（5）式中：A為土壤流失量，t；Z為土壤侵蝕深度，m，通過測釬法測量獲得；Rbd為土壤容重，t/m3；S為侵蝕面積，m2，取棄渣場實(shí)際擾動(dòng)面積。

通過測釬法計(jì)算得到棄渣場在監(jiān)測年第一季度平均土壤侵蝕深度2.6 mm，土壤流失量33.04 t；第二季度平均土壤侵蝕深度4.7 mm，土壤流失量58.02 t；第三季度平均土壤侵蝕深度5.8 mm，土壤流失量72.27 t；第四季度平均土壤侵蝕深度3.9 mm，土壤流失量48.94 t；監(jiān)測年土壤流失量212.27 t。

兩種方法計(jì)算結(jié)果相差7.86 t，屬合理誤差范圍，證明了利用無人機(jī)遙感技術(shù)和ArcGIS軟件計(jì)算工程土壤流失量的合理性和可行性。

［作者簡介］ 習(xí)超（1996—），男，四川雅安人，助理工程師，學(xué)士，主要從事水土保持監(jiān)測工作。

［收稿日期］ 2022-11-23

（責(zé)任編輯李佳星）