陳 亮

(新民市水土保持監(jiān)督管理處，遼寧 新民 110300)

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遙感系統(tǒng)在坡耕地水土保持監(jiān)測中的研發(fā)與應(yīng)用

陳 亮

(新民市水土保持監(jiān)督管理處，遼寧 新民 110300)

基于現(xiàn)代水土流失監(jiān)測技術(shù)對時效性、針對性、系統(tǒng)性要求逐步提高，無人機遙感技術(shù)作為新興技術(shù)在水利等工程中不斷被推廣運用，并逐漸成為水土流失治理中的關(guān)鍵技術(shù)之一。文章通過構(gòu)建無人機遙感系統(tǒng)，研發(fā)了系統(tǒng)的組成情況，分析了系統(tǒng)的功能提出了無人機航測數(shù)據(jù)處理流程，結(jié)合實際調(diào)研及其航拍情況，展示了湖北省紅安縣和福建省安溪縣的實際航拍及其模擬云圖，并對無人機遙感系統(tǒng)的推廣應(yīng)用進行深入分析，極大地促進了無人機遙感系統(tǒng)的快速生產(chǎn)和積極推廣應(yīng)用，對我國水土流失治理工作具有重要的導(dǎo)向作用。

無人機遙感系統(tǒng)；水土保持；坡耕地；調(diào)研研發(fā)；推廣應(yīng)用

目前我國水土流失形勢日益惡化，并逐步發(fā)生生態(tài)破壞、土地肥力退化、泥沙灘涂等大面積堆積等一系列鏈?zhǔn)絾栴}，對人類社會生存發(fā)展造成嚴(yán)重的威脅[1]。然而，傳統(tǒng)監(jiān)測方法以人工調(diào)查方式為主，造成水土監(jiān)測工期和時間上的極大浪費，而且監(jiān)測范圍小、信息誤差大，難以對大范圍區(qū)域進行定量監(jiān)測[2]?？萍嫉陌l(fā)展帶來了遙感技術(shù)等新技術(shù)、新方法，其適用性、運用水平也在不斷地提高，通過遙感技術(shù)進行水土保持監(jiān)測能夠克服傳統(tǒng)監(jiān)測方法存在的缺陷，通過遙感影像解譯，制作DEM模擬分析圖，從而實現(xiàn)水土保持實時監(jiān)測等，成為目前針對大范圍區(qū)域進行水土保持監(jiān)測的主要方法[3-4]。

正因為如此，無人機遙感技術(shù)逐漸被廣泛運用到各個領(lǐng)域中，解決諸多調(diào)查中無法實現(xiàn)的難題，一方面大大減小工作量，提高工程施工效率，另一方面能夠準(zhǔn)確、及時、高效、全面的解決水土流失治理過程中信息采集、動態(tài)掌握等難題，保證水土保持工作的高效進行[5-6]。

本文基于北京地拓科技發(fā)展有限公司所研發(fā)的無人機為背景依托，構(gòu)建并分析無人機遙感系統(tǒng)的研發(fā)及其組成情況，提出無人機航測數(shù)據(jù)處理流程，并對系統(tǒng)的功能進行客觀分析，結(jié)合實際調(diào)研及其航拍情況對無人機遙感系統(tǒng)進行了全面深入的研究和介紹，結(jié)合湖北省紅安縣和福建省安溪縣的實際調(diào)研情況，進行無人機遙感系統(tǒng)成果展示，對無人機遙感系統(tǒng)在其他領(lǐng)域中的應(yīng)用進行詳細的研究，對無人機遙感系統(tǒng)的迅速投入市場生產(chǎn)和應(yīng)用具有重要推廣作用。

1 無人機遙感系統(tǒng)研發(fā)

1.1 系統(tǒng)組成概況

無人機遙感系統(tǒng)主要包括4部分：動能系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、遙感及地面控制系統(tǒng)，四大系統(tǒng)相互有機結(jié)合，控制無人機的航拍范圍和使用情況。無人機研發(fā)及其實物見圖1所示。

1)動能系統(tǒng)

動能系統(tǒng)即無人機機身，該系統(tǒng)能夠提供無人機起落、升降、懸停等機械動力。其中，根據(jù)機體大小機身材質(zhì)分為3類：①泡沫塑料；②塑料合成材料；③碳纖維，材料不同，性能和參數(shù)也不盡相同。機身具有一定的載荷能力，便于飛行控制系統(tǒng)和遙感系統(tǒng)的安裝[7]。

2)無人機操作系統(tǒng)

無人機操作系統(tǒng)可實現(xiàn)無人機空中作業(yè)工作，該工作有操作人員通過遙控裝置進行控制，其中，遙控模塊分為：飛行方位傳感器、飛行控制器、飛行負載平臺、飛行穩(wěn)定控制器、航測導(dǎo)航系統(tǒng)及其遙控信號收發(fā)器6大部分組成，模塊與動能系統(tǒng)相互成一整體，完成無人機飛行自動調(diào)整和接受地面指令，自動定位，采集信息及其數(shù)據(jù)回傳等航測工作[8]。

圖1 無人機

3)遙感系統(tǒng)

遙感系統(tǒng)包括機載傳感器，即：數(shù)碼相機、熱紅外傳感器、無人機搭載操控傳感器等裝置，可實現(xiàn)航測拍攝等的獲取、保存和回傳等工作。

4)地面控制系統(tǒng)

地面控制系統(tǒng)包括4大部分：無線遙控系統(tǒng)、無人機交互通信系統(tǒng)、計算機監(jiān)控系統(tǒng)和軟件監(jiān)控系統(tǒng)等，能夠?qū)崿F(xiàn)無人機航測航線規(guī)劃，航跡航向設(shè)定，分解規(guī)劃飛行任務(wù)，優(yōu)化遙感系統(tǒng)參數(shù)等任務(wù)，通過遙、監(jiān)控系統(tǒng)和裝置能夠保證無人機的飛行穩(wěn)定、航線規(guī)劃、航測任務(wù)圓滿完成，起到監(jiān)測和調(diào)控的作用。

1.2 無人機遙感系統(tǒng)功能

無人機遙感系統(tǒng)具有以下7大功能：

1)實現(xiàn)現(xiàn)場檢查/驗收數(shù)據(jù)本地存儲，方便現(xiàn)場檢查/驗收信息查閱。

2)方便現(xiàn)場查閱項目基本信息。

3)實現(xiàn)項目實施范圍的精準(zhǔn)定位。

4)實現(xiàn)措施圖斑位置與屬性關(guān)聯(lián)顯示。

5)方便現(xiàn)場監(jiān)督檢查/驗收信息的記錄和匯總，現(xiàn)場拍照、錄音、錄像，記錄與地理坐標(biāo)關(guān)聯(lián)，無人機航測數(shù)據(jù)處理流程圖見圖2所示。

6)實現(xiàn)現(xiàn)場檢查/驗收關(guān)鍵指標(biāo)目標(biāo)與實施情況對比，提高現(xiàn)場監(jiān)督管理工作的效率和質(zhì)量，為項目監(jiān)管提供佐證。

7)智能查詢記錄信息，實現(xiàn)移動端與管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享，資源互通。

圖2 無人機航測數(shù)據(jù)處理流程圖

1.3 系統(tǒng)研發(fā)及其應(yīng)用界面

通過北京地拓科技發(fā)展公司進行研發(fā)，其系統(tǒng)研發(fā)流程情況如圖3-圖7所示。

2 坡耕地水土保持監(jiān)測調(diào)研

2016年5月，該公司配合水土保持監(jiān)測中心開展水利部坡耕地水土流失綜合治理工程調(diào)研工作；外業(yè)系統(tǒng)現(xiàn)場瀏覽項目信息、定位、查看、記錄、拍照、錄音、錄像、量測，無人機飛行拍照、錄像、數(shù)據(jù)拼接以及召開座談會等方式進行項目調(diào)研。

前期準(zhǔn)備：確定調(diào)研省區(qū)典型縣后，我公司將典型縣2011-2015年度入庫信息及現(xiàn)狀高分遙感影像導(dǎo)入移動終端，供現(xiàn)場抽查使用。

5月21日-31日，我公司配合五個調(diào)研組開展調(diào)研，調(diào)研范圍覆蓋全部22個坡改梯省區(qū)，重點對2013-2015年度工程實施情況進行調(diào)研，兼顧2011-2012年工程實施情況。

圖3 項目實施情況對比

圖4 新建記錄及其對應(yīng)情況

圖6 智能查詢研發(fā)

圖7 長度和面積量算情況

3 無人機遙感系統(tǒng)應(yīng)用成果及其反饋

3.1 坡耕地水土保持監(jiān)測成果

如圖9(a)和(b)所示為湖北省紅安縣和福建省安溪縣調(diào)研成果。

圖9 無人機遙感技術(shù)監(jiān)測成像與DEM模擬圖

3.2 無人機遙感系統(tǒng)應(yīng)用反饋

1)國家重點工程評估調(diào)研采用大疆精靈4無人機，調(diào)研期間，無人機表現(xiàn)出色，性能穩(wěn)定。

2)通過無人機拍攝視頻、照片判斷水土保持工程實施效果。

3)通過航線規(guī)劃后拼接成調(diào)研區(qū)正射影像，可以直接用于水土保持工程面積復(fù)核。

4)三維重建調(diào)研區(qū)，可以直接用于調(diào)研區(qū)水土保持工程效果展示。

5)建立DEM，可用于調(diào)研區(qū)下一步水土保持工程措施修復(fù)、驗收管理、以及下一年度項目規(guī)劃提供數(shù)據(jù)支撐。

4 無人機遙感系統(tǒng)推廣應(yīng)用

4.1 無人機遙感在水域動態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用

經(jīng)濟的發(fā)展、人口的劇增，帶來了我國水資源供需關(guān)系日益惡化，水資源緊缺與污染已成為當(dāng)下亟待解決的問題之一。但是，限于水土監(jiān)測技術(shù)的落后、水土保持意思淡薄等因素影響，我國許多河流水域面積、分布、走勢、水量變化等更新速度慢，資料落后，依然滿足不了社會和經(jīng)濟現(xiàn)代化發(fā)展的需要。

無人機遙感系統(tǒng)的研發(fā)可以針對已有水域進行動態(tài)監(jiān)測，及時更新調(diào)研成果，對水域權(quán)屬界線、水域面積、水域利用、水域干支流分布等進行系統(tǒng)更新，并根據(jù)數(shù)據(jù)采集和圖形編輯，與數(shù)值模擬軟件進行結(jié)合，確定某一針對水域的動態(tài)監(jiān)測面積、類型、分布、權(quán)屬、利用情況等，并通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)“縣—區(qū)—市—省”等水域的監(jiān)測數(shù)據(jù)共享和管理[9]，及時掌握水域動態(tài)情況。

另一方面，無人機遙感系統(tǒng)還能夠監(jiān)測非法水域占用、河道改道、流域發(fā)展等情況，為預(yù)測河道發(fā)展趨勢提供保證，為水域占用執(zhí)法提供數(shù)據(jù)支撐。

4.2 無人機遙感在灘涂資源動態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用

無人機遙感系統(tǒng)直觀高效、實時快速、動態(tài)適用、移動性強等，對于地表信息難以識別、難以捕捉等具有獨特的優(yōu)勢。無人機遙感系統(tǒng)與衛(wèi)星遙感技術(shù)相比較：①前者能夠定點、定時獲取研究區(qū)域遙感影像；①機動性強，在飛行條件允許的條件下，可以獲得灘涂準(zhǔn)確遙感影像；③提供圍墾數(shù)據(jù)分析和技術(shù)依據(jù)；④高效動態(tài)監(jiān)測，數(shù)據(jù)信息時效性強。

4.3 無人機遙感在其他水利工程中的應(yīng)用

無人機遙感系統(tǒng)具有實施效率高、分辨率高、采集和處理數(shù)據(jù)快等優(yōu)點，在水利工程建設(shè)、設(shè)計、施工和管理運行等方面具有特殊作用，并且在水利工程建設(shè)環(huán)境影響分析評價方面具有較好的數(shù)據(jù)支持作用。

此外，該系統(tǒng)還能對與水利工程建設(shè)導(dǎo)致的土地植被變化、水土淹沒范圍、水庫大壩淤積、土地沙漠化和土地鹽漬化等方面進行實時動態(tài)監(jiān)測，為工程生態(tài)環(huán)境提供的科學(xué)數(shù)據(jù)和決策支撐，具有重要作用和顯著的導(dǎo)向作用。

5 結(jié) 語

無人機遙感技術(shù)作為新興技術(shù)在水利等工程中不斷被推廣運用，并產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟技術(shù)和社會效益。本文構(gòu)建并分析了無人機遙感系統(tǒng)的研發(fā)及其組成情況，提出了無人機航測數(shù)據(jù)處理流程，并對系統(tǒng)的功能進行了客觀分析，結(jié)合實際調(diào)研及其航拍情況深入研究了無人機遙感系統(tǒng)，給出了湖北省紅安縣和福建省安溪縣的實際航拍及其模擬云圖展示，分析了無人機遙感系統(tǒng)在其他領(lǐng)域中的推廣應(yīng)用情況，極大地促進了無人機遙感系統(tǒng)的市場生產(chǎn)和推廣應(yīng)用，對我國水土保持工作具有一定的指導(dǎo)和啟發(fā)作用。

[1]李國杰.對無人機遙感技術(shù)在土地執(zhí)法工作中應(yīng)用的研究[J].航空航天科學(xué)技術(shù),2016(16): 009-014.

[2]王志良，付貴增，韋立偉，等.無人機低空遙感技術(shù)在線狀工程水土保持監(jiān)測中的應(yīng)用探討[J].中國水土保持科學(xué),2015,13(04):109-114.

[3]文雄飛，張 穗，張 煜.無人機傾斜攝影輔助遙感技術(shù)在水土保持動態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用潛力分析[J].長江科學(xué)院院報,2016,33(11):93-98.

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1007-7596(2017)03-0141-04

2017-02-24

陳亮(1981-),男，遼寧新民人，工程師，研究方向水土流失治理。

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