劉景發(fā),常溫花 ,喬雨寧,黨小尼 ,郭 嘉

(1.黃河水利委員會(huì) 水土保持局， 河南 鄭州 450003； 2.黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003； 3.黃河水土保持西峰治理監(jiān)督局， 甘肅 慶陽(yáng) 745000)

小型無(wú)人機(jī)在水土保持督查中的應(yīng)用探索

劉景發(fā)1,常溫花2,喬雨寧3,黨小尼3,郭 嘉3

(1.黃河水利委員會(huì) 水土保持局， 河南 鄭州 450003； 2.黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003； 3.黃河水土保持西峰治理監(jiān)督局， 甘肅 慶陽(yáng) 745000)

小型無(wú)人機(jī)；水土保持督查；應(yīng)用

依據(jù)水利部關(guān)于國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持督查的有關(guān)要求，為適應(yīng)政府職能轉(zhuǎn)變和強(qiáng)化細(xì)化行業(yè)管理，黃河水利委員會(huì)水土保持局甘肅省督查組，首次在黃土高塬溝壑區(qū)對(duì)小型無(wú)人機(jī)在水土保持督查中的應(yīng)用進(jìn)行了探索。提出了無(wú)人機(jī)督查的技術(shù)要點(diǎn)，并針對(duì)無(wú)人機(jī)督查中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題提出了解決的辦法，以期為今后的水土保持督查工作提供新技術(shù)、新方法。

1 督查區(qū)基本情況

(1)地理位置。督查區(qū)為甘肅省黃土高塬溝壑區(qū)，位于甘肅省東部，西近六盤山，東靠子午嶺，北部與環(huán)縣、華池、慶陽(yáng)、固原一線的丘二區(qū)接壤，西南鄰近達(dá)溪河同丘三區(qū)連接，東南與陜西省長(zhǎng)武縣(屬黃土高塬溝壑區(qū))相連。介于東經(jīng)106°40′～108°25′、北緯34°37′～35°52′之間，總土地面積15 149 km2，包括慶陽(yáng)市的慶城、西峰、合水、寧縣、正寧、鎮(zhèn)原和平?jīng)鍪械臎艽?、平?jīng)?、崇信、靈臺(tái)等10個(gè)縣(市)的111個(gè)鄉(xiāng)。

(2)地貌。督查區(qū)地貌是在古基巖地形基礎(chǔ)上，通過(guò)黃土沉積和涇河水系的長(zhǎng)期切割侵蝕而形成，地貌景觀呈塬、坡、溝、川、峁等形態(tài)，區(qū)內(nèi)較大的黃土塬約有20個(gè)，其中15～30 km2的有店子塬、新集塬、木林塬3條，30～50 km2的有春榮塬、永和塬、草峰塬3條，50～100 km2的有臨涇塬、屯子塬、西華池塬、索羅塬、荔堡塬、柏樹-中原塬6條，100～200 km2的有平泉塬、盤克塬、早勝塬、宮和塬、黨原-玉都-豐臺(tái)塬、高平塬、什字塬7條，200 km2以上的有董志塬1條。本區(qū)塬面面積2 681.42 km2，占本區(qū)總面積的17.7%。

黃土塬面地勢(shì)平坦開(kāi)闊，坡度1°～5°，由嶺、坳、胡同等組成，塬邊地形破碎，侵蝕較強(qiáng)的坳溝以葉脈狀伸入塬心，有些地方兩條侵蝕溝幾乎連通，僅留幾米或十幾米的峴子。黃土溝壑地貌復(fù)雜，可分為古代侵蝕谷坡和現(xiàn)代侵蝕溝兩類。甘肅省高塬溝壑區(qū)0～5°土地面積占總面積的36.4%、5°～15°占20.5%、15°～25°占14.4%、25°～35°占13.7%、大于35°占15.0%。

(3)植被。甘肅省高塬溝壑區(qū)植被屬暖溫性森林草原帶，基本上無(wú)天然森林植被，僅有的天然草被主要分布在溝坡和山坡上，大多不連片。陰坡生長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)種有大針茅、鐵桿蒿、本氏針茅、茵陳蒿、沙草等，伴生種有達(dá)烏里胡枝子、紫菀、多裂委陵菜等，一般草高12～18 cm，覆蓋度60%～100%；陽(yáng)坡地勢(shì)相對(duì)平緩，大部分已被開(kāi)墾為梯田，草地面積很小，生長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)種有白羊草、本氏針茅、麻蒿、茵陳蒿、短花針茅、隱子草等，伴生種有委陵菜、阿爾泰紫菀等，草高15～40 cm，覆蓋度30%～90%。人工草主要為紫花苜蓿，人工喬灌以刺槐、山杏、白榆、檸條、沙棘、紫穗槐等為主?！八呐浴本G化樹種有楊樹、柳樹、楸樹、泡桐、椿樹、國(guó)槐、棗樹、核桃、蘋果、梨、李子等。

(4)措施類型。黃土高塬溝壑區(qū)水土保持措施類型，塬面有條田、果園、溝頭防護(hù)、澇池、水窖；坡面有梯田、造林、種草、封禁；溝道有谷坊、溝底防沖林、淤地壩。

2 督查要求

按照《水利部水土保持司關(guān)于開(kāi)展國(guó)家水土保持重點(diǎn)工程督查工作的通知》〔水保生態(tài)(2017)7號(hào)〕中關(guān)于督查方式的要求，進(jìn)行項(xiàng)目縣現(xiàn)場(chǎng)督查、抽查，督查組隨機(jī)抽查項(xiàng)目縣、小流域、具體措施，每類工程抽查1～2個(gè)項(xiàng)目縣，每個(gè)項(xiàng)目縣至少抽查一條小流域，每項(xiàng)措施隨機(jī)抽查一定比例圖斑。以國(guó)家水土保持重點(diǎn)工程項(xiàng)目管理信息系統(tǒng)為基礎(chǔ)，積極應(yīng)用移動(dòng)檢查驗(yàn)收終端、遙感技術(shù)及無(wú)人機(jī)航拍等手段，對(duì)措施圖斑進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核。

3 無(wú)人機(jī)在督查中的應(yīng)用及探索

3.1 前期準(zhǔn)備工作

《民用無(wú)人駕駛航空器系統(tǒng)駕駛員管理暫行規(guī)定》規(guī)定，小于等于7 kg的微型無(wú)人機(jī)，無(wú)人機(jī)操作員或無(wú)人機(jī)觀測(cè)員與無(wú)人機(jī)保持直接目視視覺(jué)接觸的操作方式，航空器處于駕駛員或觀測(cè)員目視視距內(nèi)半徑500 m，相對(duì)高度低于120 m的區(qū)域內(nèi)飛行。由于目前我國(guó)法律沒(méi)有明確規(guī)定無(wú)人機(jī)飛行高度，所以本次督查暫時(shí)在大疆公司統(tǒng)一規(guī)定的200 m航管限制高度內(nèi)飛行。

(1)所需設(shè)備及人員。配置齊全的小型無(wú)人機(jī)1臺(tái)，能熟練掌握飛行技巧的操作員1名、觀察員1名。

(2)所需飛行及處理軟件。大疆手機(jī)App DJI GO、自動(dòng)飛行軟件Altizure、無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件Pix4dmapper。

3.2 航拍及數(shù)據(jù)處理工作

(1)航拍。①使用自動(dòng)飛行軟件的無(wú)人機(jī)必須先用DJI GO連接無(wú)人機(jī)并校準(zhǔn)指南針，刷新返航點(diǎn)，設(shè)置返航高度并調(diào)整飛行模式至F擋。由于自動(dòng)飛行軟件Altizure與DJI GO后臺(tái)沖突，所以打開(kāi)Altizure前推薦關(guān)閉DJI GO。②打開(kāi)Altizure，確認(rèn)無(wú)人機(jī)是否連接正常，返航點(diǎn)是否刷新，返航點(diǎn)與定位點(diǎn)是否一致，在Altizure的地圖內(nèi)找到所需核實(shí)圖斑的區(qū)域(推薦使用Google地圖)新建飛行路線并覆蓋該區(qū)域，利用對(duì)航向、旁向重疊率及飛行高度的設(shè)置調(diào)整所需飛行時(shí)間及成圖精度。鎖定飛行任務(wù)點(diǎn)擊就緒，等待系統(tǒng)自檢并完成上傳任務(wù)后點(diǎn)擊開(kāi)始，執(zhí)行飛行任務(wù)。當(dāng)一塊電池不足以完成飛行任務(wù)時(shí)，可更換多塊電池，每次更換電池后可繼續(xù)執(zhí)行未完成的任務(wù)。③當(dāng)任務(wù)完成后，選擇返航，自動(dòng)飛行至返航點(diǎn)并降低到可目視的高度后，點(diǎn)擊停止返航，根據(jù)觀察員指示進(jìn)行手動(dòng)微調(diào)使無(wú)人機(jī)降落至安全著陸點(diǎn)。

(2)數(shù)據(jù)處理。①將航拍資料導(dǎo)入Pix4dmapper并制作成專業(yè)、精確的三維模型。②根據(jù)現(xiàn)狀圖在三維模型中勾出圖斑范圍并計(jì)算與實(shí)施方案中圖斑面積的相對(duì)誤差。③在圖斑內(nèi)勾出實(shí)施措施的范圍，利用相對(duì)誤差進(jìn)行校核[1-2]，與竣工測(cè)算面積對(duì)比，檢驗(yàn)實(shí)際措施面積與核算面積是否吻合。

4 結(jié)果與建議

4.1 無(wú)人機(jī)督查結(jié)果

(1)正寧縣?，F(xiàn)場(chǎng)檢查的位置離抽查圖斑過(guò)遠(yuǎn)，飛行途中浪費(fèi)大量無(wú)人機(jī)電量、時(shí)間，因此只測(cè)繪出抽查圖斑部分面積。

(2)寧縣。未關(guān)閉中國(guó)內(nèi)地坐標(biāo)糾偏功能，導(dǎo)致飛行路線偏差，測(cè)繪的范圍未涵蓋整個(gè)抽查圖斑，對(duì)缺少部分進(jìn)行人工糾正后，測(cè)算出的面積與實(shí)施方案基本相符。

(3)鎮(zhèn)原縣。生成了完整的圖斑3D模型，測(cè)算出的措施實(shí)施面積與規(guī)劃面積相差較大，建設(shè)單位提供的相關(guān)設(shè)計(jì)變更文件顯示，實(shí)施圖斑因有居民點(diǎn)，無(wú)法按規(guī)劃造林，缺少的造林面積已在其他圖斑中補(bǔ)植。

(4)莊浪縣。由于現(xiàn)場(chǎng)檢查地點(diǎn)的地勢(shì)過(guò)低，且抽查的圖斑內(nèi)存在村莊，信號(hào)受到嚴(yán)重干擾，導(dǎo)致無(wú)人機(jī)失聯(lián)，無(wú)法返航。

4.2 建 議

(1)應(yīng)選擇措施布設(shè)集中的圖斑進(jìn)行抽查以縮短飛行時(shí)間，提高數(shù)據(jù)處理效率。

(2)推薦關(guān)閉中國(guó)內(nèi)地坐標(biāo)糾偏，防止返航點(diǎn)及定位點(diǎn)錯(cuò)位，產(chǎn)生飛行路線偏差。

(3)盡量選擇開(kāi)闊平坦及地勢(shì)較高處作為起飛點(diǎn)，飛行時(shí)應(yīng)避開(kāi)村莊等信號(hào)干擾嚴(yán)重地區(qū)，防止無(wú)人機(jī)失聯(lián)。萬(wàn)一失聯(lián)，起飛點(diǎn)的通視條件好也便于進(jìn)行人工搜尋，減少損失。

5 結(jié) 語(yǔ)

小型無(wú)人機(jī)具有價(jià)格低廉、體積較小、便于攜帶、起飛降落條件要求相對(duì)較低、飛行高度符合管制要求、無(wú)需辦理飛行手續(xù)等優(yōu)點(diǎn)，適合在水土保持督查工作中進(jìn)行野外措施監(jiān)測(cè)。由于其配套的軟件和操作設(shè)備大部分可以在手機(jī)或ipad上完成，監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)在短時(shí)間內(nèi)可以出結(jié)果，效率高，生成的3D圖像形象直觀、便于判讀，故小型無(wú)人機(jī)滿足快速督查的時(shí)間與精度要求，值得推廣。

[1] 蒲朝勇.推動(dòng)水土保持監(jiān)測(cè)與信息化工作的思路與要求[J].中國(guó)水土保持，2017(5):3-4.

[2] 舒婷,李衛(wèi)正,張青萍,等.基于小型無(wú)人機(jī)的三維實(shí)景公園數(shù)字建模——以南京羊山森林公園為例[J].建筑與文化，2016(3):120-121.

S157

C

1000-0941(2017)12-0061-02

劉景發(fā)(1963—)，男，陜西合陽(yáng)縣人，高級(jí)工程師，主要從事水土保持管理工作。

2017-07-08

(責(zé)任編輯 張培虎)