無人機技術在水土保持監測中的實踐與思考
——以某水利工程樞紐除險加固為例

陳 宇，魏玉濤，楊泳鵬，王澤祥

（1.海河水利委員會海河流域水土保持監測中心站，天津 300170；2.漳衛南運河管理局防汛機動搶險隊，山東 德州 253011；3.漳衛南運河四女寺樞紐工程管理局，山東 德州 253315）

隨著生產建設項目水土保持監管的加強，水土保持監測成為反映水土保持工作落實的重中之重，全面、客觀、準確、及時的監測數據為水土保持管理和監管提供了最直接的標尺和抓手。無人機技術是以無人機為空中平臺，獲取地面影像數據，利用三維建模等軟件對數據進行處理、分析和提取地物信息，并按照一定精度要求制作成圖像的綜合技術。通過無人機技術獲取生產建設項目的施工進展情況、擾動范圍、水土流失防治情況等水土保持相關長度、面積和體積數據[1-3]，有效地解決了水土保持監測工作中“到不了、看不全、效率低、精度差”的問題[4]，同時滿足了建設單位和水行政主管部門對監測數據準確性、完整性和及時性的要求[5]，也大大提升了水土保持監測工作的效率和精度[6]。本文以某水利樞紐除險加固工程水土保持監測為例，通過在工程建設全過程使用無人機技術開展監測，總結了無人機技術在生產建設項目水土保持監測工作過程中的經驗和關鍵，并對存在的問題進行分析和梳理，以期為生產建設項目水土保持監測、管理和監督提供參考。

1 工程概況

該水利樞紐位于兩省三縣（區）交界處，是重要的防洪控制樞紐，是一座具有防洪、排澇、灌溉等綜合利用功能的大型水閘。工程地處半濕潤半干旱地區，土壤類型為潮土；冬季干冷降雨不多，夏季濕熱降雨集中，多雷雨大風，多年平均降水量565.9 mm；植被類型為暖溫帶落葉闊葉林。該水利樞紐除險加固工程涉及主體工程區、閘管區、取土場區、棄渣場區、交通道路區和施工生產生活區6 個水土保持分區，工程建設具有周期短、施工擾動變化快和涉及水域等特點。

本工程水土保持監測時間自施工準備期開始至自然恢復期結束，重點和難點為工程擾動占地面積、土石方量、棄土渣量和植物措施量的監測。監測期間，每季度利用無人機進行航飛監測2～3 次，獲取工程建設全過程的三維建模、DOM（數字正射影像，下同）等影像數據，分析提取工程建設占地面積、擾動地表面積變化、土石方及棄方變化和水土保持措施實施情況等水土保持相關數據和指標，在此基礎上針對現場水土保持情況提出相關完善和落實建議，并完成水土保持監測成果的計算分析和編報任務。利用無人機技術可以獲取各水土保持監測分區的主要監測數據，詳見表1。

表1 無人機技術可以獲取的各水土保持監測分區的主要監測數據情況

施工準備期三維模型如圖1 所示，自然恢復期三維模型如圖2所示。

圖1 施工準備期三維模型

圖2 自然恢復期三維模型

2 無人機技術監測工作開展

2.1 直觀查看工程進度

利用無人機對工程各監測分區進行航飛，獲取工程建設區域多角度的照片和視頻，全面直觀查看工程的施工進度和各項水土保持措施的落實情況，全方位記錄工程進展。在該工程水土保持監測過程中，及時為建設單位提供全方位的無人機航拍影像資料，為工程進度管理和水土保持措施實施尤其是臨時措施的實施和完善提供了充分的依據。

2.2 準確獲取監測數據

通過三維建模軟件對航拍照片進行處理，生成三維模型、DOM等，可直接量測或利用ArcGIS軟件提取各水土保持監測分區的土地擾動面積、開挖填方量和已實施水土保持工程措施、植物措施、臨時措施種類和數量。根據批復的水土保持方案中水土流失防治責任范圍和水土保持措施設計情況，分別建立相應的圖層進行疊加分析，判斷施工擾動是否超防治責任范圍[7]、水土保持措施體系是否完善、數量和標準是否符合設計要求，并進行水土流失防治六項指標計算等。相比較傳統的水土保持監測，無人機技術的應用提高了監測數據獲取的自主性，減少了對施工單位和建設單位的依賴。在該工程監測過程中，由于前期方案設計處于可行性研究階段，取土場需要進行變更，充分利用無人機技術對取土場變更位置和范圍進行了測量和記錄，不僅全面記錄了防治責任范圍的變化，而且為取土場變更和面積確認提供了數據和技術支撐。

2.3 明確季度變化情況

水土保持監測單位每季度須向建設單位和水行政主管部門報送監測季度報告表，而其需要客觀、真實的數據進行支撐。無人機技術的應用充分滿足了這一需求。通過對提取的數據進而對工程的進度和水土保持措施落實情況進行詳細的分析對比，可以計算出季度報告中所需要的數據。在該工程水土保持監測過程中，季度報告中擾動面積、水土保持措施數量類型和土石方等數據均來自于無人機技術處理提取的數據和計算的結果，客觀、真實地反映了各階段工程的變化情況。

2.4 溯源監測數據，監測建議更具針對性

該工程監測過程中，全過程應用無人機技術，記錄了工程從施工準備到自然恢復期的全過程各個關鍵節點的照片、視頻和三維實景模型，做到了監測數據可溯源、痕跡化管理。由于通過三維實景模型和無人機影像可以無死角地發現水土保持措施落實短板，及時在過程中發現水土保持措施落實不到位和不及時的情況，所以依此提出的建議更具針對性，并讓問題得到及時的整改和落實，把問題解決在現場和過程中，為后續水土保持設施自主驗收打下了良好的基礎。

3 全面發揮無人機技術監測優勢

3.1 原始地貌航飛是前提

全面發揮無人機技術監測優勢的前提是對工程建設的原始地貌進行航飛。在施工準備期及時對工程建設區域尤其是水土流失防治責任范圍進行航飛，獲取工程建設前原始地貌資料的影像資料、高精度三維實景模型和DOM。并根據批復的水土保持方案，把防治責任范圍、水土保持措施工程量和類型矢量化，為后續水土保持數據對比分析奠定基礎。

3.2 全區域航飛是基礎

全面發揮無人機技術監測優勢的基礎是對工程建設全區域航飛。根據工程施工進度和關鍵節點，結合監測工作需要對監測各個分區全區域進行航飛，獲取該時間節點影像資料、高精度三維實景模型和DOM，獲取工程建設的施工擾動和水土保持措施落實情況以及相關水土保持數據，及時掌握工程水土保持情況，發現存在的問題，并有針對性地提出改進和完善建議。

3.3 三維實景建模是抓手

全面發揮無人機技術監測優勢的抓手是對工程建設區域進行三維實景建模。三維實景模型可以準確、全面、直觀地呈現工程水土保持現狀，獲取水土保持監測各個分區的擾動面積、水土保持措施實施數量和類型以及其他相關的長度、面積、體積等信息。同時，三維實景模型可任意縮放、360°旋轉，從不同高度、不同角度查看瀏覽工程現場水土保持具體情況并可進行實時量測，不用到達現場也可全方位了解現場的全貌和具體細節，從空間和時間維度對工程水土保持情況進行解析，為水土保持監測工作提供強有力的技術和數據支撐。

4 存在的問題與建議

4.1 特殊區域數據確定

由于無人機航飛無法對特殊區域如水面下方、林下區域進行拍攝，特殊區域的土地擾動情況、水土保持措施數量和類型無法通過無人機技術直接提取獲得。因此，需要結合獲取的原始地貌高精度三維模型，在前期水土保持工作開展時，對該區域進行定位和劃分，并根據實地查勘和監測情況進行數據的補充測量和確定。

4.2 重復性水土保持措施工程量確定

由于天氣因素的影響，臨時苫蓋的密目網不可避免地會遭到損壞，需要重新苫蓋；而撒播的草籽由于成活率或者施工擾動等情況影響，需要進行重新撒播草籽。這類重復性的水土保持措施，一般情況下很難通過無人機獲取的影像或三維模型進行量算獲取。因此，在該工程監測過程中，對于臨時苫蓋、撒播草籽等重復性的水土保持措施需根據現場監測和實地調查進行統計和匯總確定。

4.3 植物措施類型及規格獲取

受三維建模軟件技術條件限制，對喬木和灌木等植物措施的模型還原一直是個難題。在三維模型中可直接量測植物措施的面積和數量，但很難判斷出栽植的喬灌草的種類和規格。因此，對于植物措施的種類和規格，需要結合現場監測和實地調查情況獲取，并賦予到矢量圖層屬性中。

4.4 土壤侵蝕模數確定

土壤侵蝕量計算是生產建設項目水土保持監測工作的重點和難點[8]。利用無人機技術無法直接提取出工程各個水土保持監測分區的土壤侵蝕量，但可利用生成的DOM 間接計算。利用ArcGIS 在DOM上提取各個水土保持監測分區的建筑物、硬化和工程措施的面積，把這些區域土壤侵蝕模數定為0；其他區域根據坡度和植被蓋度，結合《土壤侵蝕分類分級標準》等確定侵蝕模數，在此基礎上根據面積權重計算各個分區的土壤侵蝕量。

4.5 無人機數據使用

目前，在生產建設項目水土保持監測工作中明確要求使用無人機、衛星遙感等技術手段開展監測，無人機技術在水土保持監測工作中發揮了越來越重要的作用。無人機技術采集越來越多的照片、視頻和三維模型等數據，積累了大量的無人機成果數據，怎么把有時序有變化的這些數據充分利用起來，為水土保持監測、驗收和水行政主管部門監管服務成為水土保持工作中受到關注的問題。建議由水行政主管部門建立統一的在線監管平臺，監測單位把獲取的無人機數據作為成果報告報送的內容上傳到監管平臺，開發數據對比分析和數據提取等功能，統一無人機數據成果標準，為生產建設項目水土保持工作提供技術和數據支撐。

5 結語

把無人機技術引入生產建設項目水土保持監測工作中，可以大大提高工作效率和精度；同時，建成全過程的電子數據檔案和三維實景模型，可以直觀、準確地反映工程水土保持現狀，并能定量獲取水土保持相關數據和指標，為水土保持監測工作提供技術支撐。但也存在著無人機技術難以獲取的水土保持監測數據，仍需通過現場查勘或調查來完善和補充。通過以上實踐思考，總結了無人機技術在生產建設項目水土保持監測中的優點和不足，嘗試性地提出了有關問題的解決思路，以期隨著無人機設備的更新、傳感器設備種類的增加、建模軟件和相關數據挖掘、分析軟件的更加智能與便捷為水土保持監測工作提供更加科學的支撐。