胡云華, 許海超, 曲雙鋒, 游 翔, 秦 偉

(1.中國水利水電科學(xué)研究院 水利部 水土保持生態(tài)工程技術(shù)研究中心, 北京 100048; 2.成都市水利水保監(jiān)測中心, 成都 610000; 3.四川省水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測總站, 成都 610000)

遙感技術(shù)能夠快速發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)建設(shè)項目擾動，較為準(zhǔn)確地識別擾動范圍，在生產(chǎn)建設(shè)項目監(jiān)管工作中的應(yīng)用越來越廣泛[1-2]。2015年水利部印發(fā)的《生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持信息化監(jiān)管技術(shù)規(guī)定(試行)》將生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持信息化監(jiān)管分為區(qū)域監(jiān)管和項目監(jiān)管兩種模式。相較于區(qū)域監(jiān)管是針對流域、省、市、縣或者某功能區(qū)等一定區(qū)域范圍開展監(jiān)管工作[3]，項目監(jiān)管針對某個具體項目進(jìn)行監(jiān)管，實(shí)現(xiàn)項目位置、范圍、措施布局的精細(xì)化空間化管理[4]，是進(jìn)一步強(qiáng)化生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)管的有效形式。在技術(shù)手段上，項目監(jiān)管在常規(guī)衛(wèi)星遙感技術(shù)手段基礎(chǔ)上，還需要結(jié)合無人機(jī)遙感技術(shù)手段，提高監(jiān)管數(shù)據(jù)精度和豐富度。目前全國省、市、縣各級區(qū)域監(jiān)管工作已建立了相對成熟的技術(shù)路線，但項目監(jiān)管工作流程和技術(shù)模式仍需探索和總結(jié)。

無人機(jī)攝影測繪技術(shù)目前已廣泛應(yīng)用于水土保持監(jiān)管和監(jiān)測等工作[5-8]，但主要以常規(guī)航空攝影測量為主。傾斜攝影測量技術(shù)(Oblique Photography Technique)是近年來發(fā)展起來的新興測繪技術(shù)，相較于傳統(tǒng)航測方式，可以更加高效地獲取更為豐富的真實(shí)地面場景信息[9-10]。本研究以成都市為研究區(qū)，利用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)開展多個生產(chǎn)建設(shè)項目的水土保持項目監(jiān)管信息提取試驗(yàn)，總結(jié)工作技術(shù)流程和應(yīng)用實(shí)例，為重點(diǎn)項目水土保持精細(xì)化監(jiān)管工作提供參考。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)概況

成都市作為四川省省會，地理位置介于東經(jīng)102°54′—104°53′，北緯30°05′—31°26′，是全國15個副省級城市之一和西部地區(qū)中心城市，生產(chǎn)建設(shè)項目數(shù)量多、分布廣，監(jiān)管難度相對較高，僅依靠傳統(tǒng)手段無法滿足高效、精準(zhǔn)監(jiān)管的現(xiàn)實(shí)需要。按照水利部水土保持信息化監(jiān)管的統(tǒng)一安排和部署，四川省2018年在成都市率先啟動了生產(chǎn)建設(shè)項目“天地一體化”監(jiān)管，并注重技術(shù)創(chuàng)新，通過3年的連續(xù)實(shí)施，取得了方案編報率顯著提升、疑似違法違規(guī)施工項目明顯減少、水土保持補(bǔ)償費(fèi)征收額有效增加等良好成效[11]。

1.2 技術(shù)概述

攝影測量是經(jīng)過攝影，將三維的物理世界轉(zhuǎn)變?yōu)槎S影像，再由二維影像獲取三維空間數(shù)據(jù)的技術(shù)[12]。傾斜攝影測量是通過集成在5個方向上的攝像機(jī)在一個位置采集垂直、4個傾斜共5個角度的影像，可以提高攝影測量和三維建模工作的效率。無人機(jī)具有成本低廉、操控性好、空域限制小等優(yōu)點(diǎn)[13]，無人機(jī)傾斜攝影測量是3種技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，相較于傳統(tǒng)攝影測量：一是信息獲取更豐富，傳統(tǒng)攝影主要獲取實(shí)體頂部紋理，而傾斜攝影技術(shù)能夠同時獲取側(cè)面紋理，且傾斜攝影方式更加接近人眼觀察模式，可以增加三維數(shù)據(jù)所帶來的真實(shí)感。二是支持三維量測，可獲取帶定位信息的高重疊度影像，利用實(shí)景三維建模軟件還原地表真實(shí)的場景，實(shí)現(xiàn)空間量測。三是綜合成本低，通過一次航飛可以同時制作高精度數(shù)字正射影像(DOM)、數(shù)字表面模型(DSM)、數(shù)字線劃圖(DLG)、實(shí)景三維模型等數(shù)據(jù)成果，在內(nèi)業(yè)即可完成大部分測量工作，獲取等量信息的綜合成本更低。

1.3 監(jiān)管指標(biāo)與提取方法

按照《生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持信息化監(jiān)管技術(shù)規(guī)定(試行)》，結(jié)合無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)優(yōu)勢和成果特征，對項目監(jiān)管指標(biāo)及其對應(yīng)信息獲取的方法歸納見表1。

表1 項目監(jiān)管指標(biāo)及其無人機(jī)傾斜攝影測量信息獲取方法

1.4 技術(shù)流程

參考《生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持信息化監(jiān)管技術(shù)規(guī)定(試行)》，設(shè)計了一套利用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)開展生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持信息化監(jiān)管指標(biāo)提取的技術(shù)流程，主要包括資料收集和預(yù)處理、無人機(jī)傾斜攝影測量、合規(guī)性詳查3個階段，具體流程見圖1。

圖1 無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)項目監(jiān)管流程

在資料收集和預(yù)處理階段，收集監(jiān)管項目的水土保持方案書、批復(fù)文件、防治責(zé)任范圍圖、水土保持措施布局圖等資料；利用方案中的坐標(biāo)信息完成資料的矢量化處理，并套合遙感影像初步判定合規(guī)性。在無人機(jī)攝影測量階段，根據(jù)合規(guī)性預(yù)判結(jié)果，進(jìn)行無人機(jī)飛行規(guī)劃設(shè)計，獲取航攝數(shù)據(jù)和控制點(diǎn)資料；利用建模軟件，完成項目DOM，DSM和實(shí)景三維模型的創(chuàng)建。在合規(guī)性詳查階段，根據(jù)DOM，DSM和實(shí)景三維模型成果，套合項目方案資料，對項目監(jiān)管各項指標(biāo)進(jìn)行提取、識別和判定，為項目監(jiān)管提供數(shù)據(jù)支撐。

2 應(yīng)用實(shí)例

為驗(yàn)證監(jiān)管指標(biāo)提取方法和監(jiān)管工作技術(shù)流程，在成都市范圍內(nèi)隨機(jī)選取了7處在建生產(chǎn)建設(shè)項目，對項目方案等資料進(jìn)行了收集和整理，并利用近期2 m數(shù)字正射影像對項目水土保持措施布局和疑似違規(guī)范圍進(jìn)行了分析，制定了無人機(jī)航飛的方案。航飛使用大疆經(jīng)緯M300 RTK測繪專用無人機(jī)，具體參數(shù)和配件信息詳見表2。該無人機(jī)集成了RTK模塊，已有測試結(jié)果表明，采用該設(shè)備免像控方案采集的影像，其平面精度滿足1∶500地形圖要求[14]。

表2 試驗(yàn)無人機(jī)和傳感器主要參數(shù)信息

航飛工作完成后，使用賽爾航測助手軟件完成架次清理和拷貝、照片篩選、適配建模軟件等數(shù)據(jù)預(yù)處理操作。預(yù)處理完成后使用ContextCapture Center Master軟件開展各架次DOM，DSM和實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)生產(chǎn)。航飛總面積1.339 km2，航飛高度115～120 m，航向重疊度80%，旁向重疊度50%。根據(jù)傾斜相機(jī)的像素參數(shù)，結(jié)合航拍時的鏡頭焦距和相對航高信息，經(jīng)解算后獲取的正射影像地面分辨率為1.3～1.8 cm。利用ArcGIS和Acute3D Viewer軟件分別對各項目開展二維和三維量測，提取各項目監(jiān)管指標(biāo)信息，將各項目典型指標(biāo)提取示例總結(jié)如下。

2.1 擾動特征提取

在DOM和實(shí)景三維模型上可以準(zhǔn)確識別項目擾動特征，以航飛的新都區(qū)某房地產(chǎn)項目為例，在實(shí)景三維模型上，該項目擾動主要表現(xiàn)為推堆土、施工、表土堆放等特征，因此將項目擾動類型判定為“其他擾動地塊”(圖2A)。以航飛的簡陽市某棄渣場為例，在實(shí)景三維模型上，可以提取渣體、擋墻、排水溝、沉砂池等特征，因此將項目擾動類型判定為“棄渣場”(圖2B)。通過識別項目現(xiàn)場圍欄、表土開挖等幾何特征，可以提取出項目的擾動邊界范圍，經(jīng)計算，兩個項目擾動面積分別為7.6，2.1 hm2。

圖2 項目擾動特征提取示例

2.2 建設(shè)狀態(tài)識別

在DOM和實(shí)景三維模型上可以準(zhǔn)確識別項目所處的施工階段，以航飛的新都區(qū)某道路項目為例，該項目在影像上反映為裸地、草被或灌木等土地利用特征，無新增堆挖掘痕跡，建設(shè)狀態(tài)判定為“停工”(圖3A)。以航飛的簡陽市某房地產(chǎn)項目為例，該項目現(xiàn)場推堆掘痕跡明顯，地表原始覆蓋被破壞，現(xiàn)場有施工設(shè)備和建筑材料堆放，建設(shè)狀態(tài)判定為“施工”(圖3B)。以航飛的簡陽市某加工制造類項目為例，該項目現(xiàn)場項目建設(shè)工作已完成，綠化等配套設(shè)施已完工，建設(shè)狀態(tài)判定為“完工”(圖3C)。

圖3 項目建設(shè)狀態(tài)識別示例

2.3 擾動合規(guī)性判定

基于擾動特征提取結(jié)果，套合項目防治責(zé)任范圍資料，利用空間疊加分析方法，可以對項目合規(guī)性進(jìn)行判定。以航飛的新都區(qū)某房地產(chǎn)項目為例，項目擾動范圍基本均位于項目批復(fù)的防治責(zé)任范圍內(nèi)，擾動面積為7.6 hm2，小于批復(fù)的防治責(zé)任范圍面積7.8 hm2，擾動合規(guī)性判定為“合規(guī)”(圖4A)。以航飛的簡陽市某房地產(chǎn)項目為例，項目擾動范圍局部超出了項目批復(fù)的防治責(zé)任范圍，擾動面積為4.33 hm2，批復(fù)的防治責(zé)任范圍面積為4 hm2，擾動合規(guī)性判定為 “超出防治責(zé)任范圍邊界”(圖4B)。

圖4 擾動合規(guī)性判定示例

2.4 水土保持方案落實(shí)情況評價

根據(jù)項目水土保持設(shè)計方案，對照實(shí)景三維成果，可以對項目水土保持方案變更情況、取(棄)土場選址及防護(hù)情況、水土保持措施落實(shí)情況等進(jìn)行評價。以航飛的簡陽市某棄渣場為例，基于實(shí)景三維模型，采用空間長度、面積、體積量算方法，可以對項目水土保持方案中規(guī)定的各項指標(biāo)進(jìn)行評價(圖5)，評價結(jié)果見表3。

注：上圖設(shè)計方案來源于項目水土保持方案[15]。圖5 棄土場設(shè)計方案與三維模型比對示例

表3 水土保持方案落實(shí)情況評價結(jié)果示例

2.5 其他水土保持風(fēng)險或違規(guī)行為提取

基于建立的實(shí)景三維模型成果，可以對項目范圍進(jìn)行高精度全面檢視，利用空間量測方法提取項目高陡邊坡、開挖場地等重點(diǎn)部位范圍、坡度、坡長、水土流失危害面積等參數(shù)信息，判定項目是否存在其他水土保持風(fēng)險或違規(guī)行為。如本研究通過提取發(fā)現(xiàn)，簡陽市某房地產(chǎn)項目存在較大開挖坡面無防護(hù)措施，未按項目水土保持方案“坡面應(yīng)布設(shè)徑流排導(dǎo)工程，防止引發(fā)崩塌、滑坡等災(zāi)害”要求(圖6A)。新都區(qū)某房地產(chǎn)項目，不滿足項目方案中“對臨時堆土進(jìn)行攔擋、苫蓋，布設(shè)排水溝和沉砂池”等措施要求(圖6B)。

圖6 其他水土保持風(fēng)險或違規(guī)行為提取示例

3 結(jié) 論

綜上，無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)作為當(dāng)前新興的攝影測量技術(shù)，在生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持信息化監(jiān)管工作中具備較好的適用性。通過資料收集和預(yù)處理、無人機(jī)傾斜攝影測量、合規(guī)性詳查等作業(yè)工序，可以完成生產(chǎn)建設(shè)項目擾動特征、建設(shè)狀態(tài)、擾動合規(guī)性、水土保持方案變更情況、表土和取(棄)土場選址及防護(hù)情況、水土保持措施落實(shí)情況、其他水土保持風(fēng)險或違規(guī)行為識別等大部分監(jiān)管指標(biāo)的提取，且具備信息獲取豐富、實(shí)現(xiàn)真三維量測、綜合成本低等優(yōu)勢，相較于傳統(tǒng)生產(chǎn)建設(shè)項目監(jiān)管技術(shù)手段，具有監(jiān)管信息提取成本更低、效率更高、比對方式更靈活等優(yōu)點(diǎn)，在生產(chǎn)建設(shè)項目監(jiān)管工作中具備廣闊的應(yīng)用前景。但目前該技術(shù)也面臨著設(shè)備成本偏高，便攜度略低，受空域限制等不足，是進(jìn)一步推廣應(yīng)用需著力解決的問題。