基于无人机遥感技术的水土保持生态建设监测实践研究

2023-03-02何东礼

数字通信世界 2023年8期

何东礼

（张掖市甘兰水利水电建筑设计院，甘肃张掖 734000）

目前，我国出台了一系列水土保持相关律法，要求大型及中型生产建设项目均需开展水土保持生态建设监测工作，以了解生产建设对水土流失所造成的影响。部分规模较大的点型或线型项目在建设时，需要引入遥感监测方式、严格按照规定的监测频次及精度要求实施监测。在水土保持生态建设遥感监测工作开展中，还应采取事中监测与事后监管相结合的监测方法，采用无人机、遥感设备等先进技术作为支持，确保水土保持生态建设监测任务的高质效完成[1]。

1 项目概况

某抽水蓄能电站工程在建设时，设计装机容量为1 280 MW，需要安装容量均为320 MW的水泵水轮发电机4台。此水利工程项目建设位置在亚热带季风气候区内，气候温润多雨，全年降雨量较大，年平均降水量约为2 180 mm，降雨时间主要集中在夏季时节。本项目建设区的地层主要为赤红壤，建设区周边栽种的是常绿阔叶林，大多数为次生阔叶林，具备较大的林草覆盖面积，覆盖率高达85%。为防止本项目建设导致大量水土流失，保障建设区域生态环境不遭到严重破坏，在本项目建设过程中，同步采用了无人机遥感技术监测分析水土保持生态建设的实施成效。

2 水土保持生态建设监测中无人机遥感技术的实践应用

2.1 无人机运行参数设置

2.1.1 弹射式高空巡航无人机

以弹射式起飞的高空巡航无人机机体自重4.3 kg，机体上加载3 640万像素的相机。飞行时速设置为65 km/h，飞行时间为50 min，共设置3个飞行高度，分别为300 m、600 m与900 m，不同飞行高度下地面采样距离分别为4.2 cm、8.4 cm与12.6 cm。此无人机在拍摄地面影像前需要做好航线规划设计，在地面上适合位置选取控制点，加载固定相机后应按照规划好的航线飞行，以便采集到中心投影影像。

2.1.2 垂直式低空飞行无人机

此无人机机身较轻，总重仅有2.9 kg，飞行时速最高可达79 km/h，飞行总时长为18 min，机身搭载的是1 2 4 0万像素的相机，其影像传感器仅为2.3 i n（1in=2.54 cm），采用的是20 mm镜头，设置3个航高，分别为100 m、200 m、300 m，各航高下地面采样距离依次为4.33 cm、8.65 cm与12.98 cm。此种无人机能够结合监测需求在航拍过程中随时调整航线，可采用软件对采集的正射影像、数字地理模型数据进行后期处理。

2.2 水土保持数据处理

本项目在获取到正射影像图之后，利用arcGIS10.2软件进行相应数据处理，由于无人机航拍采用的是高分辨率相机，获取到的影像清晰度较高。

2.2.1 扰动面积数据提取

首先利用直接判读法提取扰动面积数值，结合解译出的数据绘制出项目区受到扰动的土地分布图，并以防治责任范围专题图为依据进行对比分析，将这两个图做矢量叠加处理，再比对项目区人为扰动面积及防治责任范围，进而利用综合分析法确定扰动面积是否超限[2]。

2.2.2 水土流失情况分析

一是土壤流失面积大小，主要是由人工采取目视解译方法提取利用无人机拍摄影像相关数据。二是土壤受侵蚀强度，通过目视解译方法提取土地利用数据，并利用VDVI指标计算得出植被覆盖率，采用高程模型构建的方式获取坡度信息，在这些数据基础上，根据最新土壤侵蚀分类分级标准计算出土壤侵蚀强度。三是水土流失所产生的危害程度，由地面监测点验证分析土壤侵蚀强度结果，了解本项目区内不同侵蚀强度土壤的分布状况，进而明确水土流失所产生的危害。

2.2.3 水土保持措施解译

在水土保持生态建设监测过程中，要判断水土保持措施应用的科学性，因而需要对水土保持措施应用相关数据进行解译处理[3]。本工程采取的水土保持措施共有三种，主要是挡墙砌筑、排水沟等工程措施，在此基础上还采取了撒播草籽、栽种树木等植物措施，并在部分区域应用了无纺布覆盖等临时措施。数据处理人员可采用人工目视解译方法对工程现场的水土保持措施资料进行解译处理，以便得出水土保持措施应用效果分析结论。

2.2.4 弃土场解译

在对弃土场数据进行处理时，同样需要提取土地扰动面积、水土保持措施应用相关数据。这两项数据可采用人工目视方法解译得出，同时还需要获取土方量及弃土方量的具体数值。此数据的获取主要利用arcGIS10.2软件完成，需要以高分辨率无人机飞行时拍摄到两组数字地理模型数据为依据，通过差值计算得出具体的土方量数据。

2.2.5 水土保持设计变更判读

设计变更情况的分析要以主体工程位置、取土场位置、工程数量三个主要数据的提取与分析作为判定基准[4]。分析过程中需要采取地理配准方法，从无人机航拍获取到的影像中提取这三个数据，而后与本项目的水土保持防治分区图进行对比，并结合水土保持防治责任范围图及项目工程施工布置图等相关资料，判读出本项目的设计变更情况。

3 基于无人机遥感技术的水土保持生态建设监测结果分析

3.1 水土保持生态建设监测结果

3.1.1 扰动土地面积监测结果通过人工目视解译的扰动土地面积数据结果发现，本工程施工建设时产生了一定的土地扰动现象，但影响范围不大，所产生的土地扰动面积共计116 hm2。通过将扰动面积图与水土保持防治责任范围图做矢量叠加处理后发现，本项目的土地扰动面积未超出防治责任范围，说明土地扰动并未对生态建设带来较大影响。

3.1.2 水土流失监测结果

通过目视解译、综合判别方法，结合相关数据分析得出，本项目的土壤侵蚀以水力侵蚀为主，大多数区域为微度侵蚀，水土保持措施布置较为完整，取得了良好的防治成效。其中，项目区上库公路两边由于实施的混凝土喷射护坡保护措施，并栽种了相应的绿化植物，起到了一定的水土保持防护效果，因而侵蚀强度较轻微。弃渣场实施了土地平整处理，同时也栽种了植物，由于水土保持防护措施落实度良好，属于轻度侵蚀区。而上库采石场因已弃用而未实施水土保持防护措施，因而水土流失较为严重，属于土壤强度侵蚀较为剧烈的区域。

3.1.3 水土保持措施监测结果

本项目上库区域综合应用了多种水土保持措施，根据无人机影像图显示，植被生产状况较佳，植被区形状规则，并且具备相对清晰的纹理，可利用目视解译无人机影像统计出各个区域的水土保持措施实施数据。本项目区的水土保持措施以浆砌石护坡为主，护坡面积为3 298 m2。且道路两侧各挖掘了一条长度为141.5 m的排水沟。道路左侧设置了92 m的截水沟，其他区域采取撒播草籽的方式实施了绿化处理，并在其上临时加盖了无纺布，临时措施保护面积为198.5 m2左右。

3.1.4 弃土场监测结果

根据无人机正射影像图，结合项目施工平面图，完成了本项弃土场的监测数据。通过分析本项目区副坝四坝后弃渣场遥感监测图发现，该渣场的弃渣工作已完成，并且渣场实施了水土保持防护措施，整个渣场共计占用土地3.93 hm2，在弃渣之后已由施工人员做好了土地平整处理，并在弃渣场周边栽种了大量植物，起到了一定的水土保持效果。通过数据解译得出，该渣场处坡脚处采取了多项水土保持工程措施，修建了长13 m、高50 cm的挡墙，并建有长度为2 m的方形沉砂池，除此之外，还在渣场外围修建了排水沟，沟宽为60 cm，这些措施均为本项目水土流失起到了一定的防控成效。

3.1.5 水土保持设计变更监测结果

本项目在项目区内选取了多个控制点，主要为道路、建筑物以及水域等，将高分辨率无人机影像图与项目施工布置图进行对比，根据对这些典型区域的变化情况分析明确了项目实际建设内容，了解了各项目建设地点，并结合对比结果得出项目设计变更情况的分析结论。通过无人机影像图发现，监测图像中下部出现了一片灰色区域，通过矢量叠加分析发现原施工布置图中无此区域，此处属于项目施工建设时临时增设的弃土场，说明本项目中有设计变更现象。因此，监测单位将此结果提交给建设单位，并建议其及时制作弃渣场变更设计，并上交给相关部门留档备案。

3.2 水土保持生态建设监测中无人机应用效果分析

3.2.1 无人机监测适用性情况

本项目应用无人机遥感技术完成了水土保持生态建设情况监测实践，经过对实践结果分析得知，此技术能够高质量、高效率完成土地扰动面积监测、取土场监测、水土保持措施应用情况监测等多项监测任务。同时，在项目区工程资料应用的基础上，还可实施水土保持工程设计监测、水土流失防治指标落实情况监测工作，并取得了良好的应用成效。由于无人机体积小、飞行灵活，搭载的摄像机分辨率较高，能够精准获取生产建设项目的水土保持相关数据，因而在水土保持生态建设监测方面具有较高的适用性。

3.2.2 无人机遥感监测弊端

虽然无人机遥感技术具备良好的监测功能，然而实践应用中也可能会出现一定的数据误差。主要是因为本项目建设区的地形条件相对复杂，无人机搭载相机所拍摄的地面模型数据属于表面高程数据，植被高度、地形条件均会影响到数据精度，因而通过监测高程动态分析土石方变化情况时可能产生误差，以坡度为依据计算土地侵蚀强度时所得结论也可能不够精准。由于本项目属于点状工程，无人机遥感监测效果良好，但对于具备更长监测线路的线型工程而言，应用无人机遥感技术时可能存在工作量过大的情况[5]。

3.2.3 无人机遥感监测结果精度

在水土保持生态建设项目中，无人机遥感技术的应用具备监测精度高、监测效率快、监测自动化程度高三方面优势。在项目建设过程中，对土地挖掘频次大、工程建设地形相对复杂的项目而言，应用无人机遥感技术能够同时提升监测的精度与安全性。线型工程也可采取无人机遥感技术定期监测弃渣场以及易出现水土流失问题的关键区域。相较于普通监测方式而言，此技术能够获取到更加全面、客观与精准的监测数据，所得出监测结果的精度也更高。

3.2.4 两种无人机应用情况

通过对本项目所应用的两种类型的无人机方面分析可知，相较于垂直起飞的低空飞行无人机而言，采用弹射式起飞模式的高低巡航无人机巡航面积更大，并且所获取的数据精准度更高，然而此种无人机起落时对于场地条件的要求较高。在本项目中，由于地形条件相对复杂，弹射式起飞的无人机应用并不方便，而垂直起飞的低空飞行无人机因对场地要求不高而更易操作，能够便捷完成水土保持生态建设监测任务。因此，针对地形复杂的点状工程，垂直起飞模式的无人机具备更高应用优势。