無人機技術在水土保持重點治理工程措施核查工作中的應用

高 遠，楊 帆

（1.松遼水利委員會水文局（信息中心），吉林長春130021；2.生態(tài)環(huán)境部松遼流域生態(tài)環(huán)境監(jiān)督管理局生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與科學研究中心，吉林長春130021）

0 引言

水土保持重點工程措施核查工作是水行政主管部門法定性和經常性工作[1]，而且工作時間緊、工作量大、工作環(huán)境艱苦，迫切需要應用現代化手段和方法，提高工作效率和核查數據精準度。近年來，松遼水利委員會在全國率先將無人機技術應用到水土保持核查工作中，通過無人機航拍及后期航拍影像拼接處理、分析，可以快速提取水土保持措施面積、措施尺寸等數量指標和質量指標；結合ArcGIS等制圖軟件，可以快速生成直觀的水土保持措施現狀圖，為水土保持監(jiān)管部門提供強有力的技術支撐。

1 無人機核查對象和指標

水土保持措施分為面狀措施、線狀措施、點狀措施3種類型。面狀措施主要包括梯田、地埂植物帶、保土耕作、經果林、種草、封育治理等；線狀措施主要包括截水溝、排水溝、護岸工程、作業(yè)路等；點狀措施主要包括溝頭防護、谷坊、蓄水池、橋涵、過水路面、標志牌、宣傳碑等。

核查指標分為數量指標和質量指標。數量指標主要包括面積、長度、數量（個、座）等。質量指標主要包括長度、寬度、高度等措施斷面尺寸，而對于水土保持措施的內部質量無人機不能進行核查。

2 無人機核查技術流程

無人機核查技術流程包括核查前準備、無人機航攝、航攝影像處理、措施核查等多項具體工作，各工作流程間具有較強的協調銜接性，具體技術流程見圖1。

2.1 核查前期準備

1）前期資料收集整理

收集項目實施方案報告（含措施布局矢量圖、邊界矢量數據）、竣工驗收報告（含竣工驗收措施布局矢量圖、邊界矢量數據）、主管部門的驗收意見書（表）、等高線數據（矢量）。

2）小流域及措施圖斑抽取

圖1 無人機核查技術流程圖

通常一個水土保持項目區(qū)由多個小流域組成，每個小流域由土地利用、水土保持措施類型相同且空間連續(xù)的范圍措施圖斑組成。在無人機核查前，先在項目區(qū)內抽取水土保持措施實施小流域，然后根據相關規(guī)定及每次核查工作的具體要求，對照小流域水土保持措施總體布置圖或水土保持措施竣工圖，按照抽取比例要求對每類措施隨機抽取無人機核查圖斑。

3）飛行條件調查

無人機在執(zhí)行任務前，需開展環(huán)境條件調查和氣象條件調查。環(huán)境條件調查包括了解待核查小流域及其周邊有無禁飛區(qū)、限制區(qū)、危險區(qū)以及電磁干擾源的分布，了解小流域的地形地貌。氣象條件調查包括提前了解飛行當天待核查小流域的氣象條件，充分考慮氣溫、降水、霧、風等氣象因素對飛行的影響。根據調查情況結合無人機的性能指標，判斷飛行條件是否適合無人機飛行，如環(huán)境條件不合適，應重新抽取小流域及措施圖斑。

4）無人機及人員配備

根據水保措施類型、航拍范圍大小、拍攝內容（錄像、照片）、拍攝角度（垂直、傾斜）選擇無人機類型。一般小范圍、短距離、多角度的照片和視頻拍攝采用多旋翼無人機；大范圍、遠距離的垂直拍攝采用固定翼無人機；線狀措施、點狀措施選用旋翼無人機（既可錄像、多角度拍照，又可垂直拍照）；面狀措施垂直拍攝時，圖斑面積小于0.50 km2的圖斑選用多旋翼無人機，圖斑面積大于0.50 km2的圖斑選用固定翼無人機。

每架現場作業(yè)無人機應至少配備1名無人機駕駛員、1名觀察員。

2.2 無人機航攝

1）臨飛前準備

主要包括實地踏勘、航線規(guī)劃等。執(zhí)行飛行任務前，無人機作業(yè)人員需對飛行任務區(qū)進行實地踏勘，掌握高程變化、標志性地物、交通情況等信息，熟悉飛行環(huán)境，同時為無人機起降場地的選取、航線規(guī)劃、應急預案制訂等提供資料。實際踏勘后，綜合考慮無人機飛行環(huán)境限制和飛行任務要求、無人機物理限制和實時性要求，為無人機規(guī)劃出一條或多條自出發(fā)點到目標點的最優(yōu)和次優(yōu)航線，保證無人機高效、圓滿地完成飛行任務，并安全返回起降點。

2）航攝

宏觀或局部傾斜拍攝時，避開陽光照射，采用側逆光。全覆蓋垂直航拍時，航拍范圍超出抽查圖斑邊界線應不少于像幅的50%。航向重疊度為60%～65%，旁向重疊度為30%～35%[2，3]。地貌起伏增大時，應適當增大像片重疊度。垂直航拍像片傾斜角一般不大于2°，個別最大不大于4°。同一航線的像片原則上應保持同一高度，相鄰像片的航高差不得大于20 m，最大和最小航高之差不得超過30 m[2，3]。

航攝過程中，無人機駕駛員需全神貫注進行操作，不得與圍觀人員進行交談，嚴禁實施急轉、急加速、急減速等危險動作。無人機駕駛員須密切監(jiān)視無人機的位置、航高、機載電源電壓、飛行姿態(tài)等，一旦出現異常，應及時發(fā)送指令進行干預。無人機最大飛行速度一般不得超出標定技術參數最大速度的80%，機載電源電壓低于40%應考慮返航。

3）航攝影像質量快速檢查

在飛行現場，通過有關軟件結合人工，對無人機航拍影像進行快速檢查，檢查主要內容：像片間重疊度是否滿足要求，有無航空漏洞，影像分辨率是否能滿足質量要求等。檢查航攝影像質量后，及時決定是否對飛行任務區(qū)進行航攝重拍或補拍。

2.3 航攝影像處理及措施核查

1）航攝影像分選

無人機航攝完畢，首先對航拍影像按照小流域、措施種類、圖斑進行分類。對分類后的影像按場景影像和垂直航拍照片再次進行分類。場景影像包括全景照片、局部照片、視頻及現場工作照片等，所篩選的影像要求能清楚、直觀反映所抽查圖斑的整體情況，影像中最好具有典型地標。此外，對現場的錄像進行剪輯，刪除無關視頻。對垂直航拍照片進行整理，剔除被抽查圖斑以外明顯的突出的照片，剔除傾斜角較大照片，對影像重疊率較高區(qū)域的照片進行精簡。

2）正射影像生成

將篩選后的多幅無人機垂直航拍照片導入相關數據處理軟件，全自動進行幾何校正、匹配拼接、空中三角測量、鑲嵌及勻色等步驟，最終生成能被軟件自身及GIS軟件讀取的DSM，DOM，空三成果等數據。

3）指標測量

基于生成的DSM、DOM數據，利用三維數據分析軟件、ArcGIS軟件等對水土保持措施數量指標和質量指標進行測量。測量指標主要包括垂直投影面積、斜面面積、水平長度、斜面長度、水平寬度、垂直高度等，測量精度可達到厘米級。對每項措施質量進行測定，測量的部位、方法以及取樣的數量都應該按照該項措施質量測定的有關規(guī)定執(zhí)行。為減少誤差，盡可能將航攝影像放在大比例尺下進行指標勾繪（測量），要求圖斑邊界勾繪偏差不超過2個像元或2個柵格[3]。

4）制圖

根據ArcGIS等軟件的制圖功能，對水土保持措施進行勾繪、標記、空間分析，生成所抽查區(qū)域（圖斑）的水土保持措施現狀圖。制圖比例原則上不小于1∶10 000，能夠清晰、全面反映所抽查圖斑的水土保持措施現狀。不同水土保持措施圖斑采用不同顏色線條勾繪，所選用的線條顏色醒目，與底圖能形成鮮明對比。圖名采用“年＋水土保持治理工程項目名稱＋行政區(qū)＋小流域名稱+圖斑號+水土保持措施現狀圖”的形式。圖斑標記原則標記于圖斑范圍內，包括圖斑編號、水土保持措施名稱、面積（長度）等。

2.4 核查分析

根據核查指標測量結果及核查后的措施平面布置圖，對應最終批復設計，對被抽查小流域進行核查分析。分析主要內容：抽查圖斑位置是否與批復設計一致；圖斑實際實施措施內容是否與批復設計一致；圖斑措施的數量指標是否達到設計數量；涉及長度、寬度、高度等質量指標是否滿足批復設計或規(guī)范要求。

3 結語

國家水土保持重點工程核查工作是一項時間緊、責任重、工作量大的工作，應用無人機技術開展此類工作，可摒棄傳統的尺量、GPS徒步測量、目測估算等落后方法，實現核查工作不受地形、交通、地塊大小等因素影響；同時又可在有限的時間內，大幅度增加核查項目數量和抽查地斑比例。完成的核查成果豐富、數據可靠，既有定量數據、場景影像，又有直觀的平面布置圖及3D效果圖，并可實時通過電腦調出核查過程及成果數據，保證核查結果的客觀性、權威性。