基于无人机技术和高分遥感影像的水土保持“天地一体化”监管方法构建

张星星，徐明曦*，代 强，宋旭东

(1.四川省水利科学研究院，成都，610072；2.成都市国土规划地籍事务中心，成都，610074)

0 引言

随着全国城镇化、工业化进程的推进，生产建设项目活动等人为因素造成的水土流失问题也比较突出，加强水土流失监管工作，开展水土流失综合治理十分必要。传统的水土流失监管主要采用人海战术对水土保持方案的实施情况进行跟踪检查，但这种方式不仅花费大量的人力物力，也难以获得生产建设项目施工对地表造成扰动的精确数据，无法满足对大数量、大规模生产建设项目的监管需求[1]。

2018年，水利部印发了《全国水土流失动态监测规划(2018-2022年)》和《国家水土保持监管规划(2018-2020年)》，为水土保持动态监测和水土保持监管信息化提供了重要依据，明确指出积极运用卫星遥感、无人机等先进技术手段，全面提升水土保持监管的针对性、科学性和时效性[2]。综合分析无人机技术和高分遥感影像在水土保持领域的应用现状，探索构建一套“天地一体化”的水土保持监管体系，助力提升水土保持监管信息化水平和现代化能力是非常必要的。

1 无人机低空遥感技术在生产建设项目中的应用

无人机遥感系统是一种以无人机为飞行平台，以各种成像与非成像传感器为主要载荷，飞行高度在几千米以内，能够获取遥感影像、视频等信息的无人航空遥感与摄影测量系统[3]，不同专家学者在点状、线状工程中，选定研究区进行了一系列水土保持相关探索研究。

2016年，文雄飞等[4]以长江流域三峡库区为研究区，运用我国资源三号、高分一号等高分遥感影像，结合无人机倾斜摄影技术，开展了水土保持动态监测遥感解译实验，表明高分遥感影像和无人机技术的有机结合，能够对水土保持不同尺度的观测对象进行有效的观测和采样，能够在宏观角度掌握水土流失动态监测情况。2017年，长江科学院张雅文等[5-6]以鄂北水资源配置工程为例，从遥感基础数据获取、基本监测信息提取、监测信息应用3个方面，开展水土保持监测实例分析；在航拍的基础上，采用专业软件Agisoft Photoscan Professional对原始影像进行处理，获取各区域的DOM和DEM成果，其水平精度分别可达0.05m和0.2m；综合运用DOM和DEM成果，构建三维虚拟模型，并将获取的扰动土地位置、土地利用类型、面积、弃渣体积、工程措施、临时苫盖等数据与传统人工监测结果进行效率、精度上的对比分析，结果表明计算机自动识别更加快速。2017年，王志良等[7]研究了无人机技术在线状工程水保监测中的应用，通过生成重庆至万州铁路典型区域的DEM和DOM模型，解译提取了项目扰动范围、面积，工程措施、植物措施、临时措施等长度和面积，间接提取了弃渣量、挖填方量、挡墙工程量、截排水工程量相关体积数据。

通过无人机技术在监管中的各种应用实例分析，无人机遥感技术可及时准确、全面直观反映小区域尺度上项目扰动范围、施工进展变化，提取工程措施和水土流失现状等数据，具有以下优点：

一是时效性高。与传统卫星遥感相比，不受卫星运行周期影响，可根据工作需要，在满足无人机起飞的气象、场地条件下，快速获取小区域内遥感影像，快速提取工程相关长度、面积数据和水土流失量。

二是安全实用。部分生产建设项目位于低温、地理位置偏远地区，项目后期植被过于茂盛，工作人员无法直达现场核实，无人机可直达并拍摄影像，最大程度节省现场复核的人力财力，避免人员伤亡。

三是拍摄角度广泛且精度高。无人机可根据工作需求，开展竖向、倾斜摄影。拍摄时，一般飞行在50m～1000m范围，精度为亚米级，可拍摄出结构复杂的多角度影像，如实直观反映目标区域现状信息。

同时，也存在一些不足：垂直精度不足，后期生成DEM和DOM提取工程措施、扰动范围变化、水土流失量等需要投入专业技术人员大量时间和人力成本，无法在宏观层面获取大尺度范围内的水土流失动态状况。

2 高分遥感影像在水土流失动态监测和监管中的应用

随着卫星应用产业的发展，卫星遥感影像种类繁多，高分辨率卫星影像主要包括国产的资源系列、高分一号、高分二号等数据，国外的WorldView-2、WorldView-3、Quickbird等数据。目前，国内用于水土保持行业的数据主要有Landsat 8和高分一号(大幅宽)数据，以及高分辨率的资源三号、高分一号等。不同分辨率的遥感影像适宜于不同尺度范围内的水土流失动态监测和监管工作，其中，高分辨率数据适用于区、县级范围的动态变化监管[8]。

在四川省生产建设项目水土保持“天地一体化”监管实践中，刘翔梦等[1]选取四川川西高原区(阿坝小金县)、川东丘陵区(南充蓬安县)、川中平原区(眉山东坡区)为研究对象，运用高分辨率遥感影像对研究区2011-2018年生产建设项目开展了监管合规性分析，并开展了现场核实工作，表明“天地一体化”技术对不同自然地貌区的监管结论均具有可靠性。近年来的示范、推广和实施实践证明：生产建设项目水土保持遥感监管是相关方全参与，对全管辖范围、全监管对象违法违规问题实施发现、认定、查处和监督整改的一套有效技术体系[9]。

2018年以来，各地尝试按照《区域水土流失动态监测技术规定(试行)》，探索适合地方的水土流失动态监测方案和技术流程。四川省水土保持监测总站通过对高分辨率遥感卫星影像进行解译，并外业踏勘复核，结合地理国情地表覆盖数据，利用DEM数据，采用水土流失量计算模型中国土壤流失方程(CSLE)，计算出最终的土壤水蚀模数，应用表明，基于地理国情监测成果的水土流失动态监测方法具有精准性、高效性、可持续性等特点[10-11]。

高分遥感卫星影像在水土保持相关应用实践表明，通过图斑叠加分析，能有效在中尺度范围内，对生产建设项目开展合规性动态监管；同时，结合地理国情监测数据，计算出水土流失强度，推算出区域水土流失量。但是对于具体到各生产建设项目对区域(区、县)水土流失量的影响如何，相关工程措施、植物措施是否与生产建设项目水土保持信息化监管平台中上传信息一致，无法实现精细化监管。

3 基于高分遥感和无人机技术的水土保持“天地一体化”监管方法

通过无人机低空遥感技术在生产建设项目中的应用和高分遥感影像在水土流失动态监测和监管中的应用分析可以看出，无人机低空遥感技术和高分遥感影像在水土保持领域的应用有各种优势和特点。笔者结合无人机技术和高分遥感影像各自优势，通过对高分遥感影像数据处理流程和无人机低空遥感数据获取及处理进行梳理，探索二者在水土保持“天地一体化”监管中的综合应用。

3.1 高分遥感影像数据处理

(1)搜集水土保持基础数据，包括高分辨率的遥感影像数据，DEM、DSM地理信息数据，测绘基础地理信息数据等。

(2)高分遥感影像预处理和图斑解译：依次采用大气校正、正射校正、融合增强等方法进行影像预处理，并对预处理后的高分遥感影像开展图斑解译工作，部分典型图斑需运用无人机拍摄的低空遥感影像进行复核。

(3)在ArcGIS中叠加生产建设项目防治责任范围图，开展扰动合规性分析。

(4)图斑解译后，结合地理国情普查数据，DEM数据、水土保持治理相关资料，采用中国土壤流失方程CSLE(A=R·K·L·S·B·E·T)，提取7个参数因子，推算区域水土流失强度模数，进一步核算区域(区、县)水土流失量。

3.2 无人机低空遥感数据获取和处理

(1)前期准备。选取生产建设项目所在范围，设备准备，根据《无人机航摄系统技术要求》设计航线、航向、旁向重叠度和飞行高度等。

(2)地面控制点采集。利用GPS或北斗，进行像控点测量。

(3)获取原始影像。备足电量和储存卡，选择风速小于10m/s的天气，严格按照无人机操作规范，按照设计的航线飞行，获取原始无人机影像。

(4)预处理。运用专业软件如Photo Scan和Pix4D等对无人机遥感影像进行初步处理，生成满足精度要求的DOM、DEM和DSM影像。

(5)采用Global Mapper、LocaSpace Viewer和Context Capture等专业软件对DOM、DEM和DSM影像提取长度、面积、体积数据，包括工程措施长度、范围、方量，植物措施面积，再叠加未扰动前地形数据，可核算该生产建设项目水土流失量。

3.3 综合应用技术流程及预期结果

综合分析高分遥感影像和无人机遥感技术所获取的数据，以县域为单位，核算具体生产建设项目年度水土流失量在该县年度水土流失量中的总占比；对于重点工程与水土流失量较大的生产建设项目，无人机技术可进一步提取面积、精确位置信息判定项目扰动范围的合规性；对照项目水土保持方案，实现对重点项目的工程措施长度、方量、进度等实现细部监测。基于无人机低空遥感数据和高分遥感影像数据获取及处理流程的梳理，构建了一套基于高分遥感和无人机技术的水土保持“天地一体化”监管技术流程(见图1)。

图1 基于高分遥感和无人机技术的水土保持“天地一体化”监管技术流程

通过以上技术路线，可以助力提升水土保持监管信息化水平和现代化能力，为分析区域内生产建设项目水土流失对区域水土流失动态变化的影响，水土保持目标责任考核提供技术路线和参考。本技术流程的应用，预期可获得以下结果：

(1)高分遥感影像解译图斑与生产建设项目防治责任范围图进行叠加，可直观对区域范围内生产建设扰动合规性进行动态监管，快速将区域内项目分为未批先建项目、超出责任范围项目和合规项目。

(2)对于未批先建、超出防治责任范围和国家水土保持重点工程等开展无人机低空遥感复核，获取满足精度要求的DOM、DEM和DSM影像，通过专业软件，提取工程措施、植物措施、临时措施相关长度、面积、方量等数据，准确掌握水土保持重点工程建设进度、措施数量和实施效果，结合“全国水土保持信息管理系统”水土保持方案信息，为认定(或否定)违法违规问题，监管查处工作提供数据佐证，可提高水土保持重点工程监管信息化、现代化水平。

(3)核算出区域内各个生产建设项目占区域(区、县)年度水土流失量的贡献率，进一步核算出该区域所有生产建设项目年度水土流失量在区域水土流失总量的占比，分析人为生产活动对区域水土流失动态变化的影响。

4 结语

通过无人机技术、高分遥感影像在水土保持行业的应用现状分析，结合高分遥感影像和无人机技术各自优势，构建了一套在水土保持“天地一体化”监管中综合应用的技术方法。面上可实现对区域内所有扰动图斑合规性动态监管；点上实现精细化监管，可准确掌握违规违法项目及国家重点工程的建设进度、措施数量和实施效果，进一步推算出区域内生产建设项目(即区域人为活动)对区域年度水土流失量的贡献值和影响程度。为各级水土保持监管信息化、现代化提供技术参考，为水土保持目标责任考核，生态文明评价考核提供数据支撑。

该技术路线虽然减少了监管过程中的外业核查工作量，但内业数据处理过程较为繁琐，需要较多专业技术人员开展数据处理和提取工作。同时，在采用中国土壤流失方程模型提取参数因子，应注意参数修正，航摄获取正射影像等过程需满足精度要求，以保证后期提取工程措施、植物措施等面积、长度的数据精度，后续需进一步在加强数据生成自动化和数据获取准确性方面开展相关实践探索。