无人机技术在生产建设项目水土保持监测中的运用方法及分析

李延强

(甘肃中略海利咨询服务有限公司，甘肃 武威 733000)

1 工程概况

大红沟建筑用石料矿建设项目位于天祝藏族自治县城约110°方向，直线距离13 km的大红沟，与莺鸽咀村直线距离1.3 km，行政区隶属天祝藏族自治县松山镇管辖，松山镇地处祁连山脉毛毛山南麓松山滩草原，东北与古浪县接壤，东南与景泰县、永登县接壤，西邻县城华藏寺。矿区属温带大陆性半湿润气候。据天祝藏族自治县气象站资料年平均气温1℃，年平均降水量270 mm，相对无霜期127 d，多年平均相对湿度67%，最大冻结深度170 cm。县域内降水量自东向西减少。东部关山一带年均降水量为620 mm，中西部浅山区及黄土梁峁沟壑区年均降水量为580 mm～600 mm。降水量的年内分配很不均匀，历年入春以后降水逐渐增多，汛期6月～9月降水量集中，可达450 mm，占全年降水量的72.6%；10月以后降水逐渐减少，冬季雨雪稀少。据有关资料统计，境内24 h最大降水量为92.3 mm，1 h最大降水量为43.4 mm，30 min最大降水量为33.6 mm。旱情多出现于春季、初夏和伏期，轻者间隔数年，严重者连年发生。建设规模与开采服务年限：矿权面积0.3308 km2，设计开采面积0.256 km2，开采标高2770 m～2665 m。设计采、选储量696.56×104m3，实际开采量661.73×104m3、采、选规模30万m3/a。

开采方式及开采年限：该工程采用采用露天开采方式。开采年限为3 a。

工程总投资：工程项目总投资1365.9万元，全部由公司自筹。

建设工期：工程已于2018年8月完成“三通一平”，目前处于待建状态，计划2019年建成投产。

本工程总占地面积13.93 hm2，均为永久占地。建设期和运行期土石方开挖总量为678.14万m3，回填28.66万m3，废方14.59万m3，全部为运行期产生的采矿区地表剥离土方。

1.1 水土流失防治标准执行等级

根据《全国水土保持规划国家级水土流失重点预防区和重点治理区符合划分成果的通知》和《甘肃省人民政府关于划定省级水土流失重点预防区和重点治理区的公告》，项目区属于甘肃省省级重点治理区。因此，水土流失防治标准执行建设类项目二级标准。根据《土壤侵蚀分类分级标准》(SL-190-2007)，项目区容许土壤流失量为1000 t/(km2·a)。

1.2 水土流失预测结果

本工程建设可能造成的水土流失总量约为1070.856 t，其中新增水土流失量约737.806 t；各预测单元新增水土流失量依次为开采区612.645 t、采/选工业场区76.375 t、道路区41.454 t、办公生活区7.332 t、分别占新增水土流失总量的83.04%、10.35%、5.62%、0.99%。

2 水土保持无人机监测方法与运用

2.1 监测范围和时段

对项目建设区、生产区和直接影响区进行监测，监测范围为工程建设征占、使用和其他扰动区域总面积13.93 hm2，项目分区平面图见图1。

图1 项目分区平面图

监测时段应根据开发建设项目类型来确定，本项目为建设生产类项目，根据开发建设项目水土保持方案编制技术规范的有关规定，其监测时段分为施工期、运行期和自然恢复期，本项目确定检测时段为2019年～2022年。

本方案水土保持监测拟设固定监测点5处。开采区、采/选工业场区、办公生活区、道路区各一处；原地貌1处。

监测频次：调查监测频次在施工期的中间及结束后各进行一次全面的调查监测，在水土保持措施开始实施后，春秋季各监测一次；定位监测：主要安排在5月～9月，每月各监测一次，每次暴雨后增加监测次数，植物措施主要在春、夏、秋季监测。水土流失危害事件发生后7日内报送水土流失危害事件报告。

2.2 设备及参数

航拍采用大疆精灵4RTK无人机搭载配备1英寸2000万像素CMOS。相机支持输出未经畸变矫正的原图，并在照片XMP信息中输出该相机的OPEN-CV畸变矫正参数，用于后处理。

2.3 无人机监测内容和方法

根据水土流失防治分区，分别对工程建设期间各分区内开挖回填土石方等的水土流失状况进行监测。监测内容包括各工程单元土壤侵蚀强度、土壤侵蚀形式、水土流失原因等。

在拍摄之前应先收集项目背景资料(如地形地貌、土壤、植被、气象、水文等)土地红线、施工工艺、施工进度等。通过分析这些背景资料确定无人机重点监测的点位和范围，同时对水土流失量等监测做好准备。对各工程单元水土保持措施的数量、质量，运行状况和发挥的实际作用进行定期监测。主要包括水土保持工程措施的完整性，植被成活率、覆盖率等情况，以及实施各种水土保持措施后各施工单元坡面土壤侵蚀情况的变化等。

无人机技术在运用于生产建设项目水土保持监测中，利用无人机监测获取的影像成果，通过目视解译提取项目区各单元植被覆盖度及土地利用信息，并分析DSM数据，获取坡度信息，结合土壤侵蚀分类分级标准，综合判别项目区土壤侵蚀强度。

本项目所涉及的防治责任范围较大，而无人机可持续飞行的时间有限；在无人机航线设计完成后采用自动飞行模式，飞行高度定为100 m，航速设为6 m/s，照片重叠度设为80%；照片拍摄完成后使用Pix4D软件来处理，形成DOM模型、DEM模型和三维模型等成果。基于DOM和DEM成果的基础上可以进行相关数据信息的提取，把外业采集的图像及数据通过内业软件转化为测量信息数据。

通过在计算机上勾绘的方式来识别土地利用类型及变化情况，利用DOM和DEM模型成果提取出监测区内土地利用类型、流失面积、坡长、植被覆盖率及重点治理措施等数据，并结合项目区土壤可蚀性、降雨量等资料，根据土壤流失公式计算出土壤流失量。最后，分析查看监测值是否符合《土壤侵蚀分类分级标准》(SL 190-2007)和《生产建设项目水土流失防治标准》(GB/T 50434-2018)中的要求。

基于DOM和DEM模型再利用Pix4D可生成三维数字模型，在3D效果下能够直观的看到监测区内水土流失的情况，分析现场是否存在不安全不稳定的因素，如滑坡、土石崩塌、泥石流等因素。

在水土保持监测中主要是对水土保持措施的监测，措施主要由工程措施、植物措施及临时措施，监测主要利用人工进行识别DOM模型来分析，和现场测量相比较，极大地提高了工作效率和准确性。

3 结果与分析

3.1 基础信息获取

由于项目区位于山区，为了减小周边山体图像采集的干扰，将航拍时间定在阴天没有阳光的时候，开采区、采/选工业场区、办公生活区、道路区共4个重点监测区域的精度为0.01 m的DOM(见图2)和精度为0.2 m的DEM(见图3～图8)；扰动土地面积、土石方量、水保各项措施等监测精度不小于85%。

图2 项目区DOM

图3 采选区DEM

图4 采选区DEM

图5 办公区DEM

图6 开采区DEM

图7 开采区DEM

图8 道路区DEM

3.2 土地利用类型

项目建设区内土地利用类型复杂且分布零散，采用计算机自动分类容易造成客观的错误，因此重点监测区的土地利用类型主要采用人工识别的方法逐一进行识别，项目区土地利用类型及面积见表1。

表1 项目区土地利用类型及面积

3.3 扰动范围及土壤流失量监测

把已经生成的DOM(见图2)导入EPS中可直接勾画出扰动面积，在用皮尺对扰动面积进行人工符合，计算查看实际扰动面积监测精度是否大于90%。项目区水土流失量预测结果见表2。

表2 项目区水土流失量预测结果

3.4 水土保持措施监测

基于DOM模型，对水土保持措施、临时措施、植物措施采用手动识别的方法进行统计分析，并用量具量取措施的规格尺寸和数量等信息；通过DOM模型成果及数字模型可以直观的判断出水土保持措施的防治效果。项目区水土流失措施见表3。

表3 项目区水土保持措施统计

4 结论

根据水土流失量预测结果，确定有可能造成水土流失面积13.93 hm2，水土流失总量为1070.856 t，新增水土流失量737.806 t。采取有针对性的水土保持措施，可极大的减少工程建设对周边环境造成的不利影响，减少产生水土流失的各个环节，伴随着植物措施效益的发挥，施工期间产生的水土流失基本得到控制。

本项目水土保持方案实施后，建设区扰动土地整治率将达到95%，水土流失总治理度达95%，土壤流失控制比0.50，拦渣率85.06%，林草植被恢复率90.00%，林草覆盖率15.00%。减少水土流失量529.00 t，水土流失防治均达到设计水平年的防治目标。

无人机技术在水土保持监测工作中基于DOM和DEM提取监测对象的土地利用类型、位置、面积、体积等信息，构建三维虚拟模型。结果表明计算机自动识别更加快速，但存在将监测对象的阴影、苫盖误判为植被的问题。最后，将提取的信息逐一应用于案例工程的水土保持监测工作，直接获取各典型区扰动土地面积、弃渣体积、苫盖与否、苫盖面积等监测结果。无人机监测结果与运用传统方法监测的结果对比表明，2种方法的监测结果均满足相关技术要求，但无人机监测效率是传统人工监测效率的3～5倍。成果可为无人机遥感技术在水土保持监测中的应用提供有效的方法借鉴。