水土保持监测中新型无人机低空遥测技术的应用实践

杨红霞

(甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司,甘肃 兰州 730030)

水土保持监测就是指调查人员为了摸清水土流失类型，强度与分布特征、危害及其影响情况、及时掌握水土流失发展规律，动态变化趋势等调查、测量、评估水土保持效益，经常用于生态环境建设与生产项目建设中，尤其是在生态环境较为脆弱的地区开发生产建设项目，做好水土保持监测工作尤为重要，可以保证生产建设项目的可持续进行。在该工作开展过程中，新型无人机低空遥测技术具有重要的作用，相比于传统的监测技术而言，新型无人机低空遥测技术能够快速且准确地获取检测结果。

1 生产建设项目水土保持监测问题

1.1 客观方面

从客观层面来讲，大部分生产建设项目区以中度水力侵蚀为主、兼具轻度风力侵蚀，生态环境较为脆弱，如黄土高原区、风沙区、盐碱地等则土壤肥力相对较差，土壤容重较小，土壤的可蚀性较强，如得不到有效的治理，土壤养分将会逐渐散失。

1.2 主观方面

生产建设单位不重视施工过程中的水土保持管理工作，建设单位与各参建单位之间不能实现有机的上下联动，设计单位在水土保持措施设计中未遵循“因地制宜、因害防设、适地适树”的理念进行设计，施工单位人员水土保持意识淡薄，“三同时”制度的落实不到位等。因此水土保持工作效率和质量亟需提升。

2 新型无人机低空遥测技术概述

新型无人机低空遥测技术是指以无人机和遥测技术为核心，将无人机在低空高度飞行，利用遥测技术获取被检测区域实际情况的一种技术手段，新型无人机低空遥测技术具有如下几项特征：（1）无人机的承载能力较强，能够有效承载地面测量系统中的多项机电设备，例如信号接收机、天线设备以及其他多种设备，承载能力较高的特性使得其所搭载的系统更加完善，能够为水土保持监测工作提供更加有力的支持。（2）新型低空无人机遥测技术成本较低，传统的测绘技术需要开展大量外业工作，花费较多的资源和人力成本，而通过采用新型低空无人机遥测技术，能够有效降低水土保持监测中各项成本投入[1]。（3）新型低空无人机遥测技术分辨力较高，与卫星遥感技术相比，无人机所获取的遥感图像分辨率更高，且不会受到作业环境的影响，精度可以达到厘米级别。（4）新型低空无人机遥测技术灵活性较高，能够根据实际测量需求，对工作模式进行实时调整，从而能够提高水土保持监测工作效率。

3 新型无人机低空遥测技术在水土保持工作中的方案设计

3.1 项目概况

文章以新建中卫至兰州铁路为例，正线全长173.458 km，1 396.45公顷，其中永久占地853.11公顷，原地表平均土壤侵蚀模数在 3 000t/ km2·a左右。沿线地貌类型主要为中低山丘陵区，土壤类型主要为黄绵土、灰钙土和黑炉土，植被类型为温带荒漠植被，平均林草覆盖率10%～15%。沿线河流属黄土高原，自然环境较为脆弱，因此在施工过程中应该做好水土保持监测。

监测内容主要包括扰动土地情况、取土（石、料）、弃土（石、渣）情况、水土流失情况、水土保持措施等，监测期 6.5 年，采用定点监测、调查、巡查与新型无人机低空遥测技术结合的监测方法，本工程共设置监测点位12 处。

3.2 全面调查与重点观测相结合

全面监测是对整个水土保持防治责任范围而言，是全面了解防治责任范围内的水土流失环境状况，以便分析水土保持工程实施过程和投入使用初期的水土流失及防治效果状态。从对象上看应该把重点放在路基边坡、取土场、弃土（渣）场、施工便道及施工生产生活区等，在这些区域，应加大监测频次，动态观测可能出现的土壤流失及其相关因子。

3.3 观测内容与水土保持责任分区相结合

生产建设项目的不同防治责任分区，具有不同的水土流失特点，为了治理水土流失需要采取相应的水土保持工程，监测内容也必须充分反映各个分区的水土流失特征、水土保持工程及其效果。

4 新型无人机低空遥测技术在水土保持监测中的具体应用方式

4.1 应用准备工作

在对监测区域进行测量之前，工作人员需要做好全面且详细的准备工作，防止因准备不够全面耽误测绘工作进程或对测量结果的准确性造成影响，为测量工作更好地开展打下基础。在使用新型无人机低空遥测技术之前，需要对无人机设备、遥感测绘设备的运行情况以及摄影设备的运行情况进行全面的检查，飞行设备中使用的无人机需要提前向有关部门进行报备，防止出现意外情况。无人机在使用之前需要安排工作人员进行试飞工作，检查无人机是否可以正常运行，防止无人机出现故障影响监测区域测量结果的准确性。其次，水土保持监测工作需要采用完善的管理制度，检测人员、技术人员等工作人员需要严格按照监测区域测量流程和规范进行操作，并主动邀请监督部门到监测区域测量现场进行航拍监督和管理[2]。第三，在使用新型无人机低空遥测技术时，需要选择合理的监测点位，因此需要工作人员进行仔细的前期监测区域场地调查工作，按照被监测区域的实际情况设置科学的监测点，保证监测点布置成平高点，工作人员需要做到对水土保持整体的流程加以明确，掌握无人机的飞行线路，从而能够确保各个监测点的布置均匀且合理，同时需要注意的是，监测点位的布置要将被监测区域的整体包围起来，防止出现被监测区域有部分区域无法被拍监测的情况，才能够将被获得水土保持监测区域整体的信息和数据进行测绘，提高水土保持监测结果的全面性。

4.2 水土保持监测质量控制

新型无人机低空遥测技术是通过无人机来对一定区域进行水土保持监测工作，所以在监测过程中需要对质量进行把控。通过无人机遥测技术对该区域监测时，可以结合GPS、GIS等技术加以辅助，提高监测工作的效率和测绘结果的准确性。在实际监测的过程中，要利用无人机来掌握影响数据质量的因素，且要确保在光纤均匀、无遮挡的基础上开展测绘工作，防止因外部因素对监测结果的准确性造成影响。其次，要确保通过新型无人机低空遥测技术拍获取遥感影像的清晰度，对于各种地物要能够直观的进行辨认，能够绘制多种地物的轮廓，还要使相邻影像之间相同地物色调保持一致，遥测区的影像色调效果要保持均匀。为了进一步提高水土保持监测工作的整体质量，需要结合监测工作当时的天气情况、阳光照射强度等对曝光参数进行调整，使曝光参数与光照强度相匹配，能够有效防止出现遥感影像不清晰的问题[3]。当无人机遥感监测结束之后，要通过飞行管理软件对所获取的监测区域监测点GPS坐标数据进行分析和处理，如果发现所获取遥测影像的坐标与飞行路线设计不符合的情况，要重新进行监测工作，将所遗漏的监测点补足，并将所收集到的监测区域测量数据尽快保存和处理，将监测区域工作质量报告交由质量管控人员进行查验，如果发现存在问题，要立即进行调整，从而能够提升水土保持监测工作质量。

4.3 水土保持监测数据处理

新型无人机低空遥测技术在水土保持监测区域工作中的应用，能够通过遥感测绘技术对获取的数据进行处理，结合相关的软件设计以及处理程序，就能够达到良好的预处理效果。低空无人机遥测数据处理是保证受水土保持监测数据和信息准确性、实效性的基础性工作。通过对需要测水土保持监测区域场地区域、界址点进行确定，再结合其他技术对水土保持监测区域的测量数据进行采集，之后记录所测量的数据，再进行数据对比，就能够有效判断出测量结果的准确性；通过三维建模的应用，能够对所监测的数据进行完整的建模，并将建模的细节呈现，还可以借助三维扫描技术，对数据信息的准确进行判断。无人机新型无人机低空遥测技术在数据处理方面有着明显的优势，能够有效提高属水土保持监测区域测量数据的准确性，从而更加明确当前区域存在的水土流失问题[4]。

在本次应用实践中，分别采用PhotoScan、PixelMosaic以及Pix4dmapper对无人机低空遥感影像进行处理，监测区域的各项指标与水土保持工作量。利用上述3个软件对数据进行处理，监测区域面积与实测面积的误差分别为3.7%、-3.0%以及1.6%，最大误差绝对值为3.7%；监测区域的实际情况与监测结果差距较小，能够满足生产建设项目中水土保持监测精度要求。本次水土保持监测区域的数据处理结果如表1所示：

4.4 成果分析

在对该工程区域的监测过程中，无人机飞行平均海拔为145 m，影像采集数量为23张，建模覆盖面积超过0.10 km2，地面分辨率达到了4 cm，在没有添加控制点的情况下，X方向绝对误差仅为1.18 m，Y方向误差仅为0.55 m，Z方向误差仅为2.50 m，绝对精度与相对精度都能够达到米级别，能够满足该工程建设中水土保持监测需要。

5 新型无人机低空遥测技术在水土保持监测中的应用优化策略

通过上文的实践应用案例可以明确，新型无人机低空遥测技术在水土保持监测工作中具有良好的作用，所以需要持续强化对新型无人机低空遥测技术的应用，结合本次工程实践中存在的些许不足，本文提出如下几项新型无人机低空遥测技术的应用优化策略：（1）提升监测数据采集准确性。数据采集结果的准确性是水土保持监测工作的核心内容，与水土保持综合治理方案编制有着直接、密切的关系，如果数据采集结果不准确，数据出现了偏差，导致出现工程建设区域实际信息与监测信息不符的问题，从而导致水土保持治理质量受到很大负面影响。新型无人机低空遥测技术在水土保持监测中的应用，使得水土保持监测的数据采集结果准确性有很大程度的提高，为此要保证信息和数据更加全面、精准度更高，能够将水土保持监测的多项信息真实的进行反应，从而为工程建设与水土保持工作提供支持。（2）提高参建人员水土保持意识，提高监测效率。为了提高施工人员水土保持意识，在项目开工前，建设单位组织水保服务单位进行水土保持监测技术交底，监测单位从监测技术路线、布局、内容与方法、工作组织与质量保证等方面详细地介绍本项目监测实施方案相关内容，确保新型无人机低空遥测技术能够得到落实，高度重视施工过程中的水土保持管理工作；将水土保持工程建设管理纳入了项目建设管理体系，按照水土保持方案确定的建设内容、进度安排、技术标准等，对工程质量实施全过程、全方位的管理[5]。（3）强化设计，保证水土保持工作技术依据。为了保证后续工期监测持续性和稳定性，还应该对重点防治区水土保持情况进行任务分配，在采用新型无人机低空遥测技术时，依靠获取的数据构建水土保持监测信息网，对管理监测数据进行汇总和上报，编制监测报告，对水土保持情况进行动态化分析和管理，根据监测任务确定监测频次。新型无人机低空遥测技术在水土保持监测中的应用，需要持续加强设计工作，结合科学的前期设计工作，能够为后期工作打下良好的基础。

6 结语

综上所述，本次施工建设项目中，通过新型无人机低空遥测技术开展水土保持监测，可以及时掌握施工期和运营初期项目区水土流失因子、水土保持措施实施及水土流失防治效果，明确项目区水土流失重点防治地段，新型无人机低空遥测技术在监测工作中发挥出了良好等技术效果，为水土保持监督管理、完工验收及方案实施提供技术保障。