倪用鑫，呂錫芝，楊 二，鮑宏喆

(1.黃河水利委員會 黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州450003；2.河海大學(xué)，江蘇 南京 210098)

進(jìn)入新世紀(jì)以來，水利部先后以水?！?009〕187號文、辦水保〔2015〕139號文、水保監(jiān)便字〔2015〕72號文和水?！?016〕37號文要求對生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目開展遙感監(jiān)測。隨著生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持“天地一體化”監(jiān)管的逐步推動，遙感監(jiān)測在生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測中的地位日益凸顯。利用無人機(jī)低空遙測技術(shù)對生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)行水土保持監(jiān)測，是實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目區(qū)域水土流失防治的有效手段，很好地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)監(jiān)測手段周期長、精度有限、受地形限制等不足[1]，同時滿足了生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測準(zhǔn)確性、及時性和完整性的要求[2]，成為生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測新的技術(shù)手段。在上述研究背景下，本研究在前期調(diào)研的基礎(chǔ)上，利用無人機(jī)低空遙測技術(shù)對連霍高速公路洛陽至三門峽(豫陜界)段改擴(kuò)建工程棄渣場項(xiàng)目進(jìn)行水土保持監(jiān)測，分別引入Pix4Dmapper、PhotoScan和Pixel-Mosaic軟件對監(jiān)測影像進(jìn)行處理，以獲取各項(xiàng)水土保持監(jiān)測指標(biāo)，探討無人機(jī)低空遙測技術(shù)在水土保持監(jiān)測工作中的實(shí)際應(yīng)用情況。

1 無人機(jī)低空遙感監(jiān)測技術(shù)

無人機(jī)低空遙感監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用在水土保持監(jiān)測工作中，主要是利用無人機(jī)在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)飛行并航拍獲取低空范圍內(nèi)的地面影像數(shù)據(jù)，以遙感技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，結(jié)合配備的后臺處理軟件完成數(shù)據(jù)處理和分析建模，進(jìn)而完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析對比工作。無人機(jī)低空遙感監(jiān)測能夠?qū)崟r獲取項(xiàng)目區(qū)影像，且影像分辨率高，通過后期影像拼接處理，可以直接提取工程的進(jìn)展情況、水土流失防治情況，以及監(jiān)測所需的長度和面積數(shù)據(jù)，可以分析不同施工階段的無人機(jī)低空遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)，間接計(jì)算監(jiān)測所需的體積數(shù)據(jù)[3]，作為水土保持監(jiān)測季度報告和總結(jié)報告編制的基礎(chǔ)依據(jù)。此外，還可以通過CAD、GIS等軟件制圖，制作水土流失防治責(zé)任范圍圖、擾動土地面積圖、水土保持措施分布圖、林草覆蓋面積圖等監(jiān)測成果圖件[4]，提高水土保持監(jiān)測實(shí)施的效率和自動化程度。

2 應(yīng)用實(shí)例

以連霍高速公路洛陽至三門峽(豫陜界)段改擴(kuò)建工程棄渣場項(xiàng)目為研究對象，該棄渣場位于陜縣張茅鄉(xiāng)丁家莊村張矛隧道進(jìn)口主線右側(cè)100 m處，棄渣類型為溝頭棄渣，后期恢復(fù)利用情況為復(fù)耕。根據(jù)《水利水電工程水土保持技術(shù)規(guī)范》(SL 575—2012)中的水土保持工程級別劃分，棄渣場級別按堆渣量和最大堆渣高度中高級別執(zhí)行，為4級棄渣場。

2.1 影像數(shù)據(jù)獲取

無人機(jī)遙感影像數(shù)據(jù)通過規(guī)劃飛行路徑和空三攝影2個步驟獲取。根據(jù)項(xiàng)目區(qū)范圍大小和成果精度要求設(shè)計(jì)飛行路線、飛行高度、拍攝角度及旁向重疊度等。同時，布設(shè)滿足精度要求的地面控制點(diǎn)數(shù)量，控制點(diǎn)坐標(biāo)的采集采用手持GPS獲取。

無人機(jī)上配置有全球定位系統(tǒng)(GPS)、慣性測量單元(IMU)及特定的傳感器等，當(dāng)設(shè)備配置完畢后，即可根據(jù)設(shè)計(jì)好的飛行路線，實(shí)施無人機(jī)飛行和拍攝，獲取原始的遙感影像數(shù)據(jù)[5]。利用大疆精靈4 pro無人機(jī)對棄渣場進(jìn)行航拍作業(yè)，在航拍前對無人機(jī)進(jìn)行調(diào)試，根據(jù)成果數(shù)據(jù)的精度要求設(shè)置一定的飛行高度，根據(jù)棄渣場的形狀和大小規(guī)劃航線，拍攝時保證航向重疊度大于75%，旁向重疊度大于60%[6]。

2.2 影像數(shù)據(jù)處理

目前用于無人機(jī)遙測影像的處理軟件較多，本研究選取在水土保持領(lǐng)域使用較為廣泛的瑞士的Pix4Dmapper、俄羅斯的PhotoScan及中國深圳的Pixel-Mosaic三款航拍處理軟件，這些軟件自動化程度高且處理流程簡單，無須專業(yè)培訓(xùn)即可快速上手，大大降低了在數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)上的人員要求。其中，PhotoScan軟件數(shù)據(jù)處理流程為：形成照片陣列，軟件自動搜索照片中的同名像點(diǎn)，并進(jìn)行匹配，同時估算每張照片拍攝時相機(jī)的視角，并對相機(jī)參數(shù)進(jìn)行校正；基于估測出的相機(jī)位置和照片，建立密集點(diǎn)云；基于密集點(diǎn)云或者是稀疏點(diǎn)云重建三維多邊形網(wǎng)格，基于該網(wǎng)格可進(jìn)一步生成紋理[7]。Pixel-Mosaic數(shù)據(jù)處理工作流程為：添加影像，正射投影拼圖處理，正射校正拼圖處理，三維重建處理，根據(jù)精度需要設(shè)置控制點(diǎn)數(shù)量。Pix4Dmapper數(shù)據(jù)處理操作更為簡便，一鍵式進(jìn)行初步處理、空三加密、數(shù)字表面模型和正射影像圖處理，處理完成后通過像控點(diǎn)編輯器進(jìn)行校正。本研究分別應(yīng)用上述3款軟件進(jìn)行影像數(shù)據(jù)處理，建立三維數(shù)據(jù)模型提取監(jiān)測數(shù)據(jù)，最后對成果精度進(jìn)行對比分析。

2.3 成果數(shù)據(jù)應(yīng)用

利用軟件處理成果數(shù)據(jù)進(jìn)行量測，可以獲取棄渣場最大堆渣高度、堆棄面積、堆渣量、擋渣墻長度及截排水溝長度等監(jiān)測指標(biāo)，從而快速評價棄渣場的水土流失狀況。利用無人機(jī)低空遙感獲得的是當(dāng)前施工階段的實(shí)時數(shù)據(jù)，代表工程這一時段的狀況，成果數(shù)據(jù)可與施工前原地貌數(shù)據(jù)、不同施工進(jìn)度數(shù)據(jù)及完工后自然恢復(fù)期數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，從而獲取工程水土流失動態(tài)變化情況[2]。

本研究分別應(yīng)用PhotoScan、Pix4dmapper、Pixel-Mosaic對無人機(jī)低空遙感影像進(jìn)行處理，監(jiān)測棄渣場的各項(xiàng)指標(biāo)和水土保持措施工程量。通過上述3個軟件處理分析，棄渣場堆棄面積與實(shí)測值的誤差分別為3.8%、-3.0%、1.7%，最大誤差絕對值為3.8%；棄渣場最大堆渣高度與實(shí)測值相差不大，最大誤差絕對值僅1.0%；擋渣墻長度與實(shí)測值的誤差最小，最大誤差絕對值不超過1.0%，均滿足生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測精度要求。棄渣場實(shí)測與處理數(shù)據(jù)結(jié)果詳見表1。

2.4 成果分析

在棄渣場的航測過程中，無人機(jī)飛行平均海拔為146 m，影像采集數(shù)量22張，建模覆蓋面積0.09 km2，地面分辨率達(dá)到4 cm。在未添加控制點(diǎn)的情況下，X

表1 數(shù)據(jù)提取結(jié)果對比分析

方向誤差為1.19 m，Y方向誤差為0.56 m，Z方向誤差為2.51 m，絕對精度和相對精度可以控制到米級，滿足棄渣場水土保持監(jiān)測的需要。

根據(jù)水保監(jiān)便字〔2016〕第20號《關(guān)于印發(fā)〈水利部水土保持設(shè)施驗(yàn)收技術(shù)評估工作要點(diǎn)〉的通知》中對棄渣場的要求，對堆渣量超過50萬m3或者最大堆渣高度超過20 m的棄渣場，還應(yīng)查閱建設(shè)單位提供的穩(wěn)定性評估報告。通過無人機(jī)航片處理對棄渣場進(jìn)行三維建模，以棄渣場渣體頂部到擋渣墻底部的垂直距離作為棄渣場的堆渣高度，框選棄渣場邊界確定棄渣場堆棄面積和堆渣量，從而為是否需要做穩(wěn)定性評估提供支撐和依據(jù)。根據(jù)實(shí)測與軟件處理結(jié)果，該棄渣場最大堆渣高度為41.50 m，超過了最大堆渣高度20 m的要求，需進(jìn)行穩(wěn)定性評估分析。根據(jù)《水利部生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持方案變更管理規(guī)定(試行)》(辦水?！?016〕65號)第五條規(guī)定，該棄渣場堆棄位置不在水行政主管部門批復(fù)的水土保持方案設(shè)計(jì)位置，后期建設(shè)單位應(yīng)重新委托設(shè)計(jì)單位編制水土保持方案(棄渣場補(bǔ)充)報告書。由于缺乏棄渣前原始地形影像，無法進(jìn)行三維建模并與棄渣后三維地形數(shù)據(jù)疊加對比分析，進(jìn)而計(jì)算出有效堆渣總量，因此監(jiān)測的堆渣量數(shù)據(jù)按人工框選標(biāo)定的渣體頂部與擋渣墻底部高程之間的切面體體積計(jì)算，故堆渣量數(shù)據(jù)和實(shí)際誤差較大。

3 結(jié)論與展望

隨著科技的不斷發(fā)展，水土保持監(jiān)測新技術(shù)的應(yīng)用也越來越廣泛，無人機(jī)低空遙感監(jiān)測在提高水土保持監(jiān)測效率和精度的同時，也提高了水土保持監(jiān)測的智能化水平，但應(yīng)用于實(shí)際項(xiàng)目仍存在以下幾個問題：①相關(guān)的技術(shù)規(guī)程和技術(shù)規(guī)范不夠完善，導(dǎo)致監(jiān)測成果有較大的差異，因此監(jiān)測技術(shù)規(guī)程須考慮制定和完善相關(guān)無人機(jī)遙感監(jiān)測部分技術(shù)規(guī)程專章，規(guī)范相關(guān)監(jiān)測流程和成果質(zhì)量要求，提高無人機(jī)監(jiān)測成果的可信度。②無人機(jī)低空遙測精度問題。可通過降低飛行高度、增加影像采集密度和均勻度，以及增設(shè)地面控制點(diǎn)等方式來提高精度。③棄渣場為水土保持監(jiān)測和水土流失監(jiān)管的重點(diǎn)區(qū)域，而部分工程存在“先堆棄后審批”的情況。在難以確定棄渣前原始地形數(shù)據(jù)的情況下，后期無人機(jī)遙感監(jiān)測的棄渣場最大堆渣高度和堆渣量數(shù)據(jù)可能與實(shí)際情況相差較大，無法準(zhǔn)確判別是否需要做穩(wěn)定性分析評估。因此，未來的研究中，無人機(jī)低空遙感監(jiān)測應(yīng)重點(diǎn)研究在原始地形數(shù)據(jù)缺測的情況下，通過歷史遙感影像處理與解譯來準(zhǔn)確計(jì)算棄渣場堆渣量和最大堆渣高度，以提高棄渣場監(jiān)測的實(shí)效性和準(zhǔn)確性。