無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在線(xiàn)型工程水土保持監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

楊曉娟 宋振振 李飛

摘要 以日照—京博（日京）管道工程為例，從遙感數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測(cè)內(nèi)容提取2個(gè)方面，開(kāi)展無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在線(xiàn)型工程水土保持監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究。首先，在航攝基礎(chǔ)上，利用Agisoft PhotoScan軟件處理航攝影像生成高精度的正射影像（DOM）和數(shù)字高程模型（DEM）;然后基于DOM和DEM成果提取各類(lèi)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并構(gòu)建三維模型。結(jié)果表明，利用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)可獲取研究區(qū)防治措施落實(shí)情況、位置、面積、體積等定性和定量數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)精度滿(mǎn)足相關(guān)技術(shù)要求。無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)應(yīng)用于線(xiàn)型工程水土保持監(jiān)測(cè)中優(yōu)勢(shì)明顯，可提高監(jiān)測(cè)工作質(zhì)量和效率，提升監(jiān)測(cè)信息化水平，為水土流失防治提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞 無(wú)人機(jī);遙感技術(shù);水土保持監(jiān)測(cè);線(xiàn)型工程;應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào) S157 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A ?文章編號(hào) 0517-6611（2020）19-0222-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.19.058

Abstract Taking the pipeline project of RizhaoJingbo （abbreviation as Rijing） as an example， then a research of unmanned aerial vehicle （UAV） remote sensing technology applied in line monitoring was carried out. The contents include remote sensing data collection and monitoring content extraction. Firstly， the Agisoft PhotoScan software was used to process aerial photography image to obtain the highprecision Digital Orthophoto Model （DOM） and Digital Elevation Model （DEM） based on the basis of aerial photography. Secondly， a series of monitoring data were extracted based on DOM and DEM results. Finally， a threedimensional model was constructed. The results showed that using the UAV remote sensing technology can obtain the qualitative and quantitative data， including implementation of control measures， location， area and volume of the research area， and the monitoring accuracy can meet the technical requirements. The UAV remote sensing technology had obvious advantages in monitoring soil and water conservation of linear engineering. It can not only improve the quality and efficiency of monitoring work， but also improve the level of monitoring information，and provide technical support for soil erosion control measures.

Key words Unmanned aerial vehicle;Remote sensing technology; Soil and water conservation monitoring; Linear construction projects;Application

基金項(xiàng)目 山東省省級(jí)水利科研項(xiàng)目（SDSLKY201808）;水發(fā)設(shè)計(jì)集團(tuán)科研項(xiàng)目（SFSJKY201913）。

作者簡(jiǎn)介 楊曉娟（1987—），女，陜西渭南人，工程師，碩士，從事水土保持方面的研究。*通信作者，高級(jí)工程師，從事水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究。

收稿日期 2020-03-24

水土保持監(jiān)測(cè)是水土流失預(yù)防和治理的基礎(chǔ)，是生態(tài)環(huán)境保護(hù)和修復(fù)的重要工作[1]，是國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)決策和考核的依據(jù)[2]。十九大以來(lái)，生態(tài)文明建設(shè)已經(jīng)上升為新時(shí)代中國(guó)特色社會(huì)主義的重要組成部分，這對(duì)水土保持監(jiān)測(cè)工作提出了更加嚴(yán)格的要求。傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段以調(diào)查監(jiān)測(cè)和地面觀測(cè)為主，針對(duì)性強(qiáng)，但監(jiān)測(cè)效率低、精度差[3]，難以實(shí)現(xiàn)全域監(jiān)測(cè)。衛(wèi)星遙感影像一般適用于大尺度監(jiān)測(cè)，影像質(zhì)量易受云層、霧霾等影響[4]，對(duì)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)，其影像分辨率不高，無(wú)法滿(mǎn)足水土保持監(jiān)測(cè)工作的精度要求[5]。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著無(wú)人機(jī)芯片等關(guān)鍵技術(shù)的成熟，無(wú)人機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域由軍用向民用方向迅速擴(kuò)展[6]，基于無(wú)人機(jī)的水土保持監(jiān)測(cè)技術(shù)也日漸成熟，并取得了顯著成效[7-12]。與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段和衛(wèi)星遙感影像相比，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)可提供豐富的地物空間結(jié)構(gòu)和細(xì)致的幾何紋理，具有快速高效、機(jī)動(dòng)靈活、成像分辨率高等優(yōu)勢(shì)[13]，已經(jīng)成為水土保持監(jiān)測(cè)的新型技術(shù)手段。

與點(diǎn)型工程不同，線(xiàn)型工程路線(xiàn)長(zhǎng)，跨越區(qū)域多，線(xiàn)上分布有施工場(chǎng)地、穿河穿路、?。墸┩翀?chǎng)等易引發(fā)水土流失的點(diǎn)，是一類(lèi)水土流失類(lèi)型多樣、防治措施復(fù)雜的工程[14]。目前無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在水土保持監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在棄渣場(chǎng)[8，11-12]等點(diǎn)狀對(duì)象上，而對(duì)線(xiàn)狀對(duì)象的研究卻鮮有報(bào)道。因此，該研究以日照—京博輸油管道工程（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“日京管道”）為例，點(diǎn)、線(xiàn)相結(jié)合，對(duì)無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在線(xiàn)型工程水土保持監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行探索，以期可為今后無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在小流域綜合治理、“天地一體化”監(jiān)管、事中事后監(jiān)督檢查和水土保持設(shè)施驗(yàn)收等領(lǐng)域的應(yīng)用提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

日京管道工程以日照港首站為起點(diǎn)，自南向北經(jīng)過(guò)山東省日照市嵐山區(qū)、東港區(qū)、莒縣，臨沂市沂南縣、沂水縣，濰坊市臨朐縣、青州市，淄博市桓臺(tái)縣，東營(yíng)市廣饒縣，終點(diǎn)為濱州市博興縣京博輸油站（圖1），共涉及6地市10縣區(qū)，全長(zhǎng)約430 km。工程建設(shè)面積854.4 hm2，穿越河流266處，穿越公路、鐵路70處。根據(jù)地形地質(zhì)情況采用大開(kāi)挖埋設(shè)、定向鉆和頂管施工3種方式，局部地段采用地上管廊架敷設(shè)。管道沿線(xiàn)地貌類(lèi)型為魯中南低山丘陵和黃泛沖積平原，海拔高程在1～322 m，土壤類(lèi)型主要為棕壤、褐土和潮土，土壤侵蝕類(lèi)型除廣饒縣以風(fēng)力侵蝕為主外，其他縣、區(qū)以水力侵蝕為主。

1.2 研究方法

1.2.1 遙感數(shù)據(jù)采集。

2018年12月，選擇微風(fēng)、無(wú)云天氣狀況下對(duì)研究區(qū)實(shí)施航拍?？紤]到工程路線(xiàn)長(zhǎng)，跨越區(qū)域多，無(wú)人機(jī)航程有限，此次試驗(yàn)選擇潛在土壤流失量較大的管道作業(yè)帶RJX054～056、RLS037～040和施工場(chǎng)地3個(gè)典型區(qū)域進(jìn)行航拍。

1.2.1.1 設(shè)備配置。

無(wú)人機(jī)：采用大疆精靈4Pro小型四旋翼無(wú)人機(jī)，搭載1英寸2 000萬(wàn)CMOS像素傳感器，主要硬件包括飛行器、云臺(tái)、相機(jī)、遙控器、螺旋槳、智能飛行電池等，輸出影像為JPEG以及無(wú)損的RAW格式照片。

機(jī)載飛行及地面控制系統(tǒng)：遙控器內(nèi)置全新一代的Lightbridge高清圖傳回地面端，與飛行器機(jī)身內(nèi)置的Lightbridge機(jī)載端配合，通過(guò)DJI GS Pro App（地面站）實(shí)現(xiàn)航線(xiàn)和飛行區(qū)規(guī)劃，并實(shí)時(shí)顯示高清畫(huà)面。

1.2.1.2 飛行前準(zhǔn)備。

飛行前應(yīng)了解研究區(qū)天氣狀況，選擇晴朗天氣的正午前后或陰天，風(fēng)速小于8 m/s，能見(jiàn)度大于5 km[3];同時(shí)應(yīng)避開(kāi)障礙物和禁飛區(qū)[15]等。

1.2.1.3 控制點(diǎn)布設(shè)。

控制點(diǎn)布設(shè)應(yīng)考慮點(diǎn)位清晰、分布均勻、易于布設(shè)的原則。此次管道作業(yè)帶各布設(shè)6個(gè)控制點(diǎn)，施工場(chǎng)地共布設(shè)4個(gè)控制點(diǎn)，用于提高影像精度。控制點(diǎn)采集設(shè)備為中海達(dá)iRTK2，精度為0.01 m。

1.2.1.4 參數(shù)設(shè)置。

研究區(qū)周邊大部分為耕地，具有顯著特征的地物較少，為保證影像匹配精度，航向重疊度設(shè)置為75%，旁向重疊度設(shè)置為70%，飛行高度在100～130 m，采用自動(dòng)飛行模式，云臺(tái)角設(shè)置為-90°。

1.2.1.5 數(shù)據(jù)處理。

無(wú)人機(jī)遙感影像后處理軟件為Agisoft PhotoScan，水土保持監(jiān)測(cè)內(nèi)容提取軟件為ArcMap。

1.2.2 監(jiān)測(cè)內(nèi)容提取。

根據(jù)《生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)規(guī)程（試行）》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“監(jiān)測(cè)規(guī)程”），水土保持監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括擾動(dòng)土地情況監(jiān)測(cè)、取土（石、料）棄土（石、渣）監(jiān)測(cè)、水土流失情況監(jiān)測(cè)和水土保持措施監(jiān)測(cè)。水土保持監(jiān)測(cè)內(nèi)容及提取方法如表1所示。

由于該試驗(yàn)僅實(shí)施了1次航拍，獲取的監(jiān)測(cè)信息有限，因此，此次獲取的監(jiān)測(cè)信息主要包括擾動(dòng)范圍、面積;堆土方量;土壤流失面積;措施類(lèi)型、位置、數(shù)量、防治效果和運(yùn)行狀況等。

2 結(jié)果與分析

2.1 遙感數(shù)據(jù)獲取

圖2為3個(gè)典型區(qū)域生成的DOM和數(shù)字高程模型（DEM）成果，管道作業(yè)帶RJX054～056、RLS037～040和施工場(chǎng)地DOM水平分辨率分別為2.68、2.97和1.14 cm，DEM水平分辨率分別為1.69、2.67和0.18 cm，成果精度可完全滿(mǎn)足水土保持監(jiān)測(cè)工作要求。

2.2 監(jiān)測(cè)內(nèi)容提取

2.2.1 擾動(dòng)土地情況監(jiān)測(cè)。

將DOM載入ArcMap，基于ArcMap的空間分析功能，新建水土保持監(jiān)測(cè)信息數(shù)據(jù)庫(kù)，在數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)新建面狀圖層“擾動(dòng)范圍”，對(duì)其進(jìn)行數(shù)字化和屬性編輯，通過(guò)目視解譯勾繪擾動(dòng)范圍并提取擾動(dòng)面積。以施工場(chǎng)地為例，結(jié)合圖2c施工場(chǎng)地DOM成果，場(chǎng)地周邊具有綠色圍欄，場(chǎng)內(nèi)地面色調(diào)以淺黃色、深褐色為主，并呈碾壓或松散堆積狀，影像紋理明顯區(qū)別于周邊麥田、道路、河溝及整理好的土地。施工場(chǎng)地?cái)_動(dòng)范圍及面積提取結(jié)果如圖3所示。為了檢驗(yàn)無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)對(duì)擾動(dòng)面積的監(jiān)測(cè)精度，采用中海達(dá)全站儀，型號(hào)ZTS-121R4，測(cè)量范圍6～1 999 m，全長(zhǎng)相對(duì)誤差≤10-6 m，對(duì)施工場(chǎng)地?cái)_動(dòng)面積進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，實(shí)地測(cè)量結(jié)果為4 766.2 m2，監(jiān)測(cè)精度為99.3%，滿(mǎn)足《監(jiān)測(cè)規(guī)程》中點(diǎn)型擾動(dòng)面積監(jiān)測(cè)精度不小于95%的要求。

2.2.2 取土（石、料）棄土（石、渣）監(jiān)測(cè)。

以管道作業(yè)帶RJX054～056和施工場(chǎng)地為例，基于DEM，在Agisoft PhotoScan中通過(guò)勾選堆土范圍、刪除次要工作面、關(guān)閉孔等操作，建立臨時(shí)堆土的三維模型，實(shí)現(xiàn)堆土體積量測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4所示。

傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段包括地面觀測(cè)、實(shí)地量測(cè)和資料分析等。此次采用資料分析法，以施工單位計(jì)量值為基準(zhǔn)，對(duì)無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果如表2所示。由表2可知，無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)結(jié)果小于工程實(shí)際計(jì)量值，管道作業(yè)帶臨時(shí)堆土體積監(jiān)測(cè)誤差大于施工場(chǎng)地，經(jīng)分析，可能原因有2個(gè)方面：一是土石方長(zhǎng)時(shí)間堆放會(huì)出現(xiàn)自然沉降，導(dǎo)致無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)結(jié)果偏小;二是數(shù)據(jù)量越多，累計(jì)誤差越大，無(wú)人機(jī)拍攝的單張影像誤差較小，但連續(xù)拍攝導(dǎo)致誤差累計(jì)增大[16]?？傮w而言，利用無(wú)人機(jī)測(cè)算的臨時(shí)堆土體積精度滿(mǎn)足《監(jiān)測(cè)規(guī)程》中方量監(jiān)測(cè)精度不小于90%的要求。

2.2.3 水土流失情況監(jiān)測(cè)。

以施工場(chǎng)地為例，在水土保持監(jiān)測(cè)信息數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，繼續(xù)新建面狀圖層“無(wú)土壤流失區(qū)域”，并勾繪監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)建構(gòu)筑物、硬化場(chǎng)地、工程措施、水域等邊界范圍，量取面積，以擾動(dòng)土地面積反推土壤流失面積。經(jīng)量算，施工場(chǎng)地占地范圍內(nèi)建構(gòu)筑物面積63.6 m2，土壤流失面積4 669.2 m2。

2.2.4 水土保持措施監(jiān)測(cè)。

基于生成的DOM成果，通過(guò)人工目視判讀水土保持措施類(lèi)型，并通過(guò)ArcMap提取措施位置、數(shù)量。以管道作業(yè)帶RLS037～040為例（圖5），圖中色調(diào)呈綠色，邊界清晰的為防塵網(wǎng)苫蓋;色調(diào)呈白色，點(diǎn)狀分布，位于防塵網(wǎng)邊緣的為編織袋臨時(shí)攔擋措施。此外，通過(guò)建立研究區(qū)三維模型，在3D效果下可直觀判斷苫蓋、攔擋等水土保持措施運(yùn)行狀況和防治效果等。如圖6所示，管溝左側(cè)堆土采用防塵網(wǎng)進(jìn)行了全面苫蓋，防塵網(wǎng)完整無(wú)破損，防治效果較好;而堆土坡腳編織袋僅起到壓蓋防塵網(wǎng)的作用，攔擋效果較差。

3 結(jié)論與討論

高精度、高效率、信息化是未來(lái)水土保持監(jiān)測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)，這注定無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在水土保持監(jiān)測(cè)領(lǐng)域?qū)l(fā)揮不可替代的作用。該研究以日京管道工程為例，從遙感數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測(cè)內(nèi)容提取2個(gè)方面，對(duì)無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在線(xiàn)型工程水土保持監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用方法和效果進(jìn)行闡述，結(jié)果表明，基于高精度DOM和DEM，可快速、準(zhǔn)確獲取研究區(qū)擾動(dòng)范圍、位置、面積、堆土體積、措施類(lèi)型、數(shù)量、防治效果和運(yùn)行狀況等定性、定量數(shù)據(jù)，同時(shí)可輸出研究區(qū)三維模型;監(jiān)測(cè)結(jié)果與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法相比，監(jiān)測(cè)精度<10%，滿(mǎn)足《監(jiān)測(cè)規(guī)程》要求。

相較于點(diǎn)型工程，線(xiàn)型工程監(jiān)測(cè)工作量大大增加，進(jìn)行全線(xiàn)路無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)實(shí)施難度大，通?？蛇x擇典型區(qū)域?qū)嵤┖脚?，以重點(diǎn)關(guān)注部位的監(jiān)測(cè)結(jié)果反映總體情況。受地表原始狀況、天氣、儀器光學(xué)系統(tǒng)自身畸變、飛行參數(shù)設(shè)置、內(nèi)業(yè)誤差等因素影響，目前無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在土石方量監(jiān)測(cè)精度方面還存在一定誤差[6，10]，因此，如何建立科學(xué)的研究方法，如何對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行校正，還需要在后期工作中進(jìn)一步探討和改進(jìn)。盡管如此，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在減輕線(xiàn)型工程外業(yè)工作量、提高監(jiān)測(cè)工作質(zhì)量和效率、降低監(jiān)測(cè)成本、提升監(jiān)測(cè)信息化水平等方面，都較傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)和衛(wèi)星遙感影像有著強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，可為水土流失防治提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

參考文獻(xiàn)

[1] 姜德文.論生態(tài)文明建設(shè)中的水土保持監(jiān)測(cè)與公共服務(wù)[J].中國(guó)水土保持科學(xué)，2016，14（6）：131-136.

[2] 郭索彥.水土保持監(jiān)測(cè)與信息化管理制度體系建設(shè)現(xiàn)狀和思路[J].中國(guó)水土保持，2017（9）：1-5.

[3] 陳宇，付貴增，凌峰，等.無(wú)人機(jī)技術(shù)在生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].海河水利，2018（5）：57-59.

[4] 蔡志洲，袁普金，王森.空天地一體化水土保持監(jiān)測(cè)初探[J].人民黃河，2018，40（4）：92-95.

[5] 林成行，朱首軍，周濤，等.基于無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的水土保持植被恢復(fù)率提取[J].水土保持研究，2018，25（6）：211-215.

[6] 蔡志洲.小型無(wú)人機(jī)技術(shù)在水土保持監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[C]//中國(guó)水土保持學(xué)會(huì)預(yù)防監(jiān)督專(zhuān)業(yè)委員會(huì)第九次會(huì)議暨學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集.北京：中國(guó)水土保持學(xué)會(huì)，2015.

[7] 張雅文，許文盛，沈盛彧，等.無(wú)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(cè)中的應(yīng)用——方法構(gòu)建[J].中國(guó)水土保持科學(xué)，2017，15（1）：134-140.

[8] 施明新.無(wú)人機(jī)技術(shù)在生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].水土保持通報(bào)，2018，38（2）：236-240，329.

[9] 許文盛，聶文婷，王一峰，等.生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目超大型棄渣場(chǎng)水土保持監(jiān)控方案探討[J].中國(guó)水土保持科學(xué)，2019，17（4）：153-159.

[10] 李嵐斌，金平偉，李樂(lè)，等.無(wú)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(cè)中的應(yīng)用：以清遠(yuǎn)抽水蓄能電站為例[J].人民珠江，2019，40（1）：6-11.

[11] 張雅文，許文盛，韓培，等.無(wú)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(cè)中的應(yīng)用：以鄂北水資源配置工程為例[J].中國(guó)水土保持科學(xué)，2017，15（2）：132-139.

[12] 閻世煜，王秀茹，王霄，等.無(wú)人機(jī)遙感數(shù)據(jù)處理模型的計(jì)算精度分析：以引黃入冀補(bǔ)淀工程水土保持監(jiān)測(cè)為例[J].中國(guó)水土保持科學(xué)，2019，17（2）：121-131.

[13] 顧錚鳴，金曉斌，楊曉艷，等.基于無(wú)人機(jī)遙感影像監(jiān)測(cè)土地整治項(xiàng)目道路溝渠利用情況[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34（23）：85-93.

[14] 趙永軍，姜德文，袁普金.線(xiàn)狀工程建設(shè)項(xiàng)目的水土保持監(jiān)測(cè)：以西氣東輸項(xiàng)目為例[J].水土保持研究，2005，12（6）：71-75，253.

[15] 胡玉杰，屈創(chuàng).無(wú)人機(jī)遙感在水土保持領(lǐng)域的應(yīng)用研究[J].中國(guó)水土保持，2019（4）：57-61，69.

[16] 常誠(chéng)，李月寧.水土保持無(wú)人機(jī)遙測(cè)成果數(shù)據(jù)精度檢測(cè)[J].東北水利水電，2018，36（11）：61-63，66.