無人機技術在生產建設項目水土保持監測中的運用方法及分析

李延強

(甘肅中略海利咨詢服務有限公司，甘肅 武威 733000)

1 工程概況

大紅溝建筑用石料礦建設項目位于天祝藏族自治縣城約110°方向，直線距離13 km的大紅溝，與鶯鴿咀村直線距離1.3 km，行政區隸屬天祝藏族自治縣松山鎮管轄，松山鎮地處祁連山脈毛毛山南麓松山灘草原，東北與古浪縣接壤，東南與景泰縣、永登縣接壤，西鄰縣城華藏寺。礦區屬溫帶大陸性半濕潤氣候。據天祝藏族自治縣氣象站資料年平均氣溫1℃，年平均降水量270 mm，相對無霜期127 d，多年平均相對濕度67%，最大凍結深度170 cm。縣域內降水量自東向西減少。東部關山一帶年均降水量為620 mm，中西部淺山區及黃土梁峁溝壑區年均降水量為580 mm～600 mm。降水量的年內分配很不均勻，歷年入春以后降水逐漸增多，汛期6月～9月降水量集中，可達450 mm，占全年降水量的72.6%；10月以后降水逐漸減少，冬季雨雪稀少。據有關資料統計，境內24 h最大降水量為92.3 mm，1 h最大降水量為43.4 mm，30 min最大降水量為33.6 mm。旱情多出現于春季、初夏和伏期，輕者間隔數年，嚴重者連年發生。建設規模與開采服務年限：礦權面積0.3308 km2，設計開采面積0.256 km2，開采標高2770 m～2665 m。設計采、選儲量696.56×104m3，實際開采量661.73×104m3、采、選規模30萬m3/a。

開采方式及開采年限：該工程采用采用露天開采方式。開采年限為3 a。

工程總投資：工程項目總投資1365.9萬元，全部由公司自籌。

建設工期：工程已于2018年8月完成“三通一平”，目前處于待建狀態，計劃2019年建成投產。

本工程總占地面積13.93 hm2，均為永久占地。建設期和運行期土石方開挖總量為678.14萬m3，回填28.66萬m3，廢方14.59萬m3，全部為運行期產生的采礦區地表剝離土方。

1.1 水土流失防治標準執行等級

根據《全國水土保持規劃國家級水土流失重點預防區和重點治理區符合劃分成果的通知》和《甘肅省人民政府關于劃定省級水土流失重點預防區和重點治理區的公告》，項目區屬于甘肅省省級重點治理區。因此，水土流失防治標準執行建設類項目二級標準。根據《土壤侵蝕分類分級標準》(SL-190-2007)，項目區容許土壤流失量為1000 t/(km2·a)。

1.2 水土流失預測結果

本工程建設可能造成的水土流失總量約為1070.856 t，其中新增水土流失量約737.806 t；各預測單元新增水土流失量依次為開采區612.645 t、采/選工業場區76.375 t、道路區41.454 t、辦公生活區7.332 t、分別占新增水土流失總量的83.04%、10.35%、5.62%、0.99%。

2 水土保持無人機監測方法與運用

2.1 監測范圍和時段

對項目建設區、生產區和直接影響區進行監測，監測范圍為工程建設征占、使用和其他擾動區域總面積13.93 hm2，項目分區平面圖見圖1。

圖1 項目分區平面圖

監測時段應根據開發建設項目類型來確定，本項目為建設生產類項目，根據開發建設項目水土保持方案編制技術規范的有關規定，其監測時段分為施工期、運行期和自然恢復期，本項目確定檢測時段為2019年～2022年。

本方案水土保持監測擬設固定監測點5處。開采區、采/選工業場區、辦公生活區、道路區各一處；原地貌1處。

監測頻次：調查監測頻次在施工期的中間及結束后各進行一次全面的調查監測，在水土保持措施開始實施后，春秋季各監測一次；定位監測：主要安排在5月～9月，每月各監測一次，每次暴雨后增加監測次數，植物措施主要在春、夏、秋季監測。水土流失危害事件發生后7日內報送水土流失危害事件報告。

2.2 設備及參數

航拍采用大疆精靈4RTK無人機搭載配備1英寸2000萬像素CMOS。相機支持輸出未經畸變矯正的原圖，并在照片XMP信息中輸出該相機的OPEN-CV畸變矯正參數，用于后處理。

2.3 無人機監測內容和方法

根據水土流失防治分區，分別對工程建設期間各分區內開挖回填土石方等的水土流失狀況進行監測。監測內容包括各工程單元土壤侵蝕強度、土壤侵蝕形式、水土流失原因等。

在拍攝之前應先收集項目背景資料(如地形地貌、土壤、植被、氣象、水文等)土地紅線、施工工藝、施工進度等。通過分析這些背景資料確定無人機重點監測的點位和范圍，同時對水土流失量等監測做好準備。對各工程單元水土保持措施的數量、質量，運行狀況和發揮的實際作用進行定期監測。主要包括水土保持工程措施的完整性，植被成活率、覆蓋率等情況，以及實施各種水土保持措施后各施工單元坡面土壤侵蝕情況的變化等。

無人機技術在運用于生產建設項目水土保持監測中，利用無人機監測獲取的影像成果，通過目視解譯提取項目區各單元植被覆蓋度及土地利用信息，并分析DSM數據，獲取坡度信息，結合土壤侵蝕分類分級標準，綜合判別項目區土壤侵蝕強度。

本項目所涉及的防治責任范圍較大，而無人機可持續飛行的時間有限；在無人機航線設計完成后采用自動飛行模式，飛行高度定為100 m，航速設為6 m/s，照片重疊度設為80%；照片拍攝完成后使用Pix4D軟件來處理，形成DOM模型、DEM模型和三維模型等成果。基于DOM和DEM成果的基礎上可以進行相關數據信息的提取，把外業采集的圖像及數據通過內業軟件轉化為測量信息數據。

通過在計算機上勾繪的方式來識別土地利用類型及變化情況，利用DOM和DEM模型成果提取出監測區內土地利用類型、流失面積、坡長、植被覆蓋率及重點治理措施等數據，并結合項目區土壤可蝕性、降雨量等資料，根據土壤流失公式計算出土壤流失量。最后，分析查看監測值是否符合《土壤侵蝕分類分級標準》(SL 190-2007)和《生產建設項目水土流失防治標準》(GB/T 50434-2018)中的要求。

基于DOM和DEM模型再利用Pix4D可生成三維數字模型，在3D效果下能夠直觀的看到監測區內水土流失的情況，分析現場是否存在不安全不穩定的因素，如滑坡、土石崩塌、泥石流等因素。

在水土保持監測中主要是對水土保持措施的監測，措施主要由工程措施、植物措施及臨時措施，監測主要利用人工進行識別DOM模型來分析，和現場測量相比較，極大地提高了工作效率和準確性。

3 結果與分析

3.1 基礎信息獲取

由于項目區位于山區，為了減小周邊山體圖像采集的干擾，將航拍時間定在陰天沒有陽光的時候，開采區、采/選工業場區、辦公生活區、道路區共4個重點監測區域的精度為0.01 m的DOM(見圖2)和精度為0.2 m的DEM(見圖3～圖8)；擾動土地面積、土石方量、水保各項措施等監測精度不小于85%。

圖2 項目區DOM

圖3 采選區DEM

圖4 采選區DEM

圖5 辦公區DEM

圖6 開采區DEM

圖7 開采區DEM

圖8 道路區DEM

3.2 土地利用類型

項目建設區內土地利用類型復雜且分布零散，采用計算機自動分類容易造成客觀的錯誤，因此重點監測區的土地利用類型主要采用人工識別的方法逐一進行識別，項目區土地利用類型及面積見表1。

表1 項目區土地利用類型及面積

3.3 擾動范圍及土壤流失量監測

把已經生成的DOM(見圖2)導入EPS中可直接勾畫出擾動面積，在用皮尺對擾動面積進行人工符合，計算查看實際擾動面積監測精度是否大于90%。項目區水土流失量預測結果見表2。

表2 項目區水土流失量預測結果

3.4 水土保持措施監測

基于DOM模型，對水土保持措施、臨時措施、植物措施采用手動識別的方法進行統計分析，并用量具量取措施的規格尺寸和數量等信息；通過DOM模型成果及數字模型可以直觀的判斷出水土保持措施的防治效果。項目區水土流失措施見表3。

表3 項目區水土保持措施統計

4 結論

根據水土流失量預測結果，確定有可能造成水土流失面積13.93 hm2，水土流失總量為1070.856 t，新增水土流失量737.806 t。采取有針對性的水土保持措施，可極大的減少工程建設對周邊環境造成的不利影響，減少產生水土流失的各個環節，伴隨著植物措施效益的發揮，施工期間產生的水土流失基本得到控制。

本項目水土保持方案實施后，建設區擾動土地整治率將達到95%，水土流失總治理度達95%，土壤流失控制比0.50，攔渣率85.06%，林草植被恢復率90.00%，林草覆蓋率15.00%。減少水土流失量529.00 t，水土流失防治均達到設計水平年的防治目標。

無人機技術在水土保持監測工作中基于DOM和DEM提取監測對象的土地利用類型、位置、面積、體積等信息，構建三維虛擬模型。結果表明計算機自動識別更加快速，但存在將監測對象的陰影、苫蓋誤判為植被的問題。最后，將提取的信息逐一應用于案例工程的水土保持監測工作，直接獲取各典型區擾動土地面積、棄渣體積、苫蓋與否、苫蓋面積等監測結果。無人機監測結果與運用傳統方法監測的結果對比表明，2種方法的監測結果均滿足相關技術要求，但無人機監測效率是傳統人工監測效率的3～5倍。成果可為無人機遙感技術在水土保持監測中的應用提供有效的方法借鑒。