無人機遙感技術在水土保持方案編制工作中的應用

劉 佳， 賀 堯

(湖南有色冶金勞動保護研究院，湖南 長沙 410041)

1 前言

水土資源是人類賴以生存的基礎資源，水土流失對農業生產、生態可持續發展、防洪安全及水質安全有著重要影響，是我國的主要環境問題。水利部第四次全國水土流失年度動態監測結果顯示，2018年全國水土流失面積273.69萬平方公里，表明我國仍有超過1/4的國土面積遭受不同程度的水土流失危害。

近年來，隨著我國經濟的發展，各類大中型建設項目陸續開展，比如鐵路、公路、輸電線路以及風電項目的開發建設，以湖南省風電項目為例，截止2017年底，僅集中式的風電建設項目建設規模就有226.5萬千瓦，湖南省風電項目以山地型為主，地形復雜、水蝕與風蝕并存、擾動土地面積大、影響范圍廣，給本來嚴峻的水土保持工作帶來了更大的挑戰。如果不重視此類開發建設項目建設過程中的水土流失問題，不積極進行水土保持措施的防治，會對生態環境造成惡劣影響。

水土保持方案編制的目的在于全面貫徹落實《中華人民共和國水土保持法》及其相關法律、法規，明確業主在項目建設的同時，應當承擔的社會責任與義務，將工程建設造成的水土流失減少到最低程度，實現資源的開發利用與生態環境保護協調發展。具體來說是要初步確定水土流失防治分區，擬定防治措施和水土保持投資概算，貫徹落實開發建設項目的水土保持設施與主體工程同時設計、同時施工、同時投產使用的“三同時”制度。風電項目屬于線性工程，風電基礎及場內道路的布置線路較長，并且地形復雜，給水土保持現場勘查工作帶來一定難度，通過使用無人機技術在能夠幫助水保工作人員直觀了解項目風機布置及道路走向，準確確定棄渣場的合適位置，通過影像資料記錄項目棄渣場選址的原始形態和相關數據，同時也能對也能對工程結束后棄渣場的恢復和措施防治工作提供圖像依據。

2 無人機遙感技術簡介

2.1 無人機遙感技術介紹

無人機是通過無線電遙控設備或機載計算機程控系統進行操控的不載人飛行器。無人機結構簡單、機動靈活、攜帶方便，分辨率高，通過設置飛行高度、飛行時間及飛行軌跡及等參數，搭載數碼相機等進行無人機航拍用，再用計算機對圖像信息進行處理，并按照一定精度要求制作成滿足精度要求的圖像。對于準確掌握項目基本情況、確定水土流失的位置、強度和危害，推進水土保持監測工作的定量化、 精細化和信息化發展，具有重要引領作用，因而在水土保持工作的各個階段都有廣泛應用。

2.2 無人機遙感技術特點

(1)易于操作，簡單高效。無人機遙感系統操作靈活，對項目現場只需要1名操作人員即可完成組裝和調試操作，無需指定起降地點，提前規劃好飛行路徑及飛行高度，即可完成連續作業，無人機輕便小巧，轉場作業容易，工作效率較高，特別適合獲取線行項目航拍影像(公路、鐵路、輸變線路及風電場等)。無人機攜帶的雷達設備，可穿透障礙物獲取地面信息，實時傳輸高清晰的圖像數據，從而滿足水土保持數據的實時性和準確性。

(2)成果多樣，應用范圍廣。無人機拍攝成果通過搭載集成了相機和慣導系統的光電倉來獲取可見光影像數據和對應的經緯度信息，經過短時間的內業分析，即通過數據處理系統，可自動化獲得測定范圍內的地形圖、數字高程模型(DEM) 數據、數字正射影像(DOM)數據以及三維場景影像等，大大提高了水土保持數據的精度。無人機屬于低空飛行，搭載高精度數碼相機，可以形成分辨率極高的遙感影像，無人機航拍遙感技術可廣泛應用于環境保護、生態治理、電力、水力、農業等多個領域。以水土保持工作為例，即可應用于前期的水土保持現場調查工作，也可在水土保持監測及驗收工作中發揮重要作用。

3 實例分析

3.1 項目概況

常德市石門縣子良風電場工程位于湖南省常德市石門縣子良鄉，處湘鄂邊陲，項目區地貌類型屬低中山區，山脊主要呈近東西向、部分呈北北東向展布，海拔高度在930.0～1 390.0 m之間。山坡地形坡度一般為15°～35°，局部35°～40°。風機位布置于北西西向的山脊(頂)上，長約18 km，南北寬約1.0 km，山嶺之間連續性相對較好。項目區屬于南方紅壤區，土壤侵蝕類型主要為水力侵蝕，根據湖南省水利廳《關于湖南省水土流失重點預防區和重點治理區劃定公告》，本項目區屬于澧水中游省級水土流失重點治理區，土壤容許流失量為500 t/(km2·a)，屬微度流失。

本風電場工程擬安裝25臺單機容量為2 000 kW的風力發電機組，相應裝機容量為50 MW，工程總占地面積為55.81 hm2，其中永久占地1.87 hm2，主要為風機、箱變基礎占地、升壓站占地；臨時占地53.94 hm2，主要為風機安裝場地占地、場內施工道路占地、集電線路占地、棄渣場及臨時施工用地。

為滿足施工期設備運輸以及運行期檢修維護的需要，風電場需新建道路總長25.06 km，道路路基寬度5.5 m，運輸方式采用特種車輛運輸；本項目選取7個棄渣場，占地面積4.04 hm2，棄渣場范圍內無大水系通過，未發現大規模的滑坡、泥石流等不良地質體，自然狀況下邊坡穩定性較好，下游無村莊，避開了城鎮和交通要道的可視范圍。棄渣場形式為平地型和山坳型。

3.2 設備選用及數據獲取

本項目采用大疆精靈4無人機航拍設備，機身輕巧，方便攜帶、續航能力強，配備3D傳感系統，在指點飛行、視覺跟蹤、前視壁障等方面優勢明顯，能輕松完成拍照、錄像、經緯度信息獲取等工作。屬于低空飛行無人機，適合本項目要求，最大飛行高度為120 m，最大飛行速度為50 km/h，最大飛行時間為16 min。

本項目地勢較高、地形復雜、路線較長，無人機無法完成長時間持續飛行，為保證數據順利獲取，采用手動操作飛行任務，飛行高度固定在100 m以內，相片重疊率60%的正射影像，用于后續獲取項目擾動地表面積，量取部分水土保持防治措施工程量等。

3.3 無人機遙感技術在本項目中的作用

(1)明確線路走向。本項目風電場工程為線性項目，長度約18 km，風機沿新建道路布置在一條東西走向的山脊上，海拔高度在930.0～1 390.0 m之間。主體設計道路的走向雖已避開較陡的山坡及避開高挖高填區域，但是由于項目還未開工建設，道路還未修建，只能沿著老路對部分點位進行踏勘，在實地水土保持現場勘查中，是主要依賴于項目1∶10000地形圖，無法對整個項目線路的走向有比較直觀的了解。以項目7#～15#風機區間為例，下圖為項目7#～15#風機布置及道路布置的谷歌衛星地圖(見圖1)，將無人機航拍數據導入地圖中，可以隨時

圖1 項目布置平面圖

查勘項目現狀地形及走向情況(圖2、圖3)，如圖2為項目進場道路需要彎道改造的一部分，局部彎道需經改造拓寬才能滿足設備運輸要求；圖3新建道路走向為沿著山脊部分進行布設。通過無人機低空航拍，項目地形地貌清晰可見，也可以對線路選線及走向有直觀的認知，從而使水土保持方案中對主體工程介紹以及水土保持措施布置更加具有針對性和可信度。

圖2 9#風機附近場內道路

(2)確定渣場位置。棄渣場是水土流失的主要部位，如果選取不當，會造成滑坡、崩塌或更為嚴重的水土流失問題。對于風電項目，由于線路長、地形復雜，選取合適的棄渣場更為重要。遵循集中棄渣、安全穩定、便于運棄的要求，棄渣場應布置在大開挖路段和多棄渣路段附近，從而縮短棄渣的運輸距離，減少運渣施工便道的修建，減少運輸過程中的散落。各棄渣場均緊鄰場內交通道路，便于棄渣和防護材料的運輸，棄渣場下游側無重要的基礎設施、集中居民點和工業企業等。綜合考慮主體工程棄渣場選址，水土保持方案應在現場查勘中根據項目實際情況，從水土保持角度分析，進一步確定和復核棄渣場位置，對于風電項目，一般利用荒溝、凹地和支毛溝的溝道作為棄渣場位置較為合理。根據項目地形圖及無人機航拍，可以更加清晰的確定棄渣場的形式，如圖4所示，圖4為Z1棄渣場選址，通過航拍圖片可以清晰地看到此地為一處山坳，符合棄渣場選址要求，圖5為Z3棄渣場選址，地勢平坦，容量較大，堆渣穩定，利于水土保持措施布設。這些渣場在現場勘查中我們無法通過肉眼查看到他們的形式和容量等，通過借助無人機遙感技術，我們可以獲取到渣場的高程、中心經緯度、面積、容量、類型等準確信息，以此作為我們選取棄渣場的有力依據，表1為棄渣場信息表。

圖4 Z1棄渣場選址航拍圖

圖5 Z3棄渣場選址航拍圖

表1 棄渣場信息表

(3)預測水土流失重點區域及措施布置。無人機遙感技術能夠改變傳統水土流失預測方式，借助遙感數據，得到DOM和DEM成果，可以構建三維模型，進而對項目征占地面積、擾動土地面積、挖填土石方數量等進行監測，從而高效、準確地預測項目容易產生水土流失的重點區域，對通過道路線形走向、棄土棄渣位置的監測，可以更有針對性的進行水土保持分區及布設水土保持工程措施、 植物措施及臨時防治措施。

4 結論

對于地形多變、線路較長、水土流失嚴重的項目，無人機遙感技術在水土保持方案編制工作中的作用越來越重要，利用無人機遙感的高空全景拍攝、高分辨率、機動靈活等優勢，可為水土保持分區、棄渣場選址及水土流失防治措施制定等提供了更加精確和科學的方法，通過有效合理水土保持措施，達到經濟建設與生態環境協調發展。