无人机技术在水土保持监测中的实践与思考——以某水利工程枢纽除险加固为例

陈 宇，魏玉涛，杨泳鹏，王泽祥

（1.海河水利委员会海河流域水土保持监测中心站，天津 300170；2.漳卫南运河管理局防汛机动抢险队，山东 德州 253011；3.漳卫南运河四女寺枢纽工程管理局，山东 德州 253315）

随着生产建设项目水土保持监管的加强，水土保持监测成为反映水土保持工作落实的重中之重，全面、客观、准确、及时的监测数据为水土保持管理和监管提供了最直接的标尺和抓手。无人机技术是以无人机为空中平台，获取地面影像数据，利用三维建模等软件对数据进行处理、分析和提取地物信息，并按照一定精度要求制作成图像的综合技术。通过无人机技术获取生产建设项目的施工进展情况、扰动范围、水土流失防治情况等水土保持相关长度、面积和体积数据[1-3]，有效地解决了水土保持监测工作中“到不了、看不全、效率低、精度差”的问题[4]，同时满足了建设单位和水行政主管部门对监测数据准确性、完整性和及时性的要求[5]，也大大提升了水土保持监测工作的效率和精度[6]。本文以某水利枢纽除险加固工程水土保持监测为例，通过在工程建设全过程使用无人机技术开展监测，总结了无人机技术在生产建设项目水土保持监测工作过程中的经验和关键，并对存在的问题进行分析和梳理，以期为生产建设项目水土保持监测、管理和监督提供参考。

1 工程概况

该水利枢纽位于两省三县（区）交界处，是重要的防洪控制枢纽，是一座具有防洪、排涝、灌溉等综合利用功能的大型水闸。工程地处半湿润半干旱地区，土壤类型为潮土；冬季干冷降雨不多，夏季湿热降雨集中，多雷雨大风，多年平均降水量565.9 mm；植被类型为暖温带落叶阔叶林。该水利枢纽除险加固工程涉及主体工程区、闸管区、取土场区、弃渣场区、交通道路区和施工生产生活区6 个水土保持分区，工程建设具有周期短、施工扰动变化快和涉及水域等特点。

本工程水土保持监测时间自施工准备期开始至自然恢复期结束，重点和难点为工程扰动占地面积、土石方量、弃土渣量和植物措施量的监测。监测期间，每季度利用无人机进行航飞监测2～3 次，获取工程建设全过程的三维建模、DOM（数字正射影像，下同）等影像数据，分析提取工程建设占地面积、扰动地表面积变化、土石方及弃方变化和水土保持措施实施情况等水土保持相关数据和指标，在此基础上针对现场水土保持情况提出相关完善和落实建议，并完成水土保持监测成果的计算分析和编报任务。利用无人机技术可以获取各水土保持监测分区的主要监测数据，详见表1。

表1 无人机技术可以获取的各水土保持监测分区的主要监测数据情况

施工准备期三维模型如图1 所示，自然恢复期三维模型如图2所示。

图1 施工准备期三维模型

图2 自然恢复期三维模型

2 无人机技术监测工作开展

2.1 直观查看工程进度

利用无人机对工程各监测分区进行航飞，获取工程建设区域多角度的照片和视频，全面直观查看工程的施工进度和各项水土保持措施的落实情况，全方位记录工程进展。在该工程水土保持监测过程中，及时为建设单位提供全方位的无人机航拍影像资料，为工程进度管理和水土保持措施实施尤其是临时措施的实施和完善提供了充分的依据。

2.2 准确获取监测数据

通过三维建模软件对航拍照片进行处理，生成三维模型、DOM等，可直接量测或利用ArcGIS软件提取各水土保持监测分区的土地扰动面积、开挖填方量和已实施水土保持工程措施、植物措施、临时措施种类和数量。根据批复的水土保持方案中水土流失防治责任范围和水土保持措施设计情况，分别建立相应的图层进行叠加分析，判断施工扰动是否超防治责任范围[7]、水土保持措施体系是否完善、数量和标准是否符合设计要求，并进行水土流失防治六项指标计算等。相比较传统的水土保持监测，无人机技术的应用提高了监测数据获取的自主性，减少了对施工单位和建设单位的依赖。在该工程监测过程中，由于前期方案设计处于可行性研究阶段，取土场需要进行变更，充分利用无人机技术对取土场变更位置和范围进行了测量和记录，不仅全面记录了防治责任范围的变化，而且为取土场变更和面积确认提供了数据和技术支撑。

2.3 明确季度变化情况

水土保持监测单位每季度须向建设单位和水行政主管部门报送监测季度报告表，而其需要客观、真实的数据进行支撑。无人机技术的应用充分满足了这一需求。通过对提取的数据进而对工程的进度和水土保持措施落实情况进行详细的分析对比，可以计算出季度报告中所需要的数据。在该工程水土保持监测过程中，季度报告中扰动面积、水土保持措施数量类型和土石方等数据均来自于无人机技术处理提取的数据和计算的结果，客观、真实地反映了各阶段工程的变化情况。

2.4 溯源监测数据，监测建议更具针对性

该工程监测过程中，全过程应用无人机技术，记录了工程从施工准备到自然恢复期的全过程各个关键节点的照片、视频和三维实景模型，做到了监测数据可溯源、痕迹化管理。由于通过三维实景模型和无人机影像可以无死角地发现水土保持措施落实短板，及时在过程中发现水土保持措施落实不到位和不及时的情况，所以依此提出的建议更具针对性，并让问题得到及时的整改和落实，把问题解决在现场和过程中，为后续水土保持设施自主验收打下了良好的基础。

3 全面发挥无人机技术监测优势

3.1 原始地貌航飞是前提

全面发挥无人机技术监测优势的前提是对工程建设的原始地貌进行航飞。在施工准备期及时对工程建设区域尤其是水土流失防治责任范围进行航飞，获取工程建设前原始地貌资料的影像资料、高精度三维实景模型和DOM。并根据批复的水土保持方案，把防治责任范围、水土保持措施工程量和类型矢量化，为后续水土保持数据对比分析奠定基础。

3.2 全区域航飞是基础

全面发挥无人机技术监测优势的基础是对工程建设全区域航飞。根据工程施工进度和关键节点，结合监测工作需要对监测各个分区全区域进行航飞，获取该时间节点影像资料、高精度三维实景模型和DOM，获取工程建设的施工扰动和水土保持措施落实情况以及相关水土保持数据，及时掌握工程水土保持情况，发现存在的问题，并有针对性地提出改进和完善建议。

3.3 三维实景建模是抓手

全面发挥无人机技术监测优势的抓手是对工程建设区域进行三维实景建模。三维实景模型可以准确、全面、直观地呈现工程水土保持现状，获取水土保持监测各个分区的扰动面积、水土保持措施实施数量和类型以及其他相关的长度、面积、体积等信息。同时，三维实景模型可任意缩放、360°旋转，从不同高度、不同角度查看浏览工程现场水土保持具体情况并可进行实时量测，不用到达现场也可全方位了解现场的全貌和具体细节，从空间和时间维度对工程水土保持情况进行解析，为水土保持监测工作提供强有力的技术和数据支撑。

4 存在的问题与建议

4.1 特殊区域数据确定

由于无人机航飞无法对特殊区域如水面下方、林下区域进行拍摄，特殊区域的土地扰动情况、水土保持措施数量和类型无法通过无人机技术直接提取获得。因此，需要结合获取的原始地貌高精度三维模型，在前期水土保持工作开展时，对该区域进行定位和划分，并根据实地查勘和监测情况进行数据的补充测量和确定。

4.2 重复性水土保持措施工程量确定

由于天气因素的影响，临时苫盖的密目网不可避免地会遭到损坏，需要重新苫盖；而撒播的草籽由于成活率或者施工扰动等情况影响，需要进行重新撒播草籽。这类重复性的水土保持措施，一般情况下很难通过无人机获取的影像或三维模型进行量算获取。因此，在该工程监测过程中，对于临时苫盖、撒播草籽等重复性的水土保持措施需根据现场监测和实地调查进行统计和汇总确定。

4.3 植物措施类型及规格获取

受三维建模软件技术条件限制，对乔木和灌木等植物措施的模型还原一直是个难题。在三维模型中可直接量测植物措施的面积和数量，但很难判断出栽植的乔灌草的种类和规格。因此，对于植物措施的种类和规格，需要结合现场监测和实地调查情况获取，并赋予到矢量图层属性中。

4.4 土壤侵蚀模数确定

土壤侵蚀量计算是生产建设项目水土保持监测工作的重点和难点[8]。利用无人机技术无法直接提取出工程各个水土保持监测分区的土壤侵蚀量，但可利用生成的DOM 间接计算。利用ArcGIS 在DOM上提取各个水土保持监测分区的建筑物、硬化和工程措施的面积，把这些区域土壤侵蚀模数定为0；其他区域根据坡度和植被盖度，结合《土壤侵蚀分类分级标准》等确定侵蚀模数，在此基础上根据面积权重计算各个分区的土壤侵蚀量。

4.5 无人机数据使用

目前，在生产建设项目水土保持监测工作中明确要求使用无人机、卫星遥感等技术手段开展监测，无人机技术在水土保持监测工作中发挥了越来越重要的作用。无人机技术采集越来越多的照片、视频和三维模型等数据，积累了大量的无人机成果数据，怎么把有时序有变化的这些数据充分利用起来，为水土保持监测、验收和水行政主管部门监管服务成为水土保持工作中受到关注的问题。建议由水行政主管部门建立统一的在线监管平台，监测单位把获取的无人机数据作为成果报告报送的内容上传到监管平台，开发数据对比分析和数据提取等功能，统一无人机数据成果标准，为生产建设项目水土保持工作提供技术和数据支撑。

5 结语

把无人机技术引入生产建设项目水土保持监测工作中，可以大大提高工作效率和精度；同时，建成全过程的电子数据档案和三维实景模型，可以直观、准确地反映工程水土保持现状，并能定量获取水土保持相关数据和指标，为水土保持监测工作提供技术支撑。但也存在着无人机技术难以获取的水土保持监测数据，仍需通过现场查勘或调查来完善和补充。通过以上实践思考，总结了无人机技术在生产建设项目水土保持监测中的优点和不足，尝试性地提出了有关问题的解决思路，以期随着无人机设备的更新、传感器设备种类的增加、建模软件和相关数据挖掘、分析软件的更加智能与便捷为水土保持监测工作提供更加科学的支撑。