小流域水土流失治理无人机技术应用研究

石先闯，王丽娜

(1.承德市水土保持科学研究所，河北 承德 067000；2.承德供水集团有限公司，河北 承德 067000)

水土保持是国家生态文明建设的重要组成部分，也是水利部新时期改革发展的新要求[1]。河北省地处华北地区东北部，东临渤海，西倚太行山与山西相望，南接河南，北与内蒙接壤，东南和东北部分别毗邻山东省、辽宁省，中间环绕北京和天津市，全省国土面积18.86万km2，水土流失面积4.71万km2，占全省土地总面积的24.97%，以轻、中度侵蚀为主，轻、中度侵蚀面积占水土流失面积的98.63%，水土流失面积较大的是张家口市和承德市，分别占全省水土流失面积的31.83%、30.84%，主要集中在太行山、燕山山地丘陵地区，太行山、燕山山地丘陵地区是京津冀生态屏障和水源涵养区，还是革命老区、少数民族地区和贫困地区，水土流失预防和治理任务十分艰巨。太行山、燕山山地丘陵地区山陡林密，外业工作困难大，无人机可充分发挥其优势，在项目规划设计、施工、监理、监测、竣工验收阶段均可实施，大大提高效率，无人机在河北省的水土保持工作中具有广阔前景，本次以怀来县东沟小流域综合治理工程为研究对象。

1 区域概况

怀来县国土总面积1782.32km2，水土流失面积593.91km2，占总面积的33.3%，现有耕地面积222.18km2，约70%为坡耕地，土壤侵蚀主要为水蚀，侵蚀强度主要为轻度侵蚀。水蚀主要分布在坡耕地和干旱阳坡，侵蚀形式表现为坡耕地的层状面蚀、沙粒化面蚀、细沟状面蚀、一级荒山阳坡的鳞片状面蚀和沟蚀，另有部分崩塌、滑坡等重力侵蚀。

东沟小流域土地总面积34.88km2，其中旱平地351.51hm2，占土地总面积的10.1%；坡耕地面积151.27hm2，占土地总面积的4.3%；荒草地1003.11hm2，占土地总面积的29%；天然牧草地1049.34hm2，占土地总面积的30%；灌木林地870.11hm2，占土地总面积的25%；沟道面积31.74hm2，占土地总面积的0.9%，村镇及工矿用地20.38hm2，占土地总面积的0.6%；交通运输用地10.67hm2，占土地总面积的0.3%，占地类型组成见表1。

表1 占地类型组成

东沟小流域涉及王家楼乡长安岭、旧站堡、东庄子、于庄子、瓦房等5个行政村，7个行政村位于永定河流域。

东沟小流域现有水土流失面积1195.13hm2，占总面积35%，侵蚀形式以水蚀为主，重力侵蚀、风力侵蚀与之相伴发生，轻度侵蚀有667hm2，中度侵蚀有376.74hm2，强度侵蚀有151.39hm2，工程区平均土壤侵蚀模数达1348t/(km2·a)，年流失量达到1.61万t。水土流失面积及水土流失量见表2。

表2 水土流失面积及水土流失量

2 技术路线

2.1 影像获取

手动设置飞行范围，选择多边形，调整飞行参数进行航线规划，保障正射。当规划路线上传成功后，无人机开始执行飞行任务，按设置的拍照模式拍摄，并实时传回拍摄快视图，完成原始遥感影像数据获取[2]。

完成飞行任务后导出数据，利用软件Pix4Dmapper对获取的原始数据进行自动化处理快速拼接，该软件的操作流程简便，建立测区后导入POS数据默认WGS84坐标、照片、控制点即可自动生成并给出质量报告。图像范围、重叠度、色彩等可通过质量报告查看是否满足要求，是否存在漏拍、图像质量等问题，如有问题应当场进行补拍。遥测作业时，对天气有一定要求，最好晴朗无云，无风[3]。所有相片都应匹配对齐，即Dataset(数据集)应满足100%；为保障照片不失焦，Camera optimization quality(相机参数优化质量)应不超过5%，即无人机飞行作业完毕后，关闭无人机电源，将无人机放到飞行箱内，再进行实物记录。对于研究区，还应使用照相机实地拍摄，记录拍摄点水土保持措施的地理坐标、时间等要素，完毕后及时进行内业处理，分类归档保存。

2.2 影像处理

无人机数据处理软件主要有：PhotoMetric、Pix4D mapper、PhotoScan、CC等，考虑到出图质量对后期解译标志判定的巨大影响，选择Pix4D mapper软件进行内业处理。

Pix4Dmapper软件由瑞士Pix4D公司研发，是一款集全自动、快速、专业精度为一体的无人机数据和航空影像数据处理软件，自动生成精度报告，可以快速和正确地评估结果的质量，显示处理完成的百分比，以及正射镶嵌和DEM的预览结果，提供了详细的、定量化的自动空域网平差和地面控制点的精度[4]。

本研究主要通过Pix4D mapper对无人机拍摄的基本图像进行拼接融合，可快速获得清晰的正射图像，质量报告通过初步处理后，图像拼接工作随之展开，生成稀疏点云，在此基础上加密生成密集点云，紧接着进行纹理渲染，而后建立DEM生成正射影像图[5]。

无人机正射影像质量要求如下：影像空间分辨率应优于0.2m；影像清晰，层次丰富，反差适中，色调柔和；能辨认出与地面空间分辨率相适应的水土保持措施和土地利用类型；影像上不能有云、云影、烟、大面积反光和污点等缺陷；拼接影像应无明显模糊、重影和错位现象。

项目前期阶段，在正射影像图上进行精细化设计，如边界的确定，面积的测量、措施的定位布设等，实现“设计工作精细化”；在项目管理、验收及评估阶段，将正射影像图导入Arc GIS中，正射图像格式应为TIF栅格格式，导入后自动生成瓦块地图，图像清晰可以作为水土保持措施标志解译的判别依据[6]。

3 实施方法

3.1 措施布设及实施方案编制

水土保持综合治理设计利用无人机技术辅助，调查范围可扩大到人力调研无法到达区域，利用无人机空中优势，快速掌握项目区河流湖泊、耕地、林草资源等土地利用类型的分布、地貌形态、植被覆盖以及水土流失现状等信息。通过成像系统，形成连续影像遥感资料、大比例地形图，补充和完善项目区基础资料，有效增强水土保持规划设计的针对性、预见性和前瞻性，提高水土保持措施的精准度、可靠性和持续性。

东沟小流域确定建设内容包括：水平梯田104hm2，铺设节水管道10200m，蓄水池5座，施工道路6km，铅丝笼谷坊5道。栽植榛子和海棠98hm2，栽植水保林98hm2，封禁治理700hm2。

3.2 治理措施核查

借助无人机空中优势和成像优势，对水土流失防治措施、防治效果各项指标一一进行检查核验。对于点状、现状工程大跨度的调查工作，应用无人机低空飞行和成像设备采集数据，能够快速获取工程位置、规模等基础数据，大大提高工作效率，缩短核查时间，同时使核查结果更加客观、准确、可靠，更具说服力。

核查工作重点是图斑的实施进度。首先从“全国水土保持信息管理系统”中下载数据，包括项目区实施方案、工程进度文本信息和措施布局图矢量文件，选取拟核查措施图斑，如生产道路、坡面截流工程等。其次，项目区现场核查工作利用无人机和移动终端等工具，主要采集核查图斑正射影像，核查图斑现场照片，核查工作视频等内容，基于现场实际情况填写核查信息表。然后，进行抽查措施图斑矢量化工作，根据无人机影像特征，以先验知识、解译标志、设计图斑属性以及现场调研结果作为参考，人工勾绘项目区核查阶段水土保持措施现状图斑，计算每个核查措施图斑规模，填写核查信息表。见表3—4。

表3 水土保持措施计划应该完成工程量、实际完成工程量及对比情况

(续表)

(续表)

3.3 治理措施验收

以“全国水土保持信息管理系统”为基础，应用移动终端、遥感技术及无人机航拍等手段对各项措施选取一定比例进行现场复核。重点核实抽查图斑的措施类型与措施布局图(或措施变更图)、竣工验收图描述是否一致，措施数量是否属实，措施质量是否合格等。

前期准备工作与在建工程相似，现场抽查信息采集项目区现场核查工作应利用无人机和移动终端等工具，主要采集核查图斑正射影像，在项目区现场利用无人机低空航摄照片，利用无人机航拍照片拼接技术，获取核查图斑的正射影像数据(无人机影像)。与在建工程不同的是，竣工验收抽查信息化监管需要按照公式计算措施符合率、措施质量合格率和措施完成率指标，填写现场抽查信息表。见表5—6。根据无人机和移动终端现场核查结果，对核查措施图斑编码、措施类型、设计措施数量、实际完成措施数量、措施质量进行校核，然后根据校核后数据，分别计算本项目截至核查时间实际的措施完成率、项目进度，给出详细的核查意见，并得到各项目区水土保持措施分布图。

表5 东沟小流域治理工程现场调查信息表

(续表)

(续表)

表6 东沟小流域措施完成情况汇总表

3.4 治理措施效果后评价

治理措施效果后评估指对项目实施1～5a后的治理效果进行评估。评估内容包括项目水土流失治理情况、水土保持措施保存情况、林草植被覆盖情况以及水土流失消长情况等。通过解译评估年土地利用、水土保持措施和土壤侵蚀状况，结合措施布局、措施变更图中的水土保持措施规模，评估项目区水土保持措施的实施效果。见表7—8。

表8 项目区实施前与实施后土壤侵蚀强度转移矩阵 单位：hm2

4 结语

以图斑为单元规划或者解译水土保持措施，进行矢量化操作，得出同一种类水土保持措施工进度完成情况，提前还是滞后，完成后可以得出验收成果，以及运行几年后项目区水土流失强度矩阵变化情况，应用无人机可迅速而精准地把握水土流失治理全过程以及后期效果，[7]构建水土保持数据库，对水土保持数据进行管理，促进和加快河北省水土流失治理，助力生态文明建设。

无人机应用还存在不少问题，飞行稳定性受气象条件影响较大，获取遥感数据缺少快速的处理方法和管理技术指导平台，尚未充分实现多源数据的综合应用，高精度、高阶数据的有效信息未能完全发掘[8]。