陳 宇，魏玉濤，楊泳鵬，王澤祥

（1.海河水利委員會海河流域水土保持監(jiān)測中心站，天津 300170；2.漳衛(wèi)南運河管理局防汛機動搶險隊，山東 德州 253011；3.漳衛(wèi)南運河四女寺樞紐工程管理局，山東 德州 253315）

隨著生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)管的加強，水土保持監(jiān)測成為反映水土保持工作落實的重中之重，全面、客觀、準(zhǔn)確、及時的監(jiān)測數(shù)據(jù)為水土保持管理和監(jiān)管提供了最直接的標(biāo)尺和抓手。無人機技術(shù)是以無人機為空中平臺，獲取地面影像數(shù)據(jù)，利用三維建模等軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析和提取地物信息，并按照一定精度要求制作成圖像的綜合技術(shù)。通過無人機技術(shù)獲取生產(chǎn)建設(shè)項目的施工進(jìn)展情況、擾動范圍、水土流失防治情況等水土保持相關(guān)長度、面積和體積數(shù)據(jù)[1-3]，有效地解決了水土保持監(jiān)測工作中“到不了、看不全、效率低、精度差”的問題[4]，同時滿足了建設(shè)單位和水行政主管部門對監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、完整性和及時性的要求[5]，也大大提升了水土保持監(jiān)測工作的效率和精度[6]。本文以某水利樞紐除險加固工程水土保持監(jiān)測為例，通過在工程建設(shè)全過程使用無人機技術(shù)開展監(jiān)測，總結(jié)了無人機技術(shù)在生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測工作過程中的經(jīng)驗和關(guān)鍵，并對存在的問題進(jìn)行分析和梳理，以期為生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測、管理和監(jiān)督提供參考。

1 工程概況

該水利樞紐位于兩省三縣（區(qū)）交界處，是重要的防洪控制樞紐，是一座具有防洪、排澇、灌溉等綜合利用功能的大型水閘。工程地處半濕潤半干旱地區(qū)，土壤類型為潮土；冬季干冷降雨不多，夏季濕熱降雨集中，多雷雨大風(fēng)，多年平均降水量565.9 mm；植被類型為暖溫帶落葉闊葉林。該水利樞紐除險加固工程涉及主體工程區(qū)、閘管區(qū)、取土場區(qū)、棄渣場區(qū)、交通道路區(qū)和施工生產(chǎn)生活區(qū)6 個水土保持分區(qū)，工程建設(shè)具有周期短、施工擾動變化快和涉及水域等特點。

本工程水土保持監(jiān)測時間自施工準(zhǔn)備期開始至自然恢復(fù)期結(jié)束，重點和難點為工程擾動占地面積、土石方量、棄土渣量和植物措施量的監(jiān)測。監(jiān)測期間，每季度利用無人機進(jìn)行航飛監(jiān)測2～3 次，獲取工程建設(shè)全過程的三維建模、DOM（數(shù)字正射影像，下同）等影像數(shù)據(jù)，分析提取工程建設(shè)占地面積、擾動地表面積變化、土石方及棄方變化和水土保持措施實施情況等水土保持相關(guān)數(shù)據(jù)和指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上針對現(xiàn)場水土保持情況提出相關(guān)完善和落實建議，并完成水土保持監(jiān)測成果的計算分析和編報任務(wù)。利用無人機技術(shù)可以獲取各水土保持監(jiān)測分區(qū)的主要監(jiān)測數(shù)據(jù)，詳見表1。

表1 無人機技術(shù)可以獲取的各水土保持監(jiān)測分區(qū)的主要監(jiān)測數(shù)據(jù)情況

施工準(zhǔn)備期三維模型如圖1 所示，自然恢復(fù)期三維模型如圖2所示。

圖1 施工準(zhǔn)備期三維模型

圖2 自然恢復(fù)期三維模型

2 無人機技術(shù)監(jiān)測工作開展

2.1 直觀查看工程進(jìn)度

利用無人機對工程各監(jiān)測分區(qū)進(jìn)行航飛，獲取工程建設(shè)區(qū)域多角度的照片和視頻，全面直觀查看工程的施工進(jìn)度和各項水土保持措施的落實情況，全方位記錄工程進(jìn)展。在該工程水土保持監(jiān)測過程中，及時為建設(shè)單位提供全方位的無人機航拍影像資料，為工程進(jìn)度管理和水土保持措施實施尤其是臨時措施的實施和完善提供了充分的依據(jù)。

2.2 準(zhǔn)確獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)

通過三維建模軟件對航拍照片進(jìn)行處理，生成三維模型、DOM等，可直接量測或利用ArcGIS軟件提取各水土保持監(jiān)測分區(qū)的土地擾動面積、開挖填方量和已實施水土保持工程措施、植物措施、臨時措施種類和數(shù)量。根據(jù)批復(fù)的水土保持方案中水土流失防治責(zé)任范圍和水土保持措施設(shè)計情況，分別建立相應(yīng)的圖層進(jìn)行疊加分析，判斷施工擾動是否超防治責(zé)任范圍[7]、水土保持措施體系是否完善、數(shù)量和標(biāo)準(zhǔn)是否符合設(shè)計要求，并進(jìn)行水土流失防治六項指標(biāo)計算等。相比較傳統(tǒng)的水土保持監(jiān)測，無人機技術(shù)的應(yīng)用提高了監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取的自主性，減少了對施工單位和建設(shè)單位的依賴。在該工程監(jiān)測過程中，由于前期方案設(shè)計處于可行性研究階段，取土場需要進(jìn)行變更，充分利用無人機技術(shù)對取土場變更位置和范圍進(jìn)行了測量和記錄，不僅全面記錄了防治責(zé)任范圍的變化，而且為取土場變更和面積確認(rèn)提供了數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。

2.3 明確季度變化情況

水土保持監(jiān)測單位每季度須向建設(shè)單位和水行政主管部門報送監(jiān)測季度報告表，而其需要客觀、真實的數(shù)據(jù)進(jìn)行支撐。無人機技術(shù)的應(yīng)用充分滿足了這一需求。通過對提取的數(shù)據(jù)進(jìn)而對工程的進(jìn)度和水土保持措施落實情況進(jìn)行詳細(xì)的分析對比，可以計算出季度報告中所需要的數(shù)據(jù)。在該工程水土保持監(jiān)測過程中，季度報告中擾動面積、水土保持措施數(shù)量類型和土石方等數(shù)據(jù)均來自于無人機技術(shù)處理提取的數(shù)據(jù)和計算的結(jié)果，客觀、真實地反映了各階段工程的變化情況。

2.4 溯源監(jiān)測數(shù)據(jù)，監(jiān)測建議更具針對性

該工程監(jiān)測過程中，全過程應(yīng)用無人機技術(shù)，記錄了工程從施工準(zhǔn)備到自然恢復(fù)期的全過程各個關(guān)鍵節(jié)點的照片、視頻和三維實景模型，做到了監(jiān)測數(shù)據(jù)可溯源、痕跡化管理。由于通過三維實景模型和無人機影像可以無死角地發(fā)現(xiàn)水土保持措施落實短板，及時在過程中發(fā)現(xiàn)水土保持措施落實不到位和不及時的情況，所以依此提出的建議更具針對性，并讓問題得到及時的整改和落實，把問題解決在現(xiàn)場和過程中，為后續(xù)水土保持設(shè)施自主驗收打下了良好的基礎(chǔ)。

3 全面發(fā)揮無人機技術(shù)監(jiān)測優(yōu)勢

3.1 原始地貌航飛是前提

全面發(fā)揮無人機技術(shù)監(jiān)測優(yōu)勢的前提是對工程建設(shè)的原始地貌進(jìn)行航飛。在施工準(zhǔn)備期及時對工程建設(shè)區(qū)域尤其是水土流失防治責(zé)任范圍進(jìn)行航飛，獲取工程建設(shè)前原始地貌資料的影像資料、高精度三維實景模型和DOM。并根據(jù)批復(fù)的水土保持方案，把防治責(zé)任范圍、水土保持措施工程量和類型矢量化，為后續(xù)水土保持?jǐn)?shù)據(jù)對比分析奠定基礎(chǔ)。

3.2 全區(qū)域航飛是基礎(chǔ)

全面發(fā)揮無人機技術(shù)監(jiān)測優(yōu)勢的基礎(chǔ)是對工程建設(shè)全區(qū)域航飛。根據(jù)工程施工進(jìn)度和關(guān)鍵節(jié)點，結(jié)合監(jiān)測工作需要對監(jiān)測各個分區(qū)全區(qū)域進(jìn)行航飛，獲取該時間節(jié)點影像資料、高精度三維實景模型和DOM，獲取工程建設(shè)的施工擾動和水土保持措施落實情況以及相關(guān)水土保持?jǐn)?shù)據(jù)，及時掌握工程水土保持情況，發(fā)現(xiàn)存在的問題，并有針對性地提出改進(jìn)和完善建議。

3.3 三維實景建模是抓手

全面發(fā)揮無人機技術(shù)監(jiān)測優(yōu)勢的抓手是對工程建設(shè)區(qū)域進(jìn)行三維實景建模。三維實景模型可以準(zhǔn)確、全面、直觀地呈現(xiàn)工程水土保持現(xiàn)狀，獲取水土保持監(jiān)測各個分區(qū)的擾動面積、水土保持措施實施數(shù)量和類型以及其他相關(guān)的長度、面積、體積等信息。同時，三維實景模型可任意縮放、360°旋轉(zhuǎn)，從不同高度、不同角度查看瀏覽工程現(xiàn)場水土保持具體情況并可進(jìn)行實時量測，不用到達(dá)現(xiàn)場也可全方位了解現(xiàn)場的全貌和具體細(xì)節(jié)，從空間和時間維度對工程水土保持情況進(jìn)行解析，為水土保持監(jiān)測工作提供強有力的技術(shù)和數(shù)據(jù)支撐。

4 存在的問題與建議

4.1 特殊區(qū)域數(shù)據(jù)確定

由于無人機航飛無法對特殊區(qū)域如水面下方、林下區(qū)域進(jìn)行拍攝，特殊區(qū)域的土地擾動情況、水土保持措施數(shù)量和類型無法通過無人機技術(shù)直接提取獲得。因此，需要結(jié)合獲取的原始地貌高精度三維模型，在前期水土保持工作開展時，對該區(qū)域進(jìn)行定位和劃分，并根據(jù)實地查勘和監(jiān)測情況進(jìn)行數(shù)據(jù)的補充測量和確定。

4.2 重復(fù)性水土保持措施工程量確定

由于天氣因素的影響，臨時苫蓋的密目網(wǎng)不可避免地會遭到損壞，需要重新苫蓋；而撒播的草籽由于成活率或者施工擾動等情況影響，需要進(jìn)行重新撒播草籽。這類重復(fù)性的水土保持措施，一般情況下很難通過無人機獲取的影像或三維模型進(jìn)行量算獲取。因此，在該工程監(jiān)測過程中，對于臨時苫蓋、撒播草籽等重復(fù)性的水土保持措施需根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測和實地調(diào)查進(jìn)行統(tǒng)計和匯總確定。

4.3 植物措施類型及規(guī)格獲取

受三維建模軟件技術(shù)條件限制，對喬木和灌木等植物措施的模型還原一直是個難題。在三維模型中可直接量測植物措施的面積和數(shù)量，但很難判斷出栽植的喬灌草的種類和規(guī)格。因此，對于植物措施的種類和規(guī)格，需要結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測和實地調(diào)查情況獲取，并賦予到矢量圖層屬性中。

4.4 土壤侵蝕模數(shù)確定

土壤侵蝕量計算是生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測工作的重點和難點[8]。利用無人機技術(shù)無法直接提取出工程各個水土保持監(jiān)測分區(qū)的土壤侵蝕量，但可利用生成的DOM 間接計算。利用ArcGIS 在DOM上提取各個水土保持監(jiān)測分區(qū)的建筑物、硬化和工程措施的面積，把這些區(qū)域土壤侵蝕模數(shù)定為0；其他區(qū)域根據(jù)坡度和植被蓋度，結(jié)合《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》等確定侵蝕模數(shù)，在此基礎(chǔ)上根據(jù)面積權(quán)重計算各個分區(qū)的土壤侵蝕量。

4.5 無人機數(shù)據(jù)使用

目前，在生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測工作中明確要求使用無人機、衛(wèi)星遙感等技術(shù)手段開展監(jiān)測，無人機技術(shù)在水土保持監(jiān)測工作中發(fā)揮了越來越重要的作用。無人機技術(shù)采集越來越多的照片、視頻和三維模型等數(shù)據(jù)，積累了大量的無人機成果數(shù)據(jù)，怎么把有時序有變化的這些數(shù)據(jù)充分利用起來，為水土保持監(jiān)測、驗收和水行政主管部門監(jiān)管服務(wù)成為水土保持工作中受到關(guān)注的問題。建議由水行政主管部門建立統(tǒng)一的在線監(jiān)管平臺，監(jiān)測單位把獲取的無人機數(shù)據(jù)作為成果報告報送的內(nèi)容上傳到監(jiān)管平臺，開發(fā)數(shù)據(jù)對比分析和數(shù)據(jù)提取等功能，統(tǒng)一無人機數(shù)據(jù)成果標(biāo)準(zhǔn)，為生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持工作提供技術(shù)和數(shù)據(jù)支撐。

5 結(jié)語

把無人機技術(shù)引入生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測工作中，可以大大提高工作效率和精度；同時，建成全過程的電子數(shù)據(jù)檔案和三維實景模型，可以直觀、準(zhǔn)確地反映工程水土保持現(xiàn)狀，并能定量獲取水土保持相關(guān)數(shù)據(jù)和指標(biāo)，為水土保持監(jiān)測工作提供技術(shù)支撐。但也存在著無人機技術(shù)難以獲取的水土保持監(jiān)測數(shù)據(jù)，仍需通過現(xiàn)場查勘或調(diào)查來完善和補充。通過以上實踐思考，總結(jié)了無人機技術(shù)在生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測中的優(yōu)點和不足，嘗試性地提出了有關(guān)問題的解決思路，以期隨著無人機設(shè)備的更新、傳感器設(shè)備種類的增加、建模軟件和相關(guān)數(shù)據(jù)挖掘、分析軟件的更加智能與便捷為水土保持監(jiān)測工作提供更加科學(xué)的支撐。