無人機在坡耕地現場復核中的應用

謝增武，吳靖，姜傳勇，余雙，梁永堅，莫學海，曾志文

（廣西水利電力勘測設計研究院，南寧530023）

珠江流域坡耕地面積大，分布集中，是珠江流域水土流失的主要策源地。珠江流域的坡耕地，主要是由于人口增加，環境容量承載不了增加的人口，導致群眾墾荒擴種，逐步演替形成的[1]。廣西大部分地區屬于珠江流域，地形以山地、丘陵為主，地形起伏，地少人多，坡耕地廣泛分布，坡耕地在我區農業生產，特別是貧困山區糧食生產中有著重要的作用[2]。坡耕地水土流失直接經濟損失包括養分流失損失、水分流失損失和泥沙流失損失；間接經濟損失包括水土流失引起土壤肥力和作物產量降低的損失，泥沙淤積水庫引起水庫蓄水和灌溉能力下降的損失，泥沙沖淹農田引起棄耕的損失等[3-4]。對坡耕地進行改造治理，不僅對于當地水土流失治理、糧食生產等有直接的經濟效益，而且對區域生態安全、生態文明建設有重要貢獻。

無人機遙感系統憑借其運載便利、靈活性高、作業周期短、影像數據分辨率高等優勢，在各領域遙感監測中得到越來越多的應用[5-6]。高分辨率低空無人機遙感影像在表達地物幾何、紋理、拓撲關系等特征參量方面更加細致，增強了對地物類型的識別能力，使得地類分布信息的提取更加快捷、細致[7-8]。水土保持相關的各種土地利用類型，如經果林、水保林、坡耕地等，在高分辨率遙感影像中具有明顯特征，利用無人機遙感系統獲取高分辨率遙感影，作為衛星影像的有效補充，在水土保持行業及其他相關領域有很大的應用潛力[9]，近年來越來越廣泛地應用于水土保持重點工程建設的各個環節。隨著政府就“轉變職能、簡政放權”提出一系列具體要求，以及近年來水土保持工程建設作為生態文明建設的內容和抓手，越來越得到各級政府重視，工程規模不斷加大，實施范圍不斷擴展。近年來水利部大力推行“圖斑精細化”監管手段，采用天地一體化動態核查，以圖斑為單元進行核查，準確核實水土保持重點工程建設進度、措施數量、任務完成情況和實施效果。本文重點研究無人機在廣西百色市田陽縣2017年坡耕地水土流失綜合治理工程中開展“圖斑精細化”外業抽查，檢查年度工程建設管理情況中的應用。

1 研究區概況

田陽縣坡耕地土壤流失嚴重，據估算，坡耕地土壤流失量占當地土壤流失總量的30%以上，而且大部分坡耕地未采取過任何治理措施。這些坡耕地長期跑水、跑肥、跑土，廣種薄收，若受干旱影響，產量更低，大大制約了項目區特色產業和農業經濟發展。田陽縣2017年列入規劃安排實施坡耕地綜合治理工程位于田陽縣20萬畝現代農林生態扶貧產業核心示范區內，示范區是根據自治區黨委部署把田陽縣打造為“四個示范區”（特色產業示范區、扶貧開發示范區、鄉村生態休閑旅游示范區、文明村風和諧鄉村示范區），打造成集現代農業、立體開發、綠色生態、旅游觀光、扶貧聯動、規模經營、集約發展、多措并舉的三次產業融合發展的核心示范區。

項目區現有耕地面積1 054.44 hm2，其中坡耕地面積882.2 hm2，約占耕地面積的84%。本區地處云貴高原南部邊緣地帶，地勢由西北向東南傾斜，山多地少，屬中低山地貌，高程為400～900 m。山坡自然坡角在5°～45°之間，局部較緩。項目區屬亞熱帶季風氣候，特點是夏天長，冬天短，四季不甚分明，光照充足，雨量充沛，溫暖濕潤。土壤成分主要為紅壤土，質地及熟化程度較好，是田陽縣主要的甘蔗、玉米產區之一。

2 無人機航拍數據獲取

本次采用大疆精靈Phantom4 pro無人機，于2017年12月27日中午進行，當天天氣晴朗無風，適宜于無人機飛行，影像獲取時間選擇正午，以避免太陽高度角所引起的陰影對后期正射影像造成影像，設定航程高為120 m，像素為1 080 P，相機各項參數設置適當以保證地物成像清晰，航向重疊度70%，側向重疊度40%，以獲取足夠的影像重疊用于航帶拼接[10]。

3 監督檢查技術方案

本文以“3S”技術為主要手段，采用遙感解譯和現場調查相結合的方法，利用1∶5萬高分辨率遙感影像結合無人機影像，對項目區土地利用現狀、田間道路、水柜等水土保持措施布設，并根據數字正射影像圖、DEM成果，采取綜合評價法，準確分析項目區工程建設管理現狀。

主要工作步驟和技術路線為：

（1）資料準備。根據項目區實際條件，全面收集研究區內1∶5萬DOM影像數據、30 m分辨率DEM數據、氣象水文、土地利用等基礎數據；以及《全國坡耕地水土流失綜合治理工程廣西壯族自治區專項建設方案（2017～2020年）》、《田陽縣2017年坡耕地水土流失綜合治理工程實施方案》中項目區水土保持工程措施具體布設信息。

（2）無人機影像軟硬件工作環境的搭建。硬件設備主要包括高配置計算機工作站，無人機設備等，軟件包括Pix4Dmapper軟件、Arcgis軟件等。Pix4Dmapper軟件系統能夠實現自動空中三角測量、DEM與正射影像圖自動生成，能夠快速、高效地處理無人機低空遙感影像數據。

（3）外業調查、影像匹配及數據預處理。在軟硬件工作環境的支持下，以國家水土保持重點工程相關技術標準為依據，對無人機影像進行預處理，主要包括影像匹配、外業控制點測量、空中三角測量制作等。

（4）DEM、DOM制作，在空三解算完畢后，Pix4Dmapper軟件系統根據匹配的同名點和影像方位，計算出對應的地面離散點坐標，然后由地面離散點生成DEM。雖然軟件系統實現了自動匹配，但由于現實地物的復雜性（如水體、樹木、陰影）以及人工地物的影響，在實際生產中為了提高DEM的精度，采用人工判斷外加和Pix4Dmapper軟件系統自動解譯成果相結合的方法，最終形成DOM、DEM、土地利用現狀圖。

（5）對比分析。利用生成的DOM、DEM、土地利用現狀圖，利用Arcgis軟件準確分析這些圖斑實際實施的措施類型、數量（面積、范圍），對照項目區水土保持措施設計圖，與抽查圖斑的措施類型、邊界、范圍進行對比分析，核實措施設計和實際實施情況，并做出結論。

4 復核情況分析

采用無人機進行正射攝影測量，能夠到國家水土保持重點工程措施現場進行低空航攝，由此獲取水土保持工程措施的影像信息，并通過計算機視覺算法對該工程措施進行精細的三維建模。重建出的高真實度的三維模型，有助于實現水土保持措施項目的可視化查詢、管理和決策支持，圖1為本次利用無人機建立的項目區三維模型圖。

經核查，田陽縣2017年度坡耕地水土流失綜合治理工程項目區邊界及圖版抽查均位于實施方案設計范圍內見圖2，圖3。

其中：田陽縣2017年度坡耕地水土流失綜合治理工程實施方案與規劃階段相比較（紅線范圍為規劃階段范圍，黑線范圍為實施方案范圍）圖斑號1-39完全位于規劃范圍內，實施方案階段增加圖斑號40～49，坡改梯治理面積由301.62 hm2增加至305.59 hm2；實施方案與現場抽查對比實施范圍均位于頭塘鎮的聯坡村和三雷林場，經對比，項目區邊界及圖版抽查均位于實施方案設計范圍內。

圖1 田陽縣2017年度坡耕地水土流失綜合治理工程現場三維影像

圖2 項目區規劃范圍與實施方案范圍對比

5 結語

（1）近年來，國家加大了水土保持基礎設施與能力建設方面的投入，廣西壯族自治區各級人民政府按照水利部總體方案開展水土保持監督管理能力建設，雖然我區水土保持監管能力有了很大的提升，但是隨著經濟發展以及國家不斷加大在國家水土保持重點工程建設方面的投資，總體看國家水土保持重點工程監管能力發展水平目前還不能完全與之適應。

圖3 項目區圖斑抽查范圍與實施方案范圍對比

（2）本文對利用無人機，開展“圖斑精細化”外業抽查，檢查年度工程建設管理情況中的應用進行了研究，結果表明利用無人機結合地理信息系統（GIS）、全球定位系統（GPS）在水土保持監督檢查的中有效結合，提高了現場復核的準確度并極大地提升了效率。

（3）無人機技術通過采用先進的定位技術，嵌入精確的地理信息、更豐富的影像信息、更高級的用戶體驗，極大地擴展了遙感影像的應用領域，無人機技術作為新興監督檢查手段可以作為水土保持監督管理的有效補充，在水土保持行業及其他涉及到野外作業的相關領域都有很大的應用潛力。