無人機(jī)技術(shù)在水土保持措施設(shè)計(jì)精細(xì)化中的應(yīng)用與研究

劉晨曦，蒲 堅(jiān)，李建明，潘曉穎，張長(zhǎng)偉，王志剛

(1.長(zhǎng)江水利委員會(huì) 長(zhǎng)江科學(xué)院，湖北 武漢 430010；2.水利部 山洪地質(zhì)災(zāi)害防治工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430010)

當(dāng)前社會(huì)高速發(fā)展，生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目數(shù)量眾多，類別以及規(guī)模呈多樣化趨勢(shì)。公路、鐵路等建設(shè)項(xiàng)目的投入使用在推動(dòng)社會(huì)發(fā)展的同時(shí)，環(huán)境問題也逐漸顯現(xiàn)[1]。依照長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶建設(shè)要求和習(xí)近平總書記在黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展座談會(huì)上的講話精神，經(jīng)濟(jì)建設(shè)不能以犧牲生態(tài)環(huán)境為代價(jià)，水土保持工作也得到了前所未有的重視[2-3]。

為貫徹落實(shí)“水利工程補(bǔ)短板，水利行業(yè)強(qiáng)監(jiān)管”水利改革發(fā)展總基調(diào)，進(jìn)一步規(guī)范水利行業(yè)勘測(cè)設(shè)計(jì)行為，強(qiáng)化勘測(cè)設(shè)計(jì)責(zé)任，保障水利工程勘測(cè)設(shè)計(jì)質(zhì)量，水利部在2020年3月出臺(tái)了《水利工程勘測(cè)設(shè)計(jì)失誤問責(zé)辦法(試行)》(水總〔2020〕33號(hào))，要求設(shè)計(jì)過程中須保證基礎(chǔ)資料真實(shí)、完整、準(zhǔn)確，設(shè)計(jì)結(jié)果須符合法律、法規(guī)、規(guī)章、強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)和推薦性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，并滿足設(shè)計(jì)階段的工作深度[4]。在當(dāng)前水利發(fā)展的新形勢(shì)下，國(guó)家對(duì)建設(shè)項(xiàng)目水土保持措施設(shè)計(jì)精細(xì)化提出了更高的要求，強(qiáng)調(diào)水土保持從業(yè)單位及個(gè)人負(fù)有設(shè)計(jì)責(zé)任。因此，對(duì)水土保持措施設(shè)計(jì)精細(xì)化技術(shù)路線進(jìn)行深入研究勢(shì)在必行。

1 水土保持措施設(shè)計(jì)精細(xì)化的必要性

水土保持措施設(shè)計(jì)精細(xì)化是指在生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持措施設(shè)計(jì)中，依據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)，結(jié)合完整和準(zhǔn)確的基礎(chǔ)資料，提出貼合實(shí)際的水土保持措施方案，要求設(shè)計(jì)規(guī)范、完成度高、統(tǒng)一性好，專業(yè)間矛盾少，不過度設(shè)計(jì)，且能準(zhǔn)確指導(dǎo)后期設(shè)計(jì)、招標(biāo)以及工程施工。

在《水利部生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持方案變更管理規(guī)定(試行)》(辦水保〔2016〕65號(hào))中，與措施設(shè)計(jì)精細(xì)化有關(guān)的要求包括：表土剝離量減少30%以上的，植物措施總面積減少30%以上的，以及水土保持重要單位工程措施體系發(fā)生變化，可能導(dǎo)致水土保持功能顯著降低或喪失的情況，屬于項(xiàng)目重大變更的，需要對(duì)項(xiàng)目水土保持部分重新設(shè)計(jì)。水土保持方案的變更不僅拖延項(xiàng)目進(jìn)度，對(duì)項(xiàng)目投資和施工造成不良影響，而且不當(dāng)?shù)乃帘３执胧┰O(shè)計(jì)可能引起滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，造成生命和財(cái)產(chǎn)損失[5]。

《水利工程勘測(cè)設(shè)計(jì)失誤問責(zé)辦法(試行)》(水總〔2020〕33號(hào))明確要求：對(duì)降低工程質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、影響工程功能發(fā)揮、導(dǎo)致工程存在安全隱患或發(fā)生較大程度的投資追加的情形視同為水利工程勘測(cè)設(shè)計(jì)失誤標(biāo)準(zhǔn)之一，并從質(zhì)量、功能、安全和投資影響四個(gè)維度判定。對(duì)于設(shè)計(jì)單位和個(gè)人而言，設(shè)計(jì)責(zé)任進(jìn)一步加大。

可以看出，水土保持措施設(shè)計(jì)精細(xì)化，有利于提高設(shè)計(jì)深度，合理控制建設(shè)成本，避免建設(shè)后期設(shè)計(jì)變更，從而提高工程建設(shè)效率，有效防止因設(shè)計(jì)不當(dāng)而導(dǎo)致的嚴(yán)重人為水土流失和人為自然災(zāi)害的發(fā)生，降低單位及個(gè)人設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。

2 無人機(jī)技術(shù)在水土保持措施設(shè)計(jì)精細(xì)化中的應(yīng)用

水土保持措施設(shè)計(jì)精細(xì)化的前提是對(duì)項(xiàng)目區(qū)地形進(jìn)行精準(zhǔn)和全面勘測(cè)。生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目一般分為點(diǎn)型項(xiàng)目和線型項(xiàng)目。點(diǎn)型項(xiàng)目占地集中，建設(shè)區(qū)擾動(dòng)投影面積和表面積獲取較容易。線型項(xiàng)目存在項(xiàng)目區(qū)占地面積較大、部分區(qū)域地形復(fù)雜、人力不能直接到達(dá)等問題，給項(xiàng)目勘測(cè)帶來了很大的困難。為兼顧勘測(cè)效率，可采用總體規(guī)劃與局部重點(diǎn)設(shè)計(jì)相結(jié)合的技術(shù)路線，其中，局部重點(diǎn)設(shè)計(jì)區(qū)域包括水土流失危害嚴(yán)重區(qū)域，以及棄渣場(chǎng)等易造成生命財(cái)產(chǎn)損失的重點(diǎn)區(qū)域。

衛(wèi)星遙感影像結(jié)合無人機(jī)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)水土保持措施設(shè)計(jì)精細(xì)化總體規(guī)劃與局部重點(diǎn)設(shè)計(jì)相結(jié)合的重要技術(shù)途徑。總體規(guī)劃所需資料可通過購買衛(wèi)星遙感影像獲取，但衛(wèi)星遙感影像時(shí)效一般滯后，設(shè)計(jì)要素和屬性覆蓋不全面，主要用于線型工程或是水土流失危害性較低區(qū)域。重點(diǎn)區(qū)域基礎(chǔ)資料的全面和精確獲取則依賴技術(shù)和方法的創(chuàng)新，全站儀等傳統(tǒng)方法雖精度較高，但應(yīng)對(duì)野外復(fù)雜環(huán)境存在作業(yè)難度大、周期長(zhǎng)等問題。無人機(jī)技術(shù)能克服交通中斷且有效避免勘測(cè)過程中的人員意外傷害，較方便獲取項(xiàng)目區(qū)航片數(shù)據(jù)，更能依據(jù)較為成熟的軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到項(xiàng)目區(qū)DOM、DEM以及三維模型，為項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供全方位的數(shù)據(jù)支撐[6-8]。本研究重點(diǎn)是通過無人機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)局部的重點(diǎn)設(shè)計(jì)。

3 無人機(jī)技術(shù)在水土保持措施設(shè)計(jì)精細(xì)化中的應(yīng)用

3.1 無人機(jī)航片數(shù)據(jù)采集

在對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行航片采集前，應(yīng)充分了解項(xiàng)目區(qū)總體布局情況[9]。在與建設(shè)單位充分溝通和現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)前提下，采用查閱項(xiàng)目設(shè)計(jì)圖紙資料、衛(wèi)星遙感影像與調(diào)查相結(jié)合的方法，復(fù)核項(xiàng)目重點(diǎn)勘測(cè)區(qū)域并確認(rèn)，對(duì)重點(diǎn)區(qū)域數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)采集，明確項(xiàng)目水土保持措施設(shè)計(jì)重點(diǎn)，提高數(shù)據(jù)處理效率。

在應(yīng)用無人機(jī)進(jìn)行野外作業(yè)時(shí)應(yīng)參考《低空數(shù)字航空攝影測(cè)量外業(yè)規(guī)范》(CH/Z 3004—2010)以及《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》(CH/Z 3005—2010)，在規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)下，結(jié)合項(xiàng)目自身特點(diǎn)，依據(jù)項(xiàng)目區(qū)范圍和數(shù)字航片成果精度要求進(jìn)行航線規(guī)劃，包括設(shè)置飛行方向、飛行高度、相機(jī)角度、航向重疊率以及旁向重疊率等參數(shù)[10-11]。盡量在天氣良好、光照充足的情況下進(jìn)行航片數(shù)據(jù)采集，避免陰影面積過大，導(dǎo)致采集數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，影響后期使用效果[12]。

為進(jìn)一步提高航片后期處理的精度，在有條件的情況下，數(shù)據(jù)采集時(shí)合理布設(shè)控制點(diǎn)作為后期數(shù)據(jù)處理的校準(zhǔn)點(diǎn)，能較大程度上提高數(shù)據(jù)精度。控制點(diǎn)要在航片上能夠比較容易辨別，可以根據(jù)目標(biāo)區(qū)域內(nèi)不同的地形地貌特征、植被覆蓋率及顏色特征、交通道路等條件，合理選擇控制點(diǎn)的材料和顏色[13]。

3.2 利用航片獲取項(xiàng)目區(qū)數(shù)字地形資料

在處理無人機(jī)數(shù)據(jù)前，要對(duì)航片數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選。對(duì)于一次飛行無法完成整個(gè)區(qū)域拍攝的情況，須將返回時(shí)拍攝的干擾航片進(jìn)行剔除，同時(shí)還須剔除由于高空風(fēng)速較大導(dǎo)致的拍攝姿態(tài)差的航片。少量航片的剔除在航向重疊率以及旁向重疊率達(dá)到精度要求的情況下，不會(huì)影響處理數(shù)據(jù)結(jié)果的精度。

航片數(shù)據(jù)篩選完成后，通過Pix4Dmapper、Agisoft Photoscan等軟件對(duì)其進(jìn)行處理，其中Agisoft Photoscan軟件對(duì)航片的處理可分步完成，也能一次性批量處理。先導(dǎo)入篩選后的航片，通過對(duì)齊照片，建立密集點(diǎn)云，生成網(wǎng)格和建設(shè)平面模型，從而得到項(xiàng)目區(qū)的正射遙感影像DOM、數(shù)字高程模型DEM、三維模型等結(jié)果。

為進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)處理精度，在處理航片時(shí)添加控制點(diǎn)信息。根據(jù)在現(xiàn)場(chǎng)控制點(diǎn)獲取信息的方法可將控制點(diǎn)分為人工標(biāo)記和自然標(biāo)記兩種情況，當(dāng)在拍照時(shí)放置了軟件打印的人工標(biāo)記時(shí)，系統(tǒng)可自動(dòng)檢測(cè)并標(biāo)記，之后對(duì)標(biāo)記點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)入。若控制點(diǎn)為航片自然標(biāo)記，則需要手動(dòng)在每個(gè)照片中找到控制點(diǎn)，并使用Marker進(jìn)行標(biāo)記，通過Import導(dǎo)入控制點(diǎn)實(shí)測(cè)經(jīng)緯度、高程等數(shù)據(jù)。無人機(jī)航片獲取及處理流程如圖1所示。

圖1 無人機(jī)航片獲取及處理流程

3.3 項(xiàng)目區(qū)水土保持措施設(shè)計(jì)精細(xì)化

將項(xiàng)目區(qū)DEM數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS中，在3D Analyst 模塊下，利用Area and Volume 功能求出項(xiàng)目區(qū)的表面積和二維投影面積，兩個(gè)的比值為該區(qū)域的地表粗糙度。在具有明顯坡度區(qū)域進(jìn)行水土保持措施設(shè)計(jì)時(shí)，項(xiàng)目區(qū)表面積能為措施工程量的精確設(shè)計(jì)提供依據(jù)，項(xiàng)目區(qū)二維投影面積能為項(xiàng)目區(qū)截排水措施設(shè)計(jì)中匯水面積的獲取提供數(shù)據(jù)支撐，從而計(jì)算出截排水措施的截面設(shè)計(jì)規(guī)格。為進(jìn)一步計(jì)算線型措施在有明顯坡度區(qū)域的實(shí)際長(zhǎng)度，可通過在ArcGIS中勾繪設(shè)計(jì)措施的矢量線，結(jié)合3D analyst工具，在Functional Surface中的Surface Length實(shí)現(xiàn)，使用Input Surface和Input Feature Class分別瀏覽到DEM數(shù)據(jù)和矢量的措施數(shù)據(jù)，通過查看屬性，其中“長(zhǎng)度”為水平投影上的措施長(zhǎng)度，而“NewLength”則為設(shè)計(jì)措施的實(shí)際長(zhǎng)度。

4 討 論

隨著監(jiān)管力度的加強(qiáng)，水土保持設(shè)計(jì)單位和施工單位的責(zé)任進(jìn)一步加大，對(duì)項(xiàng)目設(shè)計(jì)的精度提出了新的要求。隨著技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)充分挖掘已有資料，不斷通過技術(shù)創(chuàng)新和學(xué)科交叉提高生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持措施設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量，讓設(shè)計(jì)切實(shí)落到實(shí)處。

4.1 水土保持措施設(shè)計(jì)精細(xì)化需深度挖掘已有資料

對(duì)于前期已勘測(cè)的情況，可通過地形CAD文件對(duì)項(xiàng)目區(qū)DEM進(jìn)行獲取。將CAD設(shè)計(jì)圖紙中的等高線進(jìn)行連續(xù)化處理，導(dǎo)出為shpfile或是database文件格式，通過3D Analyst中的Create Tin From Features功能，在Height source中選擇Elevation字段，添加等高線高程等屬性創(chuàng)建Tin文件，利用Tin to Raster將Tin轉(zhuǎn)為Raster，將最終生成結(jié)果保存為DEM數(shù)據(jù)。等高線數(shù)字地形獲取流程如圖2所示。

圖2 等高線數(shù)字地形獲取流程

4.2 水土保持措施設(shè)計(jì)精細(xì)化需加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新

水土保持措施設(shè)計(jì)精細(xì)化的基礎(chǔ)是設(shè)計(jì)資料的準(zhǔn)確性和全面性，而高精度、便捷以及時(shí)效性強(qiáng)的測(cè)量方法源于技術(shù)的創(chuàng)新。當(dāng)前遙感技術(shù)迅速發(fā)展，為水土保持措施設(shè)計(jì)精細(xì)化提供了技術(shù)支撐，但同時(shí)也存在著局限性，如衛(wèi)星遙感影像時(shí)間滯后、獲取渠道有限，無人機(jī)電池技術(shù)限制勘測(cè)范圍等，導(dǎo)致不能對(duì)復(fù)雜項(xiàng)目區(qū)進(jìn)行全方位的勘測(cè)，急需技術(shù)創(chuàng)新，提高勘測(cè)效率、精度以及廣度。

現(xiàn)階段已有部分科研單位將地球物理探測(cè)技術(shù)運(yùn)用到堆積體、滑坡以及棄渣場(chǎng)測(cè)量中，淺層地球物理探測(cè)技術(shù)具有安全、快速、經(jīng)濟(jì)和無損的特點(diǎn)，加之近年來地球物理探測(cè)方法在基礎(chǔ)理論研究、儀器設(shè)備和信號(hào)采集處理器方面取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，為其在工程勘測(cè)和設(shè)計(jì)精細(xì)化領(lǐng)域應(yīng)用提供了可能[14-16]，可以作為后期研究的方向。

4.3 水土保持措施設(shè)計(jì)精細(xì)化需多維度獲取信息

水土保持措施設(shè)計(jì)的指標(biāo)，是通過參考多項(xiàng)數(shù)據(jù)確定的。在獲取項(xiàng)目區(qū)地表信息的同時(shí)，需積極獲取氣象、水文等資料。水土保持措施設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性不僅僅需要本行業(yè)的技術(shù)支撐，多維度的技術(shù)創(chuàng)新和數(shù)據(jù)指標(biāo)質(zhì)量的同步提升也是必不可少的，學(xué)科交叉必然成為水土保持措施設(shè)計(jì)精細(xì)化的重要發(fā)展方向。

5 結(jié)論和展望

水土保持措施設(shè)計(jì)精細(xì)化涉及植物學(xué)、工程力學(xué)、生態(tài)學(xué)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，需要多維度提高工程設(shè)計(jì)資料的精度和完整性，學(xué)科交叉必不可少。通過學(xué)科交叉推動(dòng)技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新，進(jìn)而打破行業(yè)瓶頸，使資料維度全方位提升，可為水土保持措施設(shè)計(jì)精細(xì)化提供重要支撐。從水土保持措施設(shè)計(jì)角度來看，考慮到設(shè)計(jì)效率與實(shí)用性，應(yīng)遵從總體規(guī)劃和局部重點(diǎn)設(shè)計(jì)相結(jié)合的方法，為重點(diǎn)區(qū)域提供更為經(jīng)濟(jì)合理的措施設(shè)計(jì)。

本研究從水土保持措施設(shè)計(jì)精細(xì)化角度，結(jié)合無人機(jī)技術(shù)，對(duì)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目復(fù)雜地形擾動(dòng)區(qū)域的投影面積和表面積獲取方法進(jìn)行研究，進(jìn)一步提高了水土保持措施設(shè)計(jì)精度，從而保障了工程的安全性、可行性和經(jīng)濟(jì)性，下一步應(yīng)就技術(shù)創(chuàng)新和跨學(xué)科應(yīng)用領(lǐng)域開展更深入的研究，為水土保持措施設(shè)計(jì)精細(xì)化提供多維度的技術(shù)支撐。