施明新，張 鵬，白春昱

（上?？睖y設(shè)計研究院有限公司，上海 200434）

0 引 言

近些年，無人機(jī)遙感技術(shù)在眾多領(lǐng)域都得到了空前發(fā)展，也逐漸成為生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測的常規(guī)手段[1,2]。但是，小型無人機(jī)受續(xù)航能力限制，目前主要還是用于小型項(xiàng)目或點(diǎn)型工程監(jiān)測，而對于大中型項(xiàng)目或線型工程，則主要是對重點(diǎn)區(qū)域開展監(jiān)測，還難以覆蓋全域。

經(jīng)前人研究，無人機(jī)遙感監(jiān)測成果的精度基本能夠滿足現(xiàn)階段水土保持行業(yè)要求[3,4]，但是對于不同類型的生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目提取的成果（如擾動面積、土石方量及措施種類及工程量等）精度如何，仍需進(jìn)一步探究[5,6]。為研究無人機(jī)技術(shù)在生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測中的測量精度，分別選取平地型渣場（雙合渣場監(jiān)測區(qū)）、坡地型渣場（赤塢渣場監(jiān)測區(qū)）、以填方為主的礦坑回填工程（礦坑監(jiān)測區(qū)）、以挖方為主的山區(qū)風(fēng)電場工程（升壓站監(jiān)測區(qū)）和抽水蓄能電站工程（施工便道監(jiān)測區(qū)）五種不同類型項(xiàng)目，對重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域開展無人機(jī)遙感監(jiān)測。

利用無人機(jī)專業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件對航拍照片進(jìn)行拼接、調(diào)色及糾正等處理，生成精細(xì)的DEM 模型、DOM 模型（精度為5 cm）和三維數(shù)字模型等成果，采用數(shù)據(jù)提取軟件獲取測區(qū)內(nèi)的擾動土地面積和水土保持措施的種類及工程量，利用疊加分析功能測算出不同施工階段監(jiān)測區(qū)域挖填方量的變化情況，將復(fù)雜的外業(yè)調(diào)查轉(zhuǎn)化為精細(xì)化測量的內(nèi)業(yè)工作。

為了驗(yàn)證無人機(jī)遙感監(jiān)測成果的精度，利用GPS-RTK 測量系統(tǒng)、皮尺、測距儀等進(jìn)行人工現(xiàn)場實(shí)測，以獲取擾動面積、措施種類及工程量等數(shù)據(jù)的真實(shí)值；采用資料收集和實(shí)地量測兩種方法獲取土石方量變化情況的真實(shí)值。最終，通過將無人機(jī)航拍成果中提取的信息與真實(shí)值進(jìn)行比較，分析得出不同類型的生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目無人機(jī)遙感監(jiān)測的精度，并總結(jié)歸納造成誤差的原因和提高精度的方法。

1 設(shè)備設(shè)施及數(shù)據(jù)獲取

1.1 設(shè)備設(shè)施及參數(shù)設(shè)定

常規(guī)設(shè)備：皮尺、測距測高儀。另外，為了增加野外測量的可操作性和工作效率，利用GPS-RTK 測量技術(shù)開展現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集工作，GPS-RTK 測量系統(tǒng)采用Trimble R8S GNSS 系統(tǒng)，可達(dá)到實(shí)時厘米級的精度[7,8]。

航拍設(shè)備：大疆“悟”INSPIRE 2，配1 英寸、2 000 萬（5 472×3 548）像素傳感器，搭載禪思X4S 鏡頭，等效焦距24 mm。

航測數(shù)據(jù)智能采集軟件：Pix4Dcapture。

航拍參數(shù)指標(biāo)：飛行高度80～200 m，云臺角度為45°～80°，航向重疊率80%，旁向重疊率70%。

無人機(jī)專業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件：Pix4D Mapper，精度達(dá)5 cm。

數(shù)據(jù)提取軟件：Global Mapper 21.1、AcrGIS 10.8。

1.2 遙感數(shù)據(jù)獲取

在測區(qū)內(nèi)均勻布設(shè)一定數(shù)量的地面控制點(diǎn)，控制點(diǎn)數(shù)量根據(jù)測區(qū)面積和地物復(fù)雜程度確定[9,10]，并用Trimble R8S GNSS 系統(tǒng)采集控制點(diǎn)坐標(biāo)（水平精度1 cm，垂直精度2 cm），作為航拍成果整體精度的驗(yàn)證點(diǎn)位。另外，為便于后續(xù)影像分類，需根據(jù)測區(qū)內(nèi)地物類型的種類，布設(shè)相應(yīng)數(shù)量的解譯標(biāo)志。

為提高成果精度，航拍模式選用Pix4Dcapture 軟件中的Double Grid 模式，采用自動飛行方式，若測區(qū)面積太大或存在高空障礙物，可分為2個或多個飛行架次來完成數(shù)據(jù)采集工作[11]。采用軟件Global Mapper 21.1 和AcrGIS 10.8 的多邊形功能和數(shù)字化工具提取擾動面積數(shù)據(jù)；將兩次無人機(jī)模型成果導(dǎo)入Global Mapper 21.1 進(jìn)行疊加分析獲取土石方量數(shù)據(jù)；通過AcrGIS 自動提取和人工矯正高精度DOM 模型獲取措施種類及工程量數(shù)據(jù)。

1.3 實(shí)測數(shù)據(jù)獲取

（1）擾動面積。采用Trimble R8S GNSS系統(tǒng)通過現(xiàn)場人工量測獲取。點(diǎn)型監(jiān)測區(qū)測量邊界外圍轉(zhuǎn)角處經(jīng)緯度和高程等信息，合圍區(qū)域垂直投影面積即為實(shí)際擾動面積。線型監(jiān)測區(qū)（如施工便道）每隔30 m（路面軸線長度）采用皮尺量取一次路面寬度，并在轉(zhuǎn)彎處和路面寬度突變處加測，分別計算各段路面面積，用算術(shù)加合法計算得出測量路段實(shí)際擾動面積。

（2）土石方量。土石方量采用資料收集和實(shí)地量測兩種方法獲取。資料收集法主要為經(jīng)監(jiān)理單位審核后的施工報表和土石方工程量清單，實(shí)地量測法采用Trimble R8S GNSS 系統(tǒng)、測距測高儀和皮尺等人工現(xiàn)場測量。

（3）措施種類及工程量。措施種類通過人工現(xiàn)場拍照記錄，工程量通過皮尺、測距測高儀現(xiàn)場測量。

2 結(jié)果與分析

2.1 擾動面積監(jiān)測精度分析

為減小監(jiān)測區(qū)周邊山體陰影及測區(qū)內(nèi)植被陰影對無人機(jī)航拍造成的干擾，航拍作業(yè)時間選擇陰天或太陽直射的正午。雙合渣場監(jiān)測區(qū)、赤塢渣場監(jiān)測區(qū)、礦坑監(jiān)測區(qū)、升壓站監(jiān)測區(qū)和施工便道監(jiān)測區(qū)5個區(qū)域的DOM 成果見圖1，各區(qū)域擾動面積統(tǒng)計見表1。

圖1 5個重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)DOM成果Fig.1 DOM achievements for five key monitoring areas

由表1可知，4 個點(diǎn)型監(jiān)測區(qū)（雙合渣場、赤塢渣場、礦坑和升壓站監(jiān)測區(qū)）擾動面積均未超過水保方案設(shè)計值，同時擾動面積監(jiān)測精度大于95.85%，滿足《生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測規(guī)程（試行）》（下稱《規(guī)程》）中點(diǎn)型擾動面積監(jiān)測精度不小于95%的要求。另外，雙合渣場和升壓站監(jiān)測區(qū)擾動面積監(jiān)測精度明顯大于赤塢渣場和升壓站監(jiān)測區(qū)，而前者所在地地勢相對平坦，后者所在地起伏較大，說明利用無人機(jī)遙感監(jiān)測得出的擾動面積精度，平地要高于坡地。

表1 擾動面積統(tǒng)計表Tab.1 Statistical table of disturbance area

但是，線型監(jiān)測區(qū)（施工便道監(jiān)測區(qū)）擾動面積監(jiān)測精度不高。利用皮尺人工實(shí)地量測的長度為1 001 m，擾動面積為13 915 m2。根據(jù)無人機(jī)遙感監(jiān)測DOM 成果（見圖1）測算道路總長度為1 003 m，擾動面積僅為12 840 m2。因此，施工便道監(jiān)測區(qū)實(shí)際擾動范圍大于水保方案設(shè)計值，且利用無人機(jī)遙感監(jiān)測成果量取的擾動面積存在一定誤差，精度僅為92.27%。經(jīng)調(diào)查分析，存在誤差的原因主要是道路兩側(cè)喬灌木對路面形成遮擋，導(dǎo)致利用無人機(jī)正射影像圖量取的面積偏小。但是，總體上能夠滿足《規(guī)程》中線型擾動面積監(jiān)測精度不小于90%的要求。

2.2 土石方量監(jiān)測精度分析

以赤塢渣場監(jiān)測區(qū)和升壓站監(jiān)測區(qū)為例分析土石方量精度。其中，赤塢渣場航拍時間分別為2021年3-9月，升壓站航拍時間分別為2021年2-8月，DOM 成果見圖1。將前后兩次施工期的航拍成果（DOM 和DEM）導(dǎo)入Global Mapper 21.1中進(jìn)行疊加分析，測算出兩次航拍間隔期內(nèi)監(jiān)測區(qū)挖填方量的變化情況。

經(jīng)疊加分析，赤塢渣場監(jiān)測區(qū)自2021年3-9月共挖方21.02 萬m3，填方67.39 萬m3（含棄渣和可用砂石料），土石方總量增加46.37 萬m3（見表2）。通過查閱設(shè)計文件及施工總布置，造成挖方的原因是赤塢渣場在施工階段需同時作為工程回填砂石料的中轉(zhuǎn)料場，挖方量為從赤塢渣場運(yùn)出的砂石料方量。升壓站監(jiān)測區(qū)自2021年2-8月共挖方1.81 萬m3，填方2.16 萬m3，土石方總量增加0.35 萬m3。通過分析升壓站監(jiān)測區(qū)的DEM 模型成果發(fā)現(xiàn)，挖方主要來自升壓站南北兩側(cè)高陡邊坡的開挖，填方主要為西側(cè)籃球場地基礎(chǔ)及進(jìn)站道路路基回填。根據(jù)設(shè)計文件和現(xiàn)場調(diào)查，升壓站監(jiān)測區(qū)挖填平衡，無廢棄方，但是疊加分析結(jié)果為填方量比挖方量大0.35 萬m3。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，2021年2月升壓站處于建筑物地基澆筑施工階段，2021年8月已完成建筑物封頂，利用無人機(jī)航拍成果分析計算時，疊加分析時誤將建筑物體積計為填方。經(jīng)復(fù)核，升壓站內(nèi)建筑物有綜合樓、電氣樓和其他配套建筑，利用皮尺和測距測高儀量取各建筑物升壓站地坪（±0.00）以上尺寸，總體積為0.35 萬m3。因此，填方中需扣除建筑物體積0.35 萬m3，實(shí)際填方量為1.81 萬m3，與挖方量相等，滿足挖填平衡，與工程實(shí)際相吻合。

表2 土石方量統(tǒng)計表Tab.2 Statistical table of earthwork volume

經(jīng)過大量水土保持監(jiān)測工作的科學(xué)實(shí)踐，對于土石方量的監(jiān)測，資料收集法和實(shí)地量測法均存在一定的限制性因素。在實(shí)際生產(chǎn)建設(shè)過程中，資料收集法會受眾多因素影響，使得土石方量數(shù)據(jù)存在滯后性和不穩(wěn)定性，對于數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性復(fù)核工作量大；實(shí)地量測法數(shù)據(jù)相對可靠，但是對于地形復(fù)雜多樣、外業(yè)條件惡劣、占地面積大的生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目，不僅現(xiàn)場工作量巨大、效率低下，而且難以保證測量頻次和數(shù)據(jù)時效性。利用無人機(jī)遙感技術(shù)，不僅耗時少、效率高，同時具有很強(qiáng)的時效性和較高的精準(zhǔn)度，測量頻次也能得到有效保證。

由表2可知，填方量精度（最小為91.74%）大于挖方量精度（最小為90.11%），雖然與擾動面積精度相比較，挖、填土石方量監(jiān)測精度均較低，但總體而言能夠滿足《規(guī)程》中方量監(jiān)測精度不小于90%的要求。另外，赤塢渣場監(jiān)測區(qū)挖方量和填方量精度均小于升壓站監(jiān)測區(qū)。經(jīng)分析，赤塢渣場高程在194～265 m 之間，最大高差超過70 m，升壓站監(jiān)測區(qū)最大高差不超過10 m，而無人機(jī)遙感存在一定的垂直精度誤差，對高差較大的區(qū)域進(jìn)行高程測量時更容易出現(xiàn)偏差，因此坡地渣場高程變化大是造成精度偏低的主要因素。

2.3 措施工程量監(jiān)測精度分析

以赤塢渣場監(jiān)測區(qū)為例，基于DOM 模型成果解譯出的水保措施類型有擋渣墻、排水溝、截水溝和沉沙池等，見圖2。經(jīng)現(xiàn)場人工復(fù)核，并采用皮尺、測距測高儀等進(jìn)行現(xiàn)場量測，措施工程量見表3。

圖2 基于DOM模型措施工程量監(jiān)測成果Tab.2 The monitoring results of measure quantities base on DOM model

由表3可知，基于DOM 模型成果提取的措施工程量，水平監(jiān)測精度（平面尺寸）大于98.46%，能夠較好滿足《規(guī)程》中措施監(jiān)測精度不小于95%的要求，但是垂直監(jiān)測精度（縱向尺寸）相對較低，最大為94.34%。經(jīng)分析，無人機(jī)遙感自身存在的垂直誤差是一方面原因，更為重要的是測量目標(biāo)底部被遮擋，導(dǎo)致無人機(jī)遙感無法準(zhǔn)確獲取目標(biāo)底部信息。例如，截排水溝溝底存在水流，沉沙池內(nèi)有深厚的淤積泥沙和水體，無人機(jī)遙感無法準(zhǔn)確測量待測目標(biāo)底部高程，導(dǎo)致垂直精度較低，甚至沉沙池深度測量值明顯失真（精度僅為34.90%）。對于難以通過無人機(jī)影像直接獲取底部高程信息的措施，為進(jìn)一步提高監(jiān)測精度，需通過人工現(xiàn)場補(bǔ)充調(diào)查獲取更加準(zhǔn)確的高程數(shù)據(jù)。

表3 措施類型及工程量統(tǒng)計表Tab.3 Statistical table of measures for Type and quantity

3 結(jié)論及建議

3.1 結(jié) 論

通過無人機(jī)遙感監(jiān)測法、實(shí)地量測法和資料收集法，對平地型渣場、坡地型渣場、回填工程區(qū)、開挖工程區(qū)和施工便道區(qū)等監(jiān)測，經(jīng)數(shù)據(jù)獲取、信息提取和處理分析，無人機(jī)遙感監(jiān)測精度主要研究結(jié)論如下。

（1）點(diǎn)型區(qū)域擾動面積監(jiān)測精度較高（大于95.85%），能夠滿足點(diǎn)型擾動面積監(jiān)測精度不小于95%的要求。線型區(qū)域受周邊植被遮擋，導(dǎo)致無人機(jī)遙感監(jiān)測面積偏小，精度僅為92.27%，雖能滿足《規(guī)程》中線型擾動面積監(jiān)測精度不小于90%的要求，但需配合人機(jī)交互解譯和現(xiàn)場補(bǔ)充調(diào)查，才能進(jìn)一步提升線型區(qū)域擾動面積監(jiān)測精度。總體而言，對于擾動面積的監(jiān)測精度，點(diǎn)型區(qū)域高于線型區(qū)域，同時平地明顯高于坡地。

（2） 土石方量監(jiān)測精度存在一定誤差（精度最低90.11%），但能夠滿足方量監(jiān)測精度不小于90%的要求。另外，受無人機(jī)垂直誤差影響，監(jiān)測區(qū)高差越大精度越低。

（3）措施種類解譯與現(xiàn)場復(fù)核結(jié)果一致，工程量監(jiān)測水平精度大于98.46%，能夠較好滿足措施監(jiān)測精度不小于95%的要求。對于截排水溝、沉沙池、擋渣墻等難以通過無人機(jī)影像準(zhǔn)確獲取基礎(chǔ)底部高程信息的措施，監(jiān)測精度相對較低，甚至沉沙池深度測量值出現(xiàn)明顯失真（精度僅為34.90%），需通過人工現(xiàn)場補(bǔ)充調(diào)查高程數(shù)據(jù)來進(jìn)一步提高監(jiān)測精度。

（4）資料收集法數(shù)據(jù)存在滯后性和不穩(wěn)定性，復(fù)核工作量大；實(shí)地量測法效率低，難以保證測量頻次和數(shù)據(jù)時效性。根據(jù)研究結(jié)論，無人機(jī)遙感監(jiān)測成果精度能夠較好滿足行業(yè)要求，不僅能夠大幅提高行業(yè)信息化水平和工作效率，而且為進(jìn)一步應(yīng)用與發(fā)展水土保持監(jiān)測信息化指明了方向。

3.2 建 議

無人機(jī)遙感技術(shù)效率高、成本低，同時具有很強(qiáng)的時效性和較高的精準(zhǔn)度，但是目前仍然存在以下兩方面需進(jìn)一步深入研究：

（1）生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目種類復(fù)雜多樣，本研究樣本數(shù)量有限，結(jié)果難免存在一定的偶然性，因此還需通過大量的科學(xué)試驗(yàn)，進(jìn)一步開展無人機(jī)技術(shù)在生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測中精度的研究與探討。

（2）對于土石方量監(jiān)測，高差越大精度越低，但是高差對于精度的變化趨勢是否具有顯著性影響，還需進(jìn)一步系統(tǒng)性研究。