无人机技术在水土保持重点治理工程措施核查工作中的应用

高 远，杨 帆

（1.松辽水利委员会水文局（信息中心），吉林长春130021；2.生态环境部松辽流域生态环境监督管理局生态环境监测与科学研究中心，吉林长春130021）

0 引言

水土保持重点工程措施核查工作是水行政主管部门法定性和经常性工作[1]，而且工作时间紧、工作量大、工作环境艰苦，迫切需要应用现代化手段和方法，提高工作效率和核查数据精准度。近年来，松辽水利委员会在全国率先将无人机技术应用到水土保持核查工作中，通过无人机航拍及后期航拍影像拼接处理、分析，可以快速提取水土保持措施面积、措施尺寸等数量指标和质量指标；结合ArcGIS等制图软件，可以快速生成直观的水土保持措施现状图，为水土保持监管部门提供强有力的技术支撑。

1 无人机核查对象和指标

水土保持措施分为面状措施、线状措施、点状措施3种类型。面状措施主要包括梯田、地埂植物带、保土耕作、经果林、种草、封育治理等；线状措施主要包括截水沟、排水沟、护岸工程、作业路等；点状措施主要包括沟头防护、谷坊、蓄水池、桥涵、过水路面、标志牌、宣传碑等。

核查指标分为数量指标和质量指标。数量指标主要包括面积、长度、数量（个、座）等。质量指标主要包括长度、宽度、高度等措施断面尺寸，而对于水土保持措施的内部质量无人机不能进行核查。

2 无人机核查技术流程

无人机核查技术流程包括核查前准备、无人机航摄、航摄影像处理、措施核查等多项具体工作，各工作流程间具有较强的协调衔接性，具体技术流程见图1。

2.1 核查前期准备

1）前期资料收集整理

收集项目实施方案报告（含措施布局矢量图、边界矢量数据）、竣工验收报告（含竣工验收措施布局矢量图、边界矢量数据）、主管部门的验收意见书（表）、等高线数据（矢量）。

2）小流域及措施图斑抽取

图1 无人机核查技术流程图

通常一个水土保持项目区由多个小流域组成，每个小流域由土地利用、水土保持措施类型相同且空间连续的范围措施图斑组成。在无人机核查前，先在项目区内抽取水土保持措施实施小流域，然后根据相关规定及每次核查工作的具体要求，对照小流域水土保持措施总体布置图或水土保持措施竣工图，按照抽取比例要求对每类措施随机抽取无人机核查图斑。

3）飞行条件调查

无人机在执行任务前，需开展环境条件调查和气象条件调查。环境条件调查包括了解待核查小流域及其周边有无禁飞区、限制区、危险区以及电磁干扰源的分布，了解小流域的地形地貌。气象条件调查包括提前了解飞行当天待核查小流域的气象条件，充分考虑气温、降水、雾、风等气象因素对飞行的影响。根据调查情况结合无人机的性能指标，判断飞行条件是否适合无人机飞行，如环境条件不合适，应重新抽取小流域及措施图斑。

4）无人机及人员配备

根据水保措施类型、航拍范围大小、拍摄内容（录像、照片）、拍摄角度（垂直、倾斜）选择无人机类型。一般小范围、短距离、多角度的照片和视频拍摄采用多旋翼无人机；大范围、远距离的垂直拍摄采用固定翼无人机；线状措施、点状措施选用旋翼无人机（既可录像、多角度拍照，又可垂直拍照）；面状措施垂直拍摄时，图斑面积小于0.50 km2的图斑选用多旋翼无人机，图斑面积大于0.50 km2的图斑选用固定翼无人机。

每架现场作业无人机应至少配备1名无人机驾驶员、1名观察员。

2.2 无人机航摄

1）临飞前准备

主要包括实地踏勘、航线规划等。执行飞行任务前，无人机作业人员需对飞行任务区进行实地踏勘，掌握高程变化、标志性地物、交通情况等信息，熟悉飞行环境，同时为无人机起降场地的选取、航线规划、应急预案制订等提供资料。实际踏勘后，综合考虑无人机飞行环境限制和飞行任务要求、无人机物理限制和实时性要求，为无人机规划出一条或多条自出发点到目标点的最优和次优航线，保证无人机高效、圆满地完成飞行任务，并安全返回起降点。

2）航摄

宏观或局部倾斜拍摄时，避开阳光照射，采用侧逆光。全覆盖垂直航拍时，航拍范围超出抽查图斑边界线应不少于像幅的50%。航向重叠度为60%～65%，旁向重叠度为30%～35%[2，3]。地貌起伏增大时，应适当增大像片重叠度。垂直航拍像片倾斜角一般不大于2°，个别最大不大于4°。同一航线的像片原则上应保持同一高度，相邻像片的航高差不得大于20 m，最大和最小航高之差不得超过30 m[2，3]。

航摄过程中，无人机驾驶员需全神贯注进行操作，不得与围观人员进行交谈，严禁实施急转、急加速、急减速等危险动作。无人机驾驶员须密切监视无人机的位置、航高、机载电源电压、飞行姿态等，一旦出现异常，应及时发送指令进行干预。无人机最大飞行速度一般不得超出标定技术参数最大速度的80%，机载电源电压低于40%应考虑返航。

3）航摄影像质量快速检查

在飞行现场，通过有关软件结合人工，对无人机航拍影像进行快速检查，检查主要内容：像片间重叠度是否满足要求，有无航空漏洞，影像分辨率是否能满足质量要求等。检查航摄影像质量后，及时决定是否对飞行任务区进行航摄重拍或补拍。

2.3 航摄影像处理及措施核查

1）航摄影像分选

无人机航摄完毕，首先对航拍影像按照小流域、措施种类、图斑进行分类。对分类后的影像按场景影像和垂直航拍照片再次进行分类。场景影像包括全景照片、局部照片、视频及现场工作照片等，所筛选的影像要求能清楚、直观反映所抽查图斑的整体情况，影像中最好具有典型地标。此外，对现场的录像进行剪辑，删除无关视频。对垂直航拍照片进行整理，剔除被抽查图斑以外明显的突出的照片，剔除倾斜角较大照片，对影像重叠率较高区域的照片进行精简。

2）正射影像生成

将筛选后的多幅无人机垂直航拍照片导入相关数据处理软件，全自动进行几何校正、匹配拼接、空中三角测量、镶嵌及匀色等步骤，最终生成能被软件自身及GIS软件读取的DSM，DOM，空三成果等数据。

3）指标测量

基于生成的DSM、DOM数据，利用三维数据分析软件、ArcGIS软件等对水土保持措施数量指标和质量指标进行测量。测量指标主要包括垂直投影面积、斜面面积、水平长度、斜面长度、水平宽度、垂直高度等，测量精度可达到厘米级。对每项措施质量进行测定，测量的部位、方法以及取样的数量都应该按照该项措施质量测定的有关规定执行。为减少误差，尽可能将航摄影像放在大比例尺下进行指标勾绘（测量），要求图斑边界勾绘偏差不超过2个像元或2个栅格[3]。

4）制图

根据ArcGIS等软件的制图功能，对水土保持措施进行勾绘、标记、空间分析，生成所抽查区域（图斑）的水土保持措施现状图。制图比例原则上不小于1∶10 000，能够清晰、全面反映所抽查图斑的水土保持措施现状。不同水土保持措施图斑采用不同颜色线条勾绘，所选用的线条颜色醒目，与底图能形成鲜明对比。图名采用“年＋水土保持治理工程项目名称＋行政区＋小流域名称+图斑号+水土保持措施现状图”的形式。图斑标记原则标记于图斑范围内，包括图斑编号、水土保持措施名称、面积（长度）等。

2.4 核查分析

根据核查指标测量结果及核查后的措施平面布置图，对应最终批复设计，对被抽查小流域进行核查分析。分析主要内容：抽查图斑位置是否与批复设计一致；图斑实际实施措施内容是否与批复设计一致；图斑措施的数量指标是否达到设计数量；涉及长度、宽度、高度等质量指标是否满足批复设计或规范要求。

3 结语

国家水土保持重点工程核查工作是一项时间紧、责任重、工作量大的工作，应用无人机技术开展此类工作，可摒弃传统的尺量、GPS徒步测量、目测估算等落后方法，实现核查工作不受地形、交通、地块大小等因素影响；同时又可在有限的时间内，大幅度增加核查项目数量和抽查地斑比例。完成的核查成果丰富、数据可靠，既有定量数据、场景影像，又有直观的平面布置图及3D效果图，并可实时通过电脑调出核查过程及成果数据，保证核查结果的客观性、权威性。