无人机遥感在水土保持领域的应用研究

胡玉杰，屈 创

(1.甘肃大禹节水集团水利水电工程有限责任公司，甘肃 酒泉 735000；2.黄河水利委员会 黄河上中游管理局，陕西 西安 710021)

我国是世界上水土流失最严重的国家之一，具有水土流失量大、面广、成因复杂、危害严重等特点。近年来随着高铁、高速公路、输气管线、风电等大量大中型开发建设项目陆续上马，开发建设过程中造成的人为水土流失量日益增加，给水土保持监测、监督管理工作提出了更高的要求。应对严重的水土流失，要在全国范围内开展国家水土保持生态综合治理工程，但如何加强水土保持监管和竣工验收存在较大困难。因此，科学利用新技术协助各级水行政主管部门履行监督管理职责，完成工程项目区和不同侵蚀类型区的水土流失动态监测，提出科学合理的水土流失综合治理管理体系，成为水土保持监督管理、监测部门的一项重要任务。

无人机遥感作为一种新型航空遥感手段，是卫星遥感与载人航空遥感的有力补充。通过无人机遥感可以完成水土流失成因、强度、影响范围及其防治成效等的实时动态监测，完成国家级或省级水土流失综合治理工程的过程检查、竣工验收和验收成果抽查，实现水土保持重点工程由传统粗放式管理到精细化、信息化管理模式的重要转变，完成生产建设项目全过程、全方位动态监管，有效防止生产过程中人为水土流失的发生。笔者结合工作实际，重点对无人机遥感在生产建设项目水土保持监测、监管，以及国家水土保持重点工程“图斑精细化”管理在建项目抽查和竣工验收项目抽查等方面的应用进行研究，希望能为水土保持相关工作开展提供借鉴。

1 无人机遥感系统特点及技术体系

1.1 无人机遥感系统特点

无人机遥感是利用先进的无人驾驶飞行器技术、遥感传感器技术、遥测遥控技术、无线电通信技术和GPS差分定位技术等实现自动化、智能化获取目标地物信息的应用技术，具有续航时间长、影像实时传输、高危地区探测、高分辨率、高性价比、机动灵活等优点。其作为传统卫星遥感与载人航空遥感的强有力补充，随着应用的不断深入，优势特点渐趋明晰。

(1)机动灵活。无人机遥感系统操作灵活、携带方便、连续作业能力强，对监测和监管区域、对象具有很强的针对性；无需专用起飞场地，可以随地起飞作业；具有系统化和自动化的数据处理模式，通过搭载集成了CCD相机和惯导系统的光电仓来获取可见光影像数据和对应的POS(经纬度)信息，经过内业处理，在数小时内便可以得到正射影像成果，真正实现“所见即所得”。

(2)成果丰富。基于无人机搭载的传感器、影像自动校正系统和GPS系统，自动获取地表航拍影像，最终生成地表数据信息。围绕水土保持应用，可得到现场各角度的高清照片、高清视频、数字正射影像(DOM)、数字表面模型(DSM)、数字线划模型(DLG)、数字化点云地图、数字三维模型和Google瓦片等数据成果，对应成果可达到厘米级，提高了水土保持相关数据的精度。

(3)无缝集成。在CAD和GIS软件中，可以将无人机遥感数字测绘成果与卫星遥感影像及其他地理信息数据实现无缝集成，并可以生产自带纹理信息的三维地表模型，实现面积、长度、体积、林草覆盖率、林草覆盖度等指标的提取。

(4)宏观易用。无人机通过调整航高来选择高空大面积监测或是低空小范围监测，也可以通过多架次对上万平方公里区域进行监测，提升监测信息的宏观性，为水土保持部门管理和决策提供帮助。

(5)成本较低。无人机遥感兼具卫星影像的价格和航空影像的快速采集优势，采用高性能自动处理技术，整体数据采集及处理费用不高，使用成本相对较低。

1.2 无人机遥感系统技术体系

1.2.1 数据获取

(1)航线规划。航线规划前，首先要查阅资料判定航拍区域是否在国家划定的禁飞区内，并对航拍区域进行实地踏勘；结合区域遥感影像和DEM(数字高程模型)，掌握整个区域的地形地貌、地形起伏度及相对高差等；根据项目区范围和数字成果精度要求进行航线规划，设置航线的飞行方向、飞行高度、相机角度、飞行的航向重叠度和旁向重叠度等参数，通常情况下，尽量保证航向重叠度大于70%、旁向重叠度大于50%(可根据实际情况调整)。

(2)地面控制点布设。如果对成果精度要求较高，可以布设地面控制点对成果进行校正，以此来提高影像的精度。地面控制点布设遵循“保证数量、均匀分布”原则，通常在项目区内均匀布设5～8个易于识别的彩色标志作为地面控制点，并使用差分GPS测得控制点的准确经纬度和高程信息。

(3)获取航空遥感数据。在无人机地面站系统中对规划的飞行任务进行检测，确保无人机及地面站系统各项指标信息正常且飞行任务规划合理无误后，再执行飞行计划，获取项目区多景航空遥感影像。

1.2.2 数据处理

使用Pix4 Dmapper软件对多景原始数据进行处理，生成DOM和DSM等成果。主要包括4个步骤：①原始数据准备。包括影像数据、POS数据及控制点数据，要确保原始数据的完整性，检查获取的影像中有没有质量不合格的相片，同时查看POS数据文件，检查航带变化处的相片号，防止POS数据中的相片号与影像数据相片号不对应。②建立数据处理项目。导入影像照片和POS数据，建立照片阵列，设置图像坐标系统和地理定位、方向等相关参数。③导入控制点文件。在有控制点和无控制点的条件下，都可基于原始静态照片重建三维模型，生成DOM或者DSM产品。④建立密集点云并进行全自动空三加密生成高精度的DEM和DOM成果。

1.2.3 信息提取

在地理信息系统软件中，基于DOM和DSM可以获取生产建设项目扰动面积范围、填挖方数量及各项水土保持措施数量等，结合生成的三维模型，可以判断生产建设活动是否超出水土保持方案确定的防治责任范围，以此来快速评价项目区的水土保持工作落实情况[1]；在国家水土保持重点工程在建项目抽查和竣工验收抽查中，通过对无人机DOM影像进行措施图斑解译，可以核实抽查图斑的现状措施与措施布局图(或措施变更图)、竣工验收图描述是否一致，措施规模(面积和数量)是否属实，措施质量是否合格等。无人机遥感系统水土保持应用技术流程见图1。

图1 无人机遥感系统水土保持应用技术流程

2 无人机遥感水土保持应用实践

2.1 生产建设项目水土保持监测

开展水土保持监测是《中华人民共和国水土保持法》的刚性要求，是生产建设单位必须承担的一项法律义务，由生产建设单位自行开展或委托第三方机构实施，与主体工程建设同步开展。生产建设活动通常具有占地面积大、扰动范围广的特点，尤其是线状项目，监测单位很难通过传统的巡查和踏勘的方式完成全部监测工作。无人机低空遥感因具备高精度、实时性和全面性的特点，成为生产建设项目水土保持监测新的技术手段。

生产建设项目水土保持监测重点关注的对象通常是亚米级的各类水土保持措施，而通过无人机获取的DOM和DSM空间分辨率通常可以达到厘米级，完全可以满足水土保持监测工作需求。基于高精度的DOM，采用地理信息系统空间分析和统计分析，可以获取目标对象的影像特征和空间分布特征[2-3]。具体监测内容和方法见表1。

表1 生产建设项目水土保持无人机监测内容和方法

通过无人机监测，水土保持监测单位可以协助建设单位积极落实水土保持“三同时”制度，及时解决监测中发现的重大水土流失问题，减轻或控制水土流失危害，完成水土流失防治任务，切实履行法定义务。

2.2 生产建设项目水土保持监管

2.2.1 生产建设项目水土保持监督性监测

生产建设项目水土保持监督性监测与生产建设单位开展的水土保持监测性质不同，它是由政府组织开展的生产建设项目水土保持监测工作，属于政府行为，具有权威性和公益性。监督性监测通过由政府授权专业监测机构开展监测和水行政主管部门实施政府购买监测技术服务两种形式，对生产建设项目水土保持方案实施情况进行过程监控，发现并制止水土保持违法违规行为，跟踪监测监督检查意见落实情况，为水土保持监督管理提供有效的技术支撑[4]。因此，监督性监测单位同样可以借助无人机遥感系统，对生产建设项目的水土流失防治责任范围，水土流失发生的面积、强度和数量，水土保持措施实施的进度和防治效果，以及是否发生水土保持违法行为等进行重点监测，通过对比水土保持方案确定的防治责任范围及措施布局，分析生产建设项目扰动状况的合规性，为生产建设项目水土保持监督执法提供数据支撑，为生产建设项目水土保持监测评价提供依据。

2.2.2 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”监管是综合应用国产高分辨率遥感影像、无人机遥感技术、野外移动信息采集终端等多种技术，开展生产建设项目水土流失防治责任范围、扰动地表情况、弃渣场数量与位置、水土保持措施落实情况等全方位监管[5]。需要现场采集的定量监管指标大概可以归纳为建设项目扰动土地情况、取土(石、料)场和弃土(石、渣)场的使用情况、施工过程造成的水土流失情况、水土保持措施落实情况[6]4个方面。相关监管指标无人机获取方法见表2。

2.3 国家水土保持重点工程“图斑精细化”管理

按照《全国水土保持信息化工作 2017—2018年实施计划》，各流域机构和省级水行政主管部门分工负责，以图斑为单元对重点工程实施精细化管理，完成在建项目核查和竣工验收项目抽查工作，重点核实抽查图斑的现状措施与措施布局图(或措施变更图)、竣工验收图描述是否一致，措施规模是否属实，措施质量是否合格等。无人机遥感系统机动灵活、实时全面的特点为重点工程在建项目核查和已竣工验收项目图斑抽查提供了强有力的技术支撑。将相关指标无人机获取方法汇总见表3。

2.4 在水土保持其他方面的应用

除上述水土保持监督和监测工作外，在以下水土保持工作中也可以使用无人机。

(1)小流域水土保持综合治理初步设计。国家水土保持小流域综合治理工程在项目实施前要完成初步设计，首先需要获取流域内的土地利用、林草植被覆盖度、坡度和土壤侵蚀类型和强度等基本情况。传统的方法是基于流域地形图、野外调查和统计资料获取流域背景资料，并在CAD等绘图软件中对各项水土保持措施进行设计出图。但一些流域缺少大比例尺地形图，无法准确地对各项措施进行空间布局，得到的设计图通常缺少经纬度等地理信息，导致无法对措施图斑进行空间定位和信息化管理，给后续措施图斑入库及“图斑精细化”管理带来了很多不便。针对这些情况，可以在设计前以卫星遥感影像、无人机遥感影像和地形图为基础，对项目区土地利用、水土保持措施、坡度和植被覆盖度等现状进行解译和计算[7]，按《水土保持工程设计规范》(GB 51018—2014)、《水利水电工程制图标准水土保持图》(SL 73.6—2015)的相关要求，利用 GIS 等相关软件，采用人机交互的方法绘制各项水土保持措施图斑，完成水土保持措施布局图，这样能保证各项措施类型和范围符合流域地形地貌，流域综合治理更加科学合理。无人机遥感技术的应用，避免了采用传统方法导致的初步设计编制基础材料不精确、防治措施布局不合理的情况。随着技术的进一步发展，无人机遥感将在典型小流域综合治理初步设计的基础调查中扮演更重要的角色。

(2)水土保持方案编制。线性生产建设项目(如铁路、公路、输油输气管道工程等)水土保持方案编制过程中通常会出现工程布局跨度大、线路长、地形地貌数据获取不足等问题。借助无人机遥感技术，能快速获得项目区大比例尺正射影像图和地形三维数据，并分析项目区的地形地貌特征，土壤侵蚀类型和强度特点，从而确定项目区取土(石、料)场、弃土(渣、石)场的位置，项目建设区的水土流失防治责任范围，实现水土保持分区设置和水土保持防治措施布局，指导项目建设过程中的水土保持工作。

表2 生产建设项目水土保持监管指标无人机获取方法

表3 国家水土保持重点工程“图斑精细化”管理指标无人机获取方法

(3)水土保持设施验收。对生产建设项目水土保持设施进行验收技术评估，可使用无人机遥感系统对项目重点区域的各项水土保持措施数量、面积、质量和保存情况，以及水土流失防治责任范围内的扰动土地整治率、水土流失总治理度和林草植被恢复率等六项防治指标是否达标进行抽查；对穿越无人区、山区的线性建设项目，可借助无人机对要求的各项防治措施落实情况进行远距离核查，并及时反馈核查结果，保证水保设施的核查率。利用无人机遥感技术，可以在很大程度上缩短验收评估时间，提高工作效率，避免人为因素的干扰，提高验收评估的标准与可靠性[8]。

(4)水土流失危害调查。典型的水土流失危害表现形式有滑坡、泥石流、沙尘暴、洪灾等，通常会造成重大经济损失和水土保持设施破坏等。通过无人机遥感系统和GIS空间分析等，可以快速准确地对灾害事件发生的地点、影响范围和受灾程度进行评估，同时对灾害的发展和演变进行预测和预警，为受灾区域人员疏散转移、防灾救灾等提供决策支持。

3 结论与讨论

无人机遥感作为一种新型的遥感平台，是卫星遥感和传统航空遥感的有力补充。因其具有机动灵活、受天气干扰小、高分辨率及三维建模的独特优势，目前已应用于水土保持监测、水土保持监管及水土保持方案编制和设施验收评估等方面，能满足水土保持相关数据动态、准确、及时获取的需求，弥补了传统野外调查方法劳力费时的缺陷，增强了水土保持工作的预见性、计划性和目的性，成为一种新的水土保持监测和监管手段。同时，随着硬件设备的不断更新优化，遥测技术、信息技术等相关软件技术的进一步发展，无人机遥感系统的智能化优势越发凸显，有利于促使“空、天、地”一体化在水土保持各领域发挥更为重要的作用。