无人机低空遥测技术在水土保持监测中的应用研究

倪用鑫，吕锡芝，杨 二，鲍宏喆

(1.黄河水利委员会 黄河水利科学研究院，河南 郑州450003；2.河海大学，江苏 南京 210098)

进入新世纪以来，水利部先后以水保〔2009〕187号文、办水保〔2015〕139号文、水保监便字〔2015〕72号文和水保〔2016〕37号文要求对生产建设项目开展遥感监测。随着生产建设项目水土保持“天地一体化”监管的逐步推动，遥感监测在生产建设项目水土保持监测中的地位日益凸显。利用无人机低空遥测技术对生产建设项目进行水土保持监测，是实现项目区域水土流失防治的有效手段，很好地弥补了传统监测手段周期长、精度有限、受地形限制等不足[1]，同时满足了生产建设项目水土保持监测准确性、及时性和完整性的要求[2]，成为生产建设项目水土保持监测新的技术手段。在上述研究背景下，本研究在前期调研的基础上，利用无人机低空遥测技术对连霍高速公路洛阳至三门峡(豫陕界)段改扩建工程弃渣场项目进行水土保持监测，分别引入Pix4Dmapper、PhotoScan和Pixel-Mosaic软件对监测影像进行处理，以获取各项水土保持监测指标，探讨无人机低空遥测技术在水土保持监测工作中的实际应用情况。

1 无人机低空遥感监测技术

无人机低空遥感监测技术应用在水土保持监测工作中，主要是利用无人机在目标区域内飞行并航拍获取低空范围内的地面影像数据，以遥感技术进行数据传输，结合配备的后台处理软件完成数据处理和分析建模，进而完成相应的数据分析对比工作。无人机低空遥感监测能够实时获取项目区影像，且影像分辨率高，通过后期影像拼接处理，可以直接提取工程的进展情况、水土流失防治情况，以及监测所需的长度和面积数据，可以分析不同施工阶段的无人机低空遥感监测数据，间接计算监测所需的体积数据[3]，作为水土保持监测季度报告和总结报告编制的基础依据。此外，还可以通过CAD、GIS等软件制图，制作水土流失防治责任范围图、扰动土地面积图、水土保持措施分布图、林草覆盖面积图等监测成果图件[4]，提高水土保持监测实施的效率和自动化程度。

2 应用实例

以连霍高速公路洛阳至三门峡(豫陕界)段改扩建工程弃渣场项目为研究对象，该弃渣场位于陕县张茅乡丁家庄村张矛隧道进口主线右侧100 m处，弃渣类型为沟头弃渣，后期恢复利用情况为复耕。根据《水利水电工程水土保持技术规范》(SL 575—2012)中的水土保持工程级别划分，弃渣场级别按堆渣量和最大堆渣高度中高级别执行，为4级弃渣场。

2.1 影像数据获取

无人机遥感影像数据通过规划飞行路径和空三摄影2个步骤获取。根据项目区范围大小和成果精度要求设计飞行路线、飞行高度、拍摄角度及旁向重叠度等。同时，布设满足精度要求的地面控制点数量，控制点坐标的采集采用手持GPS获取。

无人机上配置有全球定位系统(GPS)、惯性测量单元(IMU)及特定的传感器等，当设备配置完毕后，即可根据设计好的飞行路线，实施无人机飞行和拍摄，获取原始的遥感影像数据[5]。利用大疆精灵4 pro无人机对弃渣场进行航拍作业，在航拍前对无人机进行调试，根据成果数据的精度要求设置一定的飞行高度，根据弃渣场的形状和大小规划航线，拍摄时保证航向重叠度大于75%，旁向重叠度大于60%[6]。

2.2 影像数据处理

目前用于无人机遥测影像的处理软件较多，本研究选取在水土保持领域使用较为广泛的瑞士的Pix4Dmapper、俄罗斯的PhotoScan及中国深圳的Pixel-Mosaic三款航拍处理软件，这些软件自动化程度高且处理流程简单，无须专业培训即可快速上手，大大降低了在数据处理环节上的人员要求。其中，PhotoScan软件数据处理流程为：形成照片阵列，软件自动搜索照片中的同名像点，并进行匹配，同时估算每张照片拍摄时相机的视角，并对相机参数进行校正；基于估测出的相机位置和照片，建立密集点云；基于密集点云或者是稀疏点云重建三维多边形网格，基于该网格可进一步生成纹理[7]。Pixel-Mosaic数据处理工作流程为：添加影像，正射投影拼图处理，正射校正拼图处理，三维重建处理，根据精度需要设置控制点数量。Pix4Dmapper数据处理操作更为简便，一键式进行初步处理、空三加密、数字表面模型和正射影像图处理，处理完成后通过像控点编辑器进行校正。本研究分别应用上述3款软件进行影像数据处理，建立三维数据模型提取监测数据，最后对成果精度进行对比分析。

2.3 成果数据应用

利用软件处理成果数据进行量测，可以获取弃渣场最大堆渣高度、堆弃面积、堆渣量、挡渣墙长度及截排水沟长度等监测指标，从而快速评价弃渣场的水土流失状况。利用无人机低空遥感获得的是当前施工阶段的实时数据，代表工程这一时段的状况，成果数据可与施工前原地貌数据、不同施工进度数据及完工后自然恢复期数据进行对比分析，从而获取工程水土流失动态变化情况[2]。

本研究分别应用PhotoScan、Pix4dmapper、Pixel-Mosaic对无人机低空遥感影像进行处理，监测弃渣场的各项指标和水土保持措施工程量。通过上述3个软件处理分析，弃渣场堆弃面积与实测值的误差分别为3.8%、-3.0%、1.7%，最大误差绝对值为3.8%；弃渣场最大堆渣高度与实测值相差不大，最大误差绝对值仅1.0%；挡渣墙长度与实测值的误差最小，最大误差绝对值不超过1.0%，均满足生产建设项目水土保持监测精度要求。弃渣场实测与处理数据结果详见表1。

2.4 成果分析

在弃渣场的航测过程中，无人机飞行平均海拔为146 m，影像采集数量22张，建模覆盖面积0.09 km2，地面分辨率达到4 cm。在未添加控制点的情况下，X

表1 数据提取结果对比分析

方向误差为1.19 m，Y方向误差为0.56 m，Z方向误差为2.51 m，绝对精度和相对精度可以控制到米级，满足弃渣场水土保持监测的需要。

根据水保监便字〔2016〕第20号《关于印发〈水利部水土保持设施验收技术评估工作要点〉的通知》中对弃渣场的要求，对堆渣量超过50万m3或者最大堆渣高度超过20 m的弃渣场，还应查阅建设单位提供的稳定性评估报告。通过无人机航片处理对弃渣场进行三维建模，以弃渣场渣体顶部到挡渣墙底部的垂直距离作为弃渣场的堆渣高度，框选弃渣场边界确定弃渣场堆弃面积和堆渣量，从而为是否需要做稳定性评估提供支撑和依据。根据实测与软件处理结果，该弃渣场最大堆渣高度为41.50 m，超过了最大堆渣高度20 m的要求，需进行稳定性评估分析。根据《水利部生产建设项目水土保持方案变更管理规定(试行)》(办水保〔2016〕65号)第五条规定，该弃渣场堆弃位置不在水行政主管部门批复的水土保持方案设计位置，后期建设单位应重新委托设计单位编制水土保持方案(弃渣场补充)报告书。由于缺乏弃渣前原始地形影像，无法进行三维建模并与弃渣后三维地形数据叠加对比分析，进而计算出有效堆渣总量，因此监测的堆渣量数据按人工框选标定的渣体顶部与挡渣墙底部高程之间的切面体体积计算，故堆渣量数据和实际误差较大。

3 结论与展望

随着科技的不断发展，水土保持监测新技术的应用也越来越广泛，无人机低空遥感监测在提高水土保持监测效率和精度的同时，也提高了水土保持监测的智能化水平，但应用于实际项目仍存在以下几个问题：①相关的技术规程和技术规范不够完善，导致监测成果有较大的差异，因此监测技术规程须考虑制定和完善相关无人机遥感监测部分技术规程专章，规范相关监测流程和成果质量要求，提高无人机监测成果的可信度。②无人机低空遥测精度问题。可通过降低飞行高度、增加影像采集密度和均匀度，以及增设地面控制点等方式来提高精度。③弃渣场为水土保持监测和水土流失监管的重点区域，而部分工程存在“先堆弃后审批”的情况。在难以确定弃渣前原始地形数据的情况下，后期无人机遥感监测的弃渣场最大堆渣高度和堆渣量数据可能与实际情况相差较大，无法准确判别是否需要做稳定性分析评估。因此，未来的研究中，无人机低空遥感监测应重点研究在原始地形数据缺测的情况下，通过历史遥感影像处理与解译来准确计算弃渣场堆渣量和最大堆渣高度，以提高弃渣场监测的实效性和准确性。