無人機在高速公路棄渣場監測中的應用探討

周春波，王 農，周淑君，秦曉蕾(.江西省水土保持科學研究院，江西 南昌 33009；.北京蒼穹數碼科技有限公司，北京 0600)

無人機在高速公路棄渣場監測中的應用探討

周春波1，王 農1，周淑君2，秦曉蕾1
(1.江西省水土保持科學研究院，江西 南昌 330029；2.北京蒼穹數碼科技有限公司，北京 102600)

無人機；棄渣場；監測；高速公路

無人機監測相較于傳統的監測技術手段，不僅工作更高效、調查更全面，而且監測數據更準確。在高速公路棄渣場水土保持監測中，利用無人機可快速獲取擾動土地面積和坡度等水土流失因子，估算取棄土方量和水保措施工程量，監測水土流失危害。在分析總結高速公路棄渣場特點的基礎上，詳細探討了無人機在高速公路棄渣場監測中的應用。

隨著國家“十三五”規劃的頒布與實施，國家級和地方級高速路網的不斷規劃和加密，大規模的高速公路工程建設必然會造成項目區人為水土流失的加劇。高速公路建設會不可避免地需要大量的棄渣場，由于棄土棄渣失去了原有的土壤結構，且一般具有較陡的松散堆積面，因此棄渣場土壤侵蝕嚴重，具有流失量大、突發性強、危害大等特點，若不及時采取有效的水土流失防治措施，將給人民群眾的生產生活帶來嚴重威脅[1]。水土保持法第二十八條對生產建設項目棄渣的綜合利用和廢棄處理進行了明確規定，棄渣應堆放在水土保持方案確定的專門存放地，并采取措施保證不產生新的危害。深圳光明新區渣土受納場“12·20”特別重大滑坡事故發生之后，棄渣場的安全穩定已經成了全社會關注的熱點，及時定期開展棄渣場的水土保持監測是高速公路水土保持工作的重要內容。

傳統的水土保持監測野外調查方法主要是用尺量(測長度、測樣方)、GPS定位(測面積)、地形圖勾繪等，這些方法僅適用于小區域工作。由于必須接觸到被測物體，受人為干預較大，因此大面積或線性工程調查時外業工作量非常大，且對于一些地形復雜、監測人員難以到達甚至不能到達的區域則無法獲取數據。有時為了節省時間可能會采用目測估計，工作效率和測量精度偏低，不能滿足快速、準確出成果的要求，更不能適應水土保持監測信息化發展的要求。相較于傳統的監測技術手段，無人機監測具有工作更高效、調查更全面、數據更準確的優勢，無人機目前已在水土保持行業得到廣泛使用，能夠適用于點狀項目和線狀項目的重點監測區域(大型的取棄土場、隧道棄渣等)的水土保持監測，可快速獲取擾動土地面積和坡度等水土流失因子，估算取棄土方量和水保措施工程量，監測水土流失危害，評估水土流失狀況，在一定程度上解決了監測數據獲取難的問題。

1 高速公路棄渣場的特點

1.1 棄渣場數量多且分布離散

高速公路工程標段劃分較多，施工過程中受施工時序等限制很難在標段之間進行土石方調配，加之運距、材料等諸多因素的影響，很容易形成大量的棄土棄渣，導致沿線棄渣場數量較多。高速公路屬于線性工程，棄渣場通常沿線路離散分布。

1.2 棄渣場類型多樣

高速公路屬于線性工程，跨度較長的高速公路項目會經過平原區和山區等多種地貌類型區。棄渣場的類型通常有平地(緩坡)型、溝道(山谷)型、坡面型、填洼(塘)型和崗地型等5種類型[1-4]。各類棄渣場的特征見表1。

表1 棄渣場分類

1.3 棄渣場存在較多變更

受施工組織及運距等的影響，施工過程中產生的棄渣一般就近堆放，大多數不在方案指定地點堆放，從而造成棄渣場存在較多的變更，給棄渣場的管理帶來了難題，需要進行棄渣場方案變更。

1.4 選址隱蔽，傳統調查方法難以發現

有些棄渣場距線路較遠，或隱藏在山體的背面，傳統的地面調查難以發現這類棄渣場，可能會遺漏，存在水土流失隱患。

2 無人機在水土保持行業中的應用

隨著無人機技術的不斷發展，無人機的性能愈加穩定，技術更加成熟，價格更趨低廉，無人機普及率越來越高。對水土保持相關從業機構的調查發現，目前無人機已經被較廣泛地應用于水土保持監測評估、監督管理，水土流失災害應急監測及水土保持方案編制和規劃設計等各個領域。①水土保持監測評估。主要用于擾動土地面積、取棄土量、措施工程量、植被覆蓋度等監測指標信息的獲取，利用航拍成果，對水土保持措施布局、完成情況進行評估。②水土保持監督管理。主要用于水土保持監督執法取證，拍攝影像視頻資料，判斷是否超出防治責任范圍，是否按照水土保持方案要求采取水土保持措施等。③水土流失災害應急監測。主要用于滑坡、泥石流等水土流失災害的應急監測，用于獲取滑坡體的面積、方量等數據，以供救災決策使用。④水土保持方案編制和規劃設計。主要用于方案編制和設計前的原始地形地貌調查，以作為方案編制和規劃設計的本底數據。

3 無人機在高速公路棄渣場監測中的應用

3.1 無人機和后處理軟件選型

綜合對比操作性、相機分辨率、續航時間、信號控制距離等多種因素，選擇DJI Phantom系列無人機作為主要的機型。后處理軟件選擇俄羅斯Agisoft PhotoScan軟件，該軟件是一款基于計算機視覺自動進行三維重建的軟件，依據最新的計算機多目視覺影像三維重建技術對具有一定重疊度的影像進行處理(也可以通過添加控制點生成具有真實坐標的三維模型)，工作流程全部自動化。

3.2 無人機監測指標篩選

高速公路棄渣場的水土保持監測指標主要有棄渣場的特征、類型、組成物質、堆放方式、水土保持措施和水土流失危害等，各監測指標的詳細內容見表2。

表2 棄渣場主要監測指標

3.3 無人機監測流程

高速公路棄渣場無人機監測流程包括影像數據獲取、數據處理和成果數據應用，見圖1。

圖1 無人機監測流程

(1)影像數據獲取。利用無人機對棄渣場進行航拍作業，在航拍前需要對無人機進行調試，根據成果數據的精度要求設置一定的飛行高度，根據棄渣場的形狀和大小進行飛行航線規劃，拍攝時應保證航向重疊度大于75%，旁向重疊度大于60%。此外還可以對棄渣場內的重點區域進行單獨拍攝并錄制視頻。

(2)數據處理。利用PhotoScan軟件對無人機采集的原始影像進行處理，導入原始影像數據后，軟件自動進行三維重建、點云密集匹配、地形建模等過程，最終導出監測需要的DOM和DEM等中間成果，以便后續分析測量使用。

(3)成果數據應用。利用GIS軟件對監測中間成果數據(DOM和DEM)進行量測、分析，可以獲取棄渣量、面積、堆高、措施工程量等監測指標，根據獲取的監測指標快速評價棄渣場的水土流失狀況；利用GIS軟件的制圖功能制作棄渣場的擾動范圍圖、措施分布圖等監測成果圖件。

3.4 無人機監測精度分析

無人機航測精度包括正射影像的地面分辨率、絕對精度和相對精度，由實際棄渣場的數據處理結果可知，地面分辨率與飛行高度和相機的像素有關(DJI Phantom 4無人機100 m飛行高度能達到2 cm地面分辨率)，在未添加控制點的情況下，絕對精度能夠達到米級，相對精度能夠達到厘米級，基本能夠滿足棄渣場水土保持監測的需要。

4 結論與展望

利用無人機開展高速公路棄渣場監測，能夠提高監測的工作效率、質量和信息化水平，具有良好的示范效應。實際應用過程中，還應注意以下幾個方面：

(1)雖然目前無人機在水土保持監測中應用較為廣泛，技術也比較成熟，但由于缺乏相關的規程規范，導致監測成果差異較大，因此應及時制定無人機監測技術規程，規范監測流程和成果質量，使無人機監測成果具有較高的可信度。

(2)針對當前無人機攝影測量精度較低的問題，可以通過增加地面控制點等方式來提高精度，以滿足更加專業化的需求。

(3)由于棄渣場下墊面類型多種多樣，通常難以確定棄渣場壓蓋原始地形，在未知原始地形數據的情況下，無人機對棄渣方量監測精度偏低，應重點研究不同棄渣場類型棄渣方量的計算方法，以提高無人機在棄渣方量監測中的適用范圍。

[1] 呂釗，王冬梅，徐志友，等.生產建設項目棄渣(土)場水土流失特征與防治措施[J].中國水土保持科學，2013，11(3):118-126.

[2] 田育新，李正南，周剛，等.開發建設項目借土場、棄渣場的分類、選擇及防治措施布局[J].水土保持研究，2005，12(2):149-153.

[3] 趙暄，謝永生，景民曉，等.生產建設項目棄土堆置體的類型與特征[J].中國水土保持科學，2013，11(1):88-94.

[4] 水利部.水土保持工程設計規范：GB 51018—2014[S].北京：中國計劃出版社，2014：20.

S157

C

1000-0941(2018)01-0044-03

周春波(1989—)，男，江西南昌市人，工程師，碩士，主要從事遙感監測與信息化工作。

2017-05-10

(責任編輯 孫占鋒)