无人机在生产建设项目水土保持“天地一体化”监管中的应用

曾麦脉，赵 院，李万能，张广分，赵 敏

(1.珠江水利科学研究院，广东 广州 510611； 2.水利部 水土保持监测中心，北京 100053)



无人机在生产建设项目水土保持“天地一体化”监管中的应用

曾麦脉1，赵 院2，李万能1，张广分1，赵 敏1

(1.珠江水利科学研究院，广东 广州 510611； 2.水利部 水土保持监测中心，北京 100053)

生产建设项目；水土保持信息提取；无人机航拍；倾斜摄影测量

对重点项目的精细化监管是实现生产建设项目水土保持“天地一体化”监管的重要组成部分。无人机摄影测量技术可以快速获取生产建设项目扰动土地情况，取土(石、料)场、弃土(石、渣)场情况，水土流失情况，水土保持措施情况等相关现场监管信息，与传统方法相比在客观性、直观性、工作效率、全局性等方面具有明显优势，是一种理想的非接触式高效监测手段，可以很好地服务于生产建设项目水土保持“天地一体化”监管。

生产建设项目水土保持“天地一体化”监管工作主要采用多种分辨率遥感影像调查与现场复核相结合的手段，对生产建设项目的扰动合规性以及重点项目的水土保持工作实施情况进行监督管理。其中，扰动合规性及部分水土保持措施信息，可以从遥感影像中获取；扰动合规性的复核以及更精细的与空间信息相关的监管指标，需要通过现场调查、测绘等手段获取。但是，传统的地面调查和测绘技术存在现场操作复杂度高、工作量大等劣势。而无人机具有高空全局性视角和机动灵活性，通过无人机航拍，可以获得项目区的高分辨率影像、三维实景数据、数字表面模型等数据[1]，再通过信息的内业提取，可以快速获取水土保持监督监测所关注的扰动土地、弃渣场、水土流失、水土保持措施中的多种定量化指标，服务于重点生产建设项目水土保持情况的监管。

1 生产建设项目水土保持监管指标需求与无人机信息获取方法

参照《水利部流域管理机构生产建设项目水土保持监督检查办法(试行)》《生产建设项目水土保持监测规程(试行)》，以及各级水行政主管部门日常监管工作的要求，生产建设项目水土保持监管内容主要包括：水土保持工作组织管理情况；水土保持补偿费缴纳情况；水土保持方案变更、水土保持措施重大变更审批情况，水土保持后续设计情况；表土剥离、保存和利用情况；取、弃土(包括渣、石、沙、矸石、尾矿等)场选址及防护情况；水土保持措施落实情况；水土保持监测监理情况；历次检查整改落实情况；水土保持单位工程验收和自查初验情况；水土保持设施验收情况等。其中，需采集现场信息的监管内容主要包括扰动土地情况，取土(石、料)场、弃土(石、渣)场情况，水土流失情况，水土保持措施情况等。

结合无人机航拍的数据成果，将与现场信息相关的监管指标和基于无人机的指标信息获取方法归纳如表1。表1中，除土壤流失量需要根据出口观测得到、开(完)工日期需要查询资料得到外，其他各项监测指标都可以通过无人机快速获取。无人机获取指标的方式可以归纳为三类：Ⅰ.人机交互勾绘或面向对象分类。以高清影像为底图勾绘图斑，获取实际扰动、取土(石、料)场、弃土(石、渣)场、水保措施的位置、范围、尺寸、面积等。Ⅱ.目视观察。从高清正射影像、三维实景模型目视观察得到渣场类型、水土流失情况、水保措施等信息。Ⅲ.DSM(数字地表模型)计算。利用两期DSM执行挖填方分析可以得到体积指标，用以监测堆渣方量、表土剥离体积、潜在土壤流失量等。此外，从DSM可以计算坡度、量取坡长，用以监测临时堆放场、弃渣场、高边坡等情况。

相对于传统基于GPS和全站仪的地面测绘方法，本方法的效率更高，数据成果更加直观，并且不易受现场条件的限制，也避免了和施工现场的相互干扰。

2 无人机航摄与信息提取流程

无人机摄影测量主要参照GB/T 18316—2008《数字测绘成果质量检查与验收》、CH/Z 3003—2010《低空数字航空摄影测量内业规范》、CH/Z 3004—2010《低空数字航空摄影测量外业规范》、CH/Z 3005—2010《低空数字航空摄影规范》等相关规范执行。无人机生产建设项目水土保持监管工作流程见图1。

表1 生产建设项目水土保持监管指标与无人机信息获取方法归纳

注：①整治方式指硬化、土地整治、植物措施等；②弃渣特点指沟道弃渣场、坡面弃渣场、平地弃渣场、填洼(塘)弃渣场；③土壤流失量指输出项目建设区的土、石、沙数量；④取土(石、料)弃土(石、渣)潜在土壤流失量指项目建设区内未实施防护措施，或者未按水土保持方案实施且未履行变更手续的取土(石、料)弃土(石、渣)数量；⑤水土流失危害指项目建设引起的基础设施和民用设施的损毁、水库淤积、河道阻塞、滑坡、泥石流等危害。

第一阶段是航摄与数据生成。首先，根据项目区的情况进行航拍设计，按需求的比例尺确定航高、重叠率，结合现场地形设计测区；然后，实施外业航拍，航拍之前需按规范进行相机检校；之后，根据相应比例尺要求的密度，测量地面控制点；最后，生成三维模型数据和所需比例尺的DSM、DOM[2-3]。

图1 无人机航拍与信息提取工作流程

第二阶段是信息提取。采用人机交互勾绘或面向对象分类、目视观察、DSM计算等方式，获取所需的监管指标[4-5]。

3 应用实例

3.1 渣场实例

3.1.1 渣场基本情况

某大型渣场，弃渣来源主要为工程开挖的土石方，设计堆渣2 922.37万m3；原始地表土地利用类型主要为水塘、草地，以及少量农田和村庄，地形地貌特征为洼地。

3.1.2 试验方法

采用DJI Phantom 3 Advanced小型多旋翼无人机进行GPS辅助航摄。其搭载的航拍相机的传感器为1/2.3英寸SONY EXMOR，光圈f/2.8(20 mm等效焦距)，照片像素分辨率4 000×3 000，100 m高度时拍摄分辨率最高可达到4.33 cm[6]，可以制作1∶500比例尺成果。

2016年3月和7月对弃渣场开展了两次作业，并进行内业数据处理，获取了两期的实景三维模型和1∶500比例尺正射影像、DSM数据，提取出渣场的位置、范围及面积、弃渣量、弃渣类型与特点、水土保持措施及存在的问题和水土流失隐患等信息。

3.1.3 结果分析

(1)位置、范围与面积。通过图2(a)(b)影像叠加设计图可看出，该渣场弃渣位于设计弃渣位置，还未到达设计边界；利用影像勾绘渣场边界得出7月已弃渣面积70.40 hm2，与3月相比新增弃渣面积14.87 hm2。

图2 某渣场DOM与三维信息提取

(2)弃渣量。利用2016年3月和7月两期DSM进行差值分析得到新增弃渣量19万m3，见图3(a)～(c)；用同样的方法与设计时的地形数据进行挖填方计算，得到总弃渣量1 005万m3。

(3)弃渣类型与特点。通过高清影像整体观察得出，弃渣类型多数为土质，夹杂少量碎石；通过图2(e)三维模型判断，弃渣特点为填洼(塘)弃渣场。从图3(d)可知，渣场整体平整，30°以上的坡度在边缘和中心呈环状分布，采用了分级堆放的方式降低整体坡度，从图2(d)可知，填平区以上典型堆渣高度为10 m。

(4)水土保持措施及水土流失隐患。通过高清影像和三维模型目视解译，尚未发现水土保持措施。从图2(c)(e)可知，渣场北部弃渣已经靠近村庄，距离最近的房屋只有40 m，需引起高度重视，应尽快实施红线内拆迁和渣场水保措施。

3.2 项目区实例

3.2.1 项目区基本情况

某汽车研发中心的新建厂区，面积39.53 hm2，厂区内地块平整，由跑道、办公区及车间、停车场等区域构成，周边大部分为挖方边坡，设计为框架梁护坡形式。

3.2.2 试验方法

采用DJI Phantom 3 Advanced小型多旋翼无人机进行GPS辅助航摄，之后进行内业数据处理，获取项目区实景三维模型和1∶500比例尺正射影像、DSM数据。通过无人机航拍影像与设计资料的叠加，确定项目区范围和防治责任面积，在此基础上，划分项目区的各类扰动地块,提取各种水土保持措施，获得相关的定量指标，如图4所示。

图4 某建设项目区水土保持信息提取

3.2.3 结果分析

(1)扰动土地情况。实际扰动大部分控制在防治责任范围以内，但是东北部超出防治责任范围1.19 hm2。项目区主要由边坡防护区、硬化及已建成建筑区、绿化区、裸露地表区构成，面积分别为4.23、15.56、2.77、16.97 hm2，分别占项目区总面积的11%、39%、7%和43%，其中绿化区林草植被覆盖率达到了85%以上，土壤流失面积主要为裸露地表区和东北部尚未开展边坡防护的裸露区，共计19.18 hm2。

(2)水土保持措施。项目区边缘大部分边坡开展了框架梁边坡防护工程，植被覆盖率达到了70%以上，总面积42 320 m2，但是东北部的修坡尚未开展，无植被覆盖；水土保持工程措施主要实施了浆砌石排水沟8 296 m、边坡截水沟1 652 m，完成率100%；水土保持植物措施包括绿化区栽植的乔灌木、铺植的草皮等，共计27 699 m2，完成率40%，以及边坡防护区喷播的草灌，共计29 624 m2，完成率70%。

(3)水土流失危害。项目区西面和北面环山，为挖方边坡，大部分实施了框架梁护坡和植物措施，水土流失危害小；东北部裸露边坡的水土流失风险较大，需尽快采取防护措施；西南部与居民区相邻，但是该区域地势平整，中间大部分已布设植物措施，对居民区的影响较小。项目区内土地平整，对外界造成水土流失危害的风险较小。

4 结 论

综上所述，通过无人机航拍的手段，可以获取大部分生产建设项目水土保持监管的现场技术指标。该技术手段与传统现场调查和测量方式相比，具有明显的优势：①无人机航拍形成的影像数据可为现场监管取证提供客观、全面的依据；②现场信息采集效率高、成本低；③可从三维实景模型角度整体观察项目区域情况，发现水土流失隐患和风险；④操作简单，不易受施工现场及复杂环境影响。因此，该技术手段是一种理想的非接触式高效监测手段。

该技术手段可以推广应用到水土保持设计、监测、评估等各项业务中。后期可以研究无人机航摄技术手段在水土保持行业应用的规范，以促进其普及应用。

[1] 李安福,曾政祥,吴晓明.浅析国内倾斜摄影技术的发展[J].测绘与空间地理信息,2014,37(9):57-62.

[2] 曲林,冯洋,支玲美,等.基于无人机倾斜摄影数据的实景三维建模研究[J].测绘与空间地理信息,2015,38(3):38-43.

[3] 王卿,郭增长,李豪,等.多角度倾斜摄影系统三维量测方法研究[J].测绘工程,2014,23(3):10-14.

[4] 松辽水利委员会松辽流域水土保持监测中心站.无人机遥测技术在水土保持监管中的应用[J].中国水土保持,2015(9):73-76.

[5] 王志良,付贵增,韦立伟,等.无人机低空遥感技术在线状工程水土保持监测中的应用探讨——以新建重庆至万州铁路为例[J].中国水土保持科学,2015,13(4):109-113.

[6] 王宗辉.航空摄影测量技术的应用研究[J].价值工程,2014(30):235-236.

(责任编辑 徐素霞)

水利部科技推广项目；水利部预算项目(SF-201606)；水利部综合事业局拔尖人才培养专项资金研究项目(20150608-01)

S157；P231

A

1000-0941(2016)11-0028-04

曾麦脉(1983—)，男，湖北宜都市人，工程师，博士，主要研究遥感、地理信息系统技术在水土保持中的应用。

2016-09-17