劉宗濱
摘要? ? 水土保持是生態(tài)文明建設(shè)的重要組成部分,傳統(tǒng)水土保持工作方法已不能滿足新時(shí)代水土保持的需求。無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)解決了傳統(tǒng)水土保持工作中“看不了、看不全、效率低、精度差”等問(wèn)題。本文總結(jié)了無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在水土保持方案編制、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、監(jiān)管、規(guī)劃、驗(yàn)收評(píng)估等方面的具體應(yīng)用,論述了該項(xiàng)技術(shù)在水土保持領(lǐng)域的重要性和發(fā)展前景。
關(guān)鍵詞? ?無(wú)人機(jī);遙感技術(shù);水土保持;發(fā)展前景
中圖分類號(hào)? ? S157? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼? ? A? ? ? ? 文章編號(hào)? ?1007-5739(2019)10-0170-03
Abstract? ? Soil and water conservation is an important part of ecological civilization construction.The methods of traditional soil and water conservation can not meet the needs of the new era.Unmanned aerial vehicle remote sensing solves the problems of "invisibility,incompleteness,low efficiency and poor accuracy" in traditional soil and water conservation work.The applications in programme preparation,dynamic monitoring,supervision,planning,facility assessment and acceptance of soil and water conservation were summarized in this paper.The importance and development prospects of this technology in the field of soil and water conservation were also discussed.
Key words? ? unmanned aerial vehicle;remote sensing;soil and water conservation;prospect
無(wú)人駕駛飛機(jī)簡(jiǎn)稱無(wú)人機(jī)(UAV),是一種有動(dòng)力、可控制、能攜帶多種任務(wù)設(shè)備、執(zhí)行多種任務(wù),并能重復(fù)使用的無(wú)人駕駛航空器[1]。無(wú)人機(jī)與遙感技術(shù)的結(jié)合,即無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)(UAV-RS),是利用先進(jìn)的無(wú)人駕駛飛行器技術(shù)、遙感傳感器技術(shù)和遙感應(yīng)用技術(shù)等,實(shí)現(xiàn)快速獲取空間遙感信息,并完成遙感數(shù)據(jù)采集、處理和分析的應(yīng)用技術(shù)[1-2]。
水土資源是人類賴以生存的基礎(chǔ)性資源。水土流失是我國(guó)重大的環(huán)境問(wèn)題,嚴(yán)重的水土流失導(dǎo)致了各種嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。
為了保護(hù)水土資源,必須加強(qiáng)水土保持工作。水土保持是發(fā)展的生命線,是生態(tài)文明建設(shè)的重要組成部分。由于水土流失的成因復(fù)雜、差異性明顯,很難掌握不同區(qū)域水土流失變化規(guī)律,特別是開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目引起的水土流失,導(dǎo)致水土保持工作的任務(wù)十分艱巨[3]。
隨著航天航空技術(shù)的快速發(fā)展,高分衛(wèi)星遙感影像為近幾年來(lái)水土保持工作提供了重要的技術(shù)支撐。無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)因其能很好地彌補(bǔ)衛(wèi)星遙感的不足,而在水土保持工作中發(fā)揮了重要作用。特別是啟動(dòng)了生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持“天地一體化”監(jiān)管示范、國(guó)家水土保持重點(diǎn)治理工程“圖斑精細(xì)化”管理示范以來(lái),無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)已被應(yīng)用到水土保持工作的各個(gè)方面。無(wú)人機(jī)技術(shù)打開(kāi)了水土保持工作的“天眼”,將水土保持工作推向更高的發(fā)展層次[4]。筆者梳理了UAV-RS技術(shù)在水土保持領(lǐng)域的具體應(yīng)用現(xiàn)狀,分析了該技術(shù)在水土保持中存在的問(wèn)題,展望了該技術(shù)在水土保持中的發(fā)展前景。
1? ? UAV-RS的組成與優(yōu)點(diǎn)
無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)主要由飛行器平臺(tái)、控制站、通信鏈路、遙感監(jiān)測(cè)平臺(tái)、實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)、地面保障系統(tǒng)(含發(fā)射系統(tǒng))、動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測(cè)決策支持系統(tǒng)和后期數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)最重要的飛行器平臺(tái)由航空器平臺(tái)、動(dòng)力裝置、導(dǎo)航飛控系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、任務(wù)設(shè)備等組成??刂普就ǔS蓴?shù)據(jù)鏈路控制、飛行控制、載荷控制、載荷數(shù)據(jù)處理構(gòu)成。通信鏈路由指揮與控制、空中交通管制、感知和規(guī)避3種鏈路組成。
無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)具有自動(dòng)化、智能化、成本低、風(fēng)險(xiǎn)小、移動(dòng)性能高、高時(shí)效性、高分辨率、大比例尺、云層下成像等優(yōu)點(diǎn)[2-5],其獲取的數(shù)據(jù)正逐步成為衛(wèi)星遙感和地面遙感的有效補(bǔ)充手段而被廣泛應(yīng)用。
2? ? UAV-RS在水土保持中的應(yīng)用
2.1? ? 水土保持方案編制
隨著國(guó)家改革向縱深推進(jìn),水土保持方案的編制進(jìn)入了一個(gè)新的歷史階段,對(duì)項(xiàng)目區(qū)概況介紹、措施布設(shè)和取土場(chǎng)、棄渣場(chǎng)選址的合理性等方面的要求更高。因此,方案編制前期的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、踏勘等工作非常重要。傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查主要是依據(jù)打印現(xiàn)狀地形圖和主體工程平面布置圖,用數(shù)碼相機(jī)、筆記本和測(cè)量工具進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘,這種方法工作量大、數(shù)據(jù)獲取難、主觀性強(qiáng)。UAV-RS技術(shù)應(yīng)用到水土保持方案編制現(xiàn)場(chǎng)踏勘中,編制人員可以通過(guò)無(wú)人機(jī)遙感影像和解譯數(shù)據(jù),在短時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確掌握建設(shè)項(xiàng)目區(qū)概況,確定項(xiàng)目按建設(shè)區(qū)的水土流失的防治責(zé)任范圍,科學(xué)地設(shè)置水土保持分區(qū)、合理地布設(shè)水土保持防治工程措施、植物措施和臨時(shí)措施。通過(guò)無(wú)人機(jī)遙感數(shù)據(jù)和三維軟件建模,制作出項(xiàng)目區(qū)地形圖和三維地圖,依據(jù)方案編制中的限制性規(guī)定,確定項(xiàng)目取土場(chǎng)、棄土場(chǎng)和棄渣場(chǎng)等的位置,完成主體工程評(píng)價(jià)和水土保持防治措施的設(shè)計(jì),最終達(dá)到恢復(fù)地貌的水土保持功能[5]。
2.2? ? 水土保持監(jiān)測(cè)
水土保持監(jiān)測(cè)是水土保持工作的重要組成部分,是預(yù)防和治理水土流失的重要基礎(chǔ)[6]。然而,傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法有調(diào)查監(jiān)測(cè)、地面觀測(cè)和巡查監(jiān)測(cè)三大類,以人工調(diào)查方式為主。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)查看,利用簡(jiǎn)單的測(cè)量和定位工具進(jìn)行測(cè)量,結(jié)合相關(guān)資料進(jìn)行估測(cè),受人為干預(yù)較大,特殊、復(fù)雜區(qū)域數(shù)據(jù)難以獲得等原因,造成水土保持監(jiān)測(cè)“到不了、看不全、效率低、精度差”等問(wèn)題[7-8],無(wú)法滿足新時(shí)代水土保持信息化發(fā)展的監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)性、時(shí)效性和完整性要求。
航天科技的快速發(fā)展,使衛(wèi)星遙感技術(shù)應(yīng)用到水土保持監(jiān)測(cè)中,并解決了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法存在的一些缺陷[9-10]。但是,由于衛(wèi)星遙感的周期性、監(jiān)測(cè)精度低、同譜異物、存在云層遮擋等問(wèn)題,影響水土保持監(jiān)測(cè)工作的精準(zhǔn)化和信息化發(fā)展,特別是生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目引起的水土流失監(jiān)測(cè)。無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)能快速獲取特定時(shí)間的高精度數(shù)據(jù),很好地解決了衛(wèi)星影像存在的問(wèn)題,并且能依據(jù)不同的監(jiān)測(cè)需求提供特定的服務(wù)[11]。無(wú)人機(jī)遙感與地理信息系統(tǒng)技術(shù)的充分結(jié)合,形成了一個(gè)集監(jiān)測(cè)、分析、處理于一體的數(shù)據(jù)信息系統(tǒng),不僅為水土流失防治提供了重要的技術(shù)支撐,而且還有助于推進(jìn)新時(shí)代水土保持信息化快速發(fā)展。
無(wú)人機(jī)遙感通過(guò)對(duì)項(xiàng)目區(qū)進(jìn)行航拍,獲得測(cè)定范圍內(nèi)的遙感影像、地形圖、DOM、DEM等數(shù)據(jù),依據(jù)項(xiàng)目區(qū)建立的解譯標(biāo)志,對(duì)遙感影像進(jìn)行融合和解譯,進(jìn)而提取出防治責(zé)任范圍、水土流失面積、棄渣量、水土保持各項(xiàng)措施等各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的信息。目前,研究人員對(duì)該技術(shù)在各種不同的水土保持監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中的應(yīng)用進(jìn)行了探究,發(fā)現(xiàn)該技術(shù)比傳統(tǒng)人工監(jiān)測(cè)效率提高了3~5倍[12],具有精度較高、實(shí)時(shí)性好、成本低、全面性等優(yōu)點(diǎn)[8]。將UAV-RS技術(shù)應(yīng)用到水土保持監(jiān)測(cè)中,能及時(shí)、準(zhǔn)確、全面地動(dòng)態(tài)反映水土流失與防治情況。
2.3? ? 水土保持監(jiān)管
新時(shí)代的水土保持監(jiān)管要求加強(qiáng)事中事后監(jiān)督管理,實(shí)現(xiàn)全方位、全過(guò)程、立體化的高效、精準(zhǔn)監(jiān)管[13-14]。傳統(tǒng)的水土保持監(jiān)管以抽查和現(xiàn)場(chǎng)巡查為主,通過(guò)水土保持監(jiān)測(cè)單位提供的工程圖紙、施工總結(jié)、其他數(shù)據(jù)等材料判斷水土保持設(shè)施設(shè)計(jì)的合理性、水土保持措施的落實(shí)情況、水土流失治理的效果等,無(wú)法真正對(duì)已批復(fù)的項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)時(shí)、高效、準(zhǔn)確的監(jiān)控與管理[15]。
UAV-RS技術(shù)應(yīng)用到水土保持監(jiān)管工作中,不僅改進(jìn)了監(jiān)管手段,提高了監(jiān)管效率,而且憑借其時(shí)效性強(qiáng)、精度高、全方位視角等優(yōu)勢(shì),使監(jiān)管部門(mén)能夠較好地掌握水土流失動(dòng)態(tài)和靜態(tài)情況,對(duì)水土保持工程實(shí)施情況和效益進(jìn)行評(píng)價(jià),實(shí)現(xiàn)了對(duì)生產(chǎn)項(xiàng)目水土保持整個(gè)過(guò)程的全方位、實(shí)時(shí)、高精度監(jiān)督與管理,從而解決一直以來(lái)水土保持監(jiān)管難的問(wèn)題。
目前,隨著水土保持信息化的快速建設(shè),UAV-RS技術(shù)已經(jīng)在生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持“天地一體化”監(jiān)管、國(guó)家水土保持重點(diǎn)治理工程“圖斑化”精細(xì)管理過(guò)程中提供了真實(shí)精確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和重要技術(shù)支撐[16-17]。UAV-RS技術(shù)獲得高精度遙感影像后,依據(jù)建立的解譯標(biāo)志,采用人機(jī)交互解譯方法,獲得項(xiàng)目建設(shè)擾動(dòng)地表面積、棄土場(chǎng)、棄渣場(chǎng)、水土流失面積、水土保持措施數(shù)量等各種相關(guān)指標(biāo)信息,進(jìn)行對(duì)比分析,快速評(píng)價(jià)水土保持情況[17-18]。借助UAV-RS技術(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)水土保持防治的全方位、實(shí)時(shí)監(jiān)管,保證了執(zhí)法的準(zhǔn)確性和高效性。
2.4? ? 水土保持施驗(yàn)收評(píng)估
水土保持設(shè)施驗(yàn)收評(píng)估指的是對(duì)建設(shè)項(xiàng)目的水土保持設(shè)施是否符合設(shè)計(jì)要求、施工質(zhì)量、投資使用和管理維護(hù)責(zé)任落實(shí)情況,防治水土流失效果進(jìn)行評(píng)估,對(duì)存在的問(wèn)題提出處理意見(jiàn)等。重點(diǎn)評(píng)估主要對(duì)象為水土保持設(shè)施完成情況,包括水土保持方案批復(fù)確定的水土保持工程措施、植物措施和臨時(shí)措施。
傳統(tǒng)的水土保持設(shè)施驗(yàn)收評(píng)估工程措施以目視、皮尺測(cè)量、典型調(diào)查為主;植物措施實(shí)施情況與效果調(diào)查以樣方測(cè)量、面積推算、查閱材料為主;臨時(shí)措施以核查內(nèi)業(yè)記錄資料為主[19]。傳統(tǒng)方法存在工作量大、時(shí)間長(zhǎng)、數(shù)據(jù)零散、誤差大等不足。UAV-RS技術(shù)具有快速高效獲得高精度大比例尺地理信息的巨大優(yōu)勢(shì)。陳知送[20]通過(guò)探究研究得出,UAV-RS技術(shù)獲得的數(shù)據(jù)精度能滿足水土保持設(shè)施驗(yàn)收評(píng)估的需求,并且較大地提高了評(píng)估的精度和效率。在水土保持設(shè)施驗(yàn)收評(píng)估中,通過(guò)對(duì)UAV-RS技術(shù)獲得的真實(shí)數(shù)據(jù)與水土保持設(shè)施設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、水土保持監(jiān)理和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,能夠提高水土保持設(shè)施驗(yàn)收評(píng)估的科學(xué)性、可靠性和標(biāo)準(zhǔn)性[21]。
2.5? ? 水土保持規(guī)劃
水土保持規(guī)劃是指導(dǎo)水土保持實(shí)踐的行動(dòng)指南,是控制水土流失、保護(hù)和合理利用水土資源的主要依據(jù)。前期外業(yè)調(diào)查是水土保持規(guī)劃工作的重要組成部分。但是,隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展,傳統(tǒng)的外業(yè)調(diào)查技術(shù)手段已經(jīng)無(wú)法滿足新時(shí)代水土保持規(guī)劃信息化、精準(zhǔn)化等要求。無(wú)人機(jī)遙測(cè)技術(shù)手段因其成本低、效率高、數(shù)據(jù)精度高、實(shí)時(shí)性和全面性等優(yōu)點(diǎn),成為水土保持規(guī)劃項(xiàng)目前期外業(yè)調(diào)查新的技術(shù)手段。徐宏萬(wàn)等[22]在常山縣水土保持科技示范園規(guī)劃項(xiàng)目中,對(duì)UAV-RS技術(shù)應(yīng)用于水土保持規(guī)劃領(lǐng)域進(jìn)行了探索,取得了很好的效果,并探索出UAV-RS技術(shù)用于水土保持規(guī)劃的技術(shù)流程。
盡管關(guān)于UAV-RS技術(shù)應(yīng)用于水土保持規(guī)劃的文章很少,但是該技術(shù)已經(jīng)用于各種規(guī)劃項(xiàng)目的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲得、區(qū)位分析等。
3? ? 存在的問(wèn)題與展望
利用無(wú)人機(jī)遙感開(kāi)展水土保持方案編制、監(jiān)測(cè)、監(jiān)管、規(guī)劃、驗(yàn)收評(píng)估等工作,提高了工作效率和數(shù)據(jù)質(zhì)量,推進(jìn)了信息化水平,效果良好。但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,還存在一些問(wèn)題影響其發(fā)展。一是目前無(wú)人機(jī)遙感在水土保持領(lǐng)域的應(yīng)用缺乏相關(guān)的技術(shù)規(guī)程和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),導(dǎo)致成果質(zhì)量差異大。二是無(wú)人機(jī)從業(yè)人員的培訓(xùn)和管理體系不健全,相關(guān)法律法規(guī)有待完善。從業(yè)人員素質(zhì)差異大,容易給公共安全、人身安全帶來(lái)隱患。三是專業(yè)化需求的關(guān)鍵技術(shù)還需要進(jìn)一步研究突破。目前,應(yīng)針對(duì)無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)中存在的電池續(xù)航短、飛行半徑小、通信導(dǎo)航系統(tǒng)受地形影響大、攝影測(cè)量精度有待提高、后期數(shù)據(jù)處理軟件等問(wèn)題進(jìn)行研究,以尋求突破。
隨著航空航天技術(shù)技術(shù)的飛速發(fā)展,越來(lái)越多智能化、便捷化和高精度化的新技術(shù)將被應(yīng)用到水土保持工作中來(lái)。無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在水土保持工作已得到了廣泛應(yīng)用,隨著硬件設(shè)備和軟件技術(shù)的發(fā)展與完善,其必將為水土保持工作提供更加重要的技術(shù)支撐,具有廣闊的發(fā)展空間與前景。
4? ? 參考文獻(xiàn)
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作者簡(jiǎn)介? ?劉宗濱(1988-),男,甘肅白銀人,碩士。研究方向:水土保持、無(wú)人機(jī)遙感應(yīng)用。
收稿日期? ?2019-01-24