遥感系统在坡耕地水土保持监测中的研发与应用

陈 亮

(新民市水土保持监督管理处，辽宁 新民 110300)



遥感系统在坡耕地水土保持监测中的研发与应用

陈 亮

(新民市水土保持监督管理处，辽宁 新民 110300)

基于现代水土流失监测技术对时效性、针对性、系统性要求逐步提高，无人机遥感技术作为新兴技术在水利等工程中不断被推广运用，并逐渐成为水土流失治理中的关键技术之一。文章通过构建无人机遥感系统，研发了系统的组成情况，分析了系统的功能提出了无人机航测数据处理流程，结合实际调研及其航拍情况，展示了湖北省红安县和福建省安溪县的实际航拍及其模拟云图，并对无人机遥感系统的推广应用进行深入分析，极大地促进了无人机遥感系统的快速生产和积极推广应用，对我国水土流失治理工作具有重要的导向作用。

无人机遥感系统；水土保持；坡耕地；调研研发；推广应用

目前我国水土流失形势日益恶化，并逐步发生生态破坏、土地肥力退化、泥沙滩涂等大面积堆积等一系列链式问题，对人类社会生存发展造成严重的威胁[1]。然而，传统监测方法以人工调查方式为主，造成水土监测工期和时间上的极大浪费，而且监测范围小、信息误差大，难以对大范围区域进行定量监测[2]。科技的发展带来了遥感技术等新技术、新方法，其适用性、运用水平也在不断地提高，通过遥感技术进行水土保持监测能够克服传统监测方法存在的缺陷，通过遥感影像解译，制作DEM模拟分析图，从而实现水土保持实时监测等，成为目前针对大范围区域进行水土保持监测的主要方法[3-4]。

正因为如此，无人机遥感技术逐渐被广泛运用到各个领域中，解决诸多调查中无法实现的难题，一方面大大减小工作量，提高工程施工效率，另一方面能够准确、及时、高效、全面的解决水土流失治理过程中信息采集、动态掌握等难题，保证水土保持工作的高效进行[5-6]。

本文基于北京地拓科技发展有限公司所研发的无人机为背景依托，构建并分析无人机遥感系统的研发及其组成情况，提出无人机航测数据处理流程，并对系统的功能进行客观分析，结合实际调研及其航拍情况对无人机遥感系统进行了全面深入的研究和介绍，结合湖北省红安县和福建省安溪县的实际调研情况，进行无人机遥感系统成果展示，对无人机遥感系统在其他领域中的应用进行详细的研究，对无人机遥感系统的迅速投入市场生产和应用具有重要推广作用。

1 无人机遥感系统研发

1.1 系统组成概况

无人机遥感系统主要包括4部分：动能系统、操作系统、遥感及地面控制系统，四大系统相互有机结合，控制无人机的航拍范围和使用情况。无人机研发及其实物见图1所示。

1)动能系统

动能系统即无人机机身，该系统能够提供无人机起落、升降、悬停等机械动力。其中，根据机体大小机身材质分为3类：①泡沫塑料；②塑料合成材料；③碳纤维，材料不同，性能和参数也不尽相同。机身具有一定的载荷能力，便于飞行控制系统和遥感系统的安装[7]。

2)无人机操作系统

无人机操作系统可实现无人机空中作业工作，该工作有操作人员通过遥控装置进行控制，其中，遥控模块分为：飞行方位传感器、飞行控制器、飞行负载平台、飞行稳定控制器、航测导航系统及其遥控信号收发器6大部分组成，模块与动能系统相互成一整体，完成无人机飞行自动调整和接受地面指令，自动定位，采集信息及其数据回传等航测工作[8]。

图1 无人机

3)遥感系统

遥感系统包括机载传感器，即：数码相机、热红外传感器、无人机搭载操控传感器等装置，可实现航测拍摄等的获取、保存和回传等工作。

4)地面控制系统

地面控制系统包括4大部分：无线遥控系统、无人机交互通信系统、计算机监控系统和软件监控系统等，能够实现无人机航测航线规划，航迹航向设定，分解规划飞行任务，优化遥感系统参数等任务，通过遥、监控系统和装置能够保证无人机的飞行稳定、航线规划、航测任务圆满完成，起到监测和调控的作用。

1.2 无人机遥感系统功能

无人机遥感系统具有以下7大功能：

1)实现现场检查/验收数据本地存储，方便现场检查/验收信息查阅。

2)方便现场查阅项目基本信息。

3)实现项目实施范围的精准定位。

4)实现措施图斑位置与属性关联显示。

5)方便现场监督检查/验收信息的记录和汇总，现场拍照、录音、录像，记录与地理坐标关联，无人机航测数据处理流程图见图2所示。

6)实现现场检查/验收关键指标目标与实施情况对比，提高现场监督管理工作的效率和质量，为项目监管提供佐证。

7)智能查询记录信息，实现移动端与管理系统数据共享，资源互通。

图2 无人机航测数据处理流程图

1.3 系统研发及其应用界面

通过北京地拓科技发展公司进行研发，其系统研发流程情况如图3-图7所示。

2 坡耕地水土保持监测调研

2016年5月，该公司配合水土保持监测中心开展水利部坡耕地水土流失综合治理工程调研工作；外业系统现场浏览项目信息、定位、查看、记录、拍照、录音、录像、量测，无人机飞行拍照、录像、数据拼接以及召开座谈会等方式进行项目调研。

前期准备：确定调研省区典型县后，我公司将典型县2011-2015年度入库信息及现状高分遥感影像导入移动终端，供现场抽查使用。

5月21日-31日，我公司配合五个调研组开展调研，调研范围覆盖全部22个坡改梯省区，重点对2013-2015年度工程实施情况进行调研，兼顾2011-2012年工程实施情况。

图3 项目实施情况对比

图4 新建记录及其对应情况

图6 智能查询研发

图7 长度和面积量算情况

3 无人机遥感系统应用成果及其反馈

3.1 坡耕地水土保持监测成果

如图9(a)和(b)所示为湖北省红安县和福建省安溪县调研成果。

图9 无人机遥感技术监测成像与DEM模拟图

3.2 无人机遥感系统应用反馈

1)国家重点工程评估调研采用大疆精灵4无人机，调研期间，无人机表现出色，性能稳定。

2)通过无人机拍摄视频、照片判断水土保持工程实施效果。

3)通过航线规划后拼接成调研区正射影像，可以直接用于水土保持工程面积复核。

4)三维重建调研区，可以直接用于调研区水土保持工程效果展示。

5)建立DEM，可用于调研区下一步水土保持工程措施修复、验收管理、以及下一年度项目规划提供数据支撑。

4 无人机遥感系统推广应用

4.1 无人机遥感在水域动态监测中的应用

经济的发展、人口的剧增，带来了我国水资源供需关系日益恶化，水资源紧缺与污染已成为当下亟待解决的问题之一。但是，限于水土监测技术的落后、水土保持意思淡薄等因素影响，我国许多河流水域面积、分布、走势、水量变化等更新速度慢，资料落后，依然满足不了社会和经济现代化发展的需要。

无人机遥感系统的研发可以针对已有水域进行动态监测，及时更新调研成果，对水域权属界线、水域面积、水域利用、水域干支流分布等进行系统更新，并根据数据采集和图形编辑，与数值模拟软件进行结合，确定某一针对水域的动态监测面积、类型、分布、权属、利用情况等，并通过互联网技术，实现“县—区—市—省”等水域的监测数据共享和管理[9]，及时掌握水域动态情况。

另一方面，无人机遥感系统还能够监测非法水域占用、河道改道、流域发展等情况，为预测河道发展趋势提供保证，为水域占用执法提供数据支撑。

4.2 无人机遥感在滩涂资源动态监测中的应用

无人机遥感系统直观高效、实时快速、动态适用、移动性强等，对于地表信息难以识别、难以捕捉等具有独特的优势。无人机遥感系统与卫星遥感技术相比较：①前者能够定点、定时获取研究区域遥感影像；①机动性强，在飞行条件允许的条件下，可以获得滩涂准确遥感影像；③提供围垦数据分析和技术依据；④高效动态监测，数据信息时效性强。

4.3 无人机遥感在其他水利工程中的应用

无人机遥感系统具有实施效率高、分辨率高、采集和处理数据快等优点，在水利工程建设、设计、施工和管理运行等方面具有特殊作用，并且在水利工程建设环境影响分析评价方面具有较好的数据支持作用。

此外，该系统还能对与水利工程建设导致的土地植被变化、水土淹没范围、水库大坝淤积、土地沙漠化和土地盐渍化等方面进行实时动态监测，为工程生态环境提供的科学数据和决策支撑，具有重要作用和显著的导向作用。

5 结 语

无人机遥感技术作为新兴技术在水利等工程中不断被推广运用，并产生了显著的经济技术和社会效益。本文构建并分析了无人机遥感系统的研发及其组成情况，提出了无人机航测数据处理流程，并对系统的功能进行了客观分析，结合实际调研及其航拍情况深入研究了无人机遥感系统，给出了湖北省红安县和福建省安溪县的实际航拍及其模拟云图展示，分析了无人机遥感系统在其他领域中的推广应用情况，极大地促进了无人机遥感系统的市场生产和推广应用，对我国水土保持工作具有一定的指导和启发作用。

[1]李国杰.对无人机遥感技术在土地执法工作中应用的研究[J].航空航天科学技术,2016(16): 009-014.

[2]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[J].中国水土保持科学,2015,13(04):109-114.

[3]文雄飞，张 穗，张 煜.无人机倾斜摄影辅助遥感技术在水土保持动态监测中的应用潜力分析[J].长江科学院院报,2016,33(11):93-98.

[4]李德仁，李明.无人机遥感系统的研究进展与应用前景[J].武汉大学学报：信息科学版,2014(105):505-513.

[5]史源，魏志斌，白美健.无人机遥感技术在灌区信息化建设中的应用探讨[J].中国水利,2016(09):43-44.

[6]王志良,付贵增,韦立伟.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[J].中国水土保持科学,2015,13(04):109-113.

[7]牛君瑜,孙超江.无人机技术在水利领域应用的探讨[J].河海水利,2013(05):55-58.

[8]姜德文.高分遥感和无人机技术在水土保持监管中的应用[J].水利信息化,2013(16):45-49.

[9]陈知送.浅谈无人机等先进技术在水土保持设施验收技术评估中的应用[J].广东水利水电,2016(02):43-46.

[10]刘军,王鹤,王秋玲.无人机遥感技术在露天矿边坡测绘中的应用[J].红外与激光工程,2016,45(S1):1-4.

1007-7596(2017)03-0141-04

2017-02-24

陈亮(1981-),男，辽宁新民人，工程师，研究方向水土流失治理。

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