陳曉佳 CHEN Xiao-jia；趙安平 ZHAO An-ping；陳生 CHEN Shen

（①上海海洋地質(zhì)勘察設(shè)計(jì)有限公司，上海 200120；②上海東亞地球物理勘查有限公司，上海 200120）

0 引言

水土保持是國土治理、江河治理的根本，是國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)。搞好水土保持、防治水土流失，是治水事業(yè)的一項(xiàng)根本性措施，也是改善和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的一項(xiàng)緊迫而長期的戰(zhàn)略任務(wù)。

國家生態(tài)環(huán)境監(jiān)測總目標(biāo)：一是要實(shí)現(xiàn)生態(tài)狀況、環(huán)境質(zhì)量和重點(diǎn)污染源監(jiān)測的全覆蓋，從水土保持來看包括水土流失面積、強(qiáng)度和分布，變化與趨勢，水土保持措施實(shí)施數(shù)量和成效等，均應(yīng)全面監(jiān)測，并納入生態(tài)環(huán)境監(jiān)測體系中；二是要建成天地一體監(jiān)測、上下協(xié)同監(jiān)測和信息共享的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，顯著提高信息化能力和保障水平；三是監(jiān)測與監(jiān)管聯(lián)動(dòng)，監(jiān)測要為監(jiān)控和管理提供強(qiáng)有力的支撐。生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目“天地一體化”監(jiān)測成果要成為制訂監(jiān)督計(jì)劃、組織督查、檢查和驗(yàn)收的依據(jù)，使水土保持監(jiān)測真正成為水土保持工作和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的耳目和前沿[1]。

2021年02月，上海市水務(wù)局印發(fā)《關(guān)于推進(jìn)開發(fā)區(qū)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持管理工作改革的實(shí)施意見》的通知，積極推行實(shí)施開發(fā)區(qū)水土保持區(qū)域評估，鼓勵(lì)管理機(jī)構(gòu)對開發(fā)區(qū)或開發(fā)區(qū)一定區(qū)域統(tǒng)一開展水土保持監(jiān)測，其監(jiān)測成果可供區(qū)域內(nèi)項(xiàng)目共享使用。這就給水土保持監(jiān)測工作帶來新的挑戰(zhàn)和契機(jī)。水土保持監(jiān)測工作需全面提高工作效率，以快速、準(zhǔn)確、全面的監(jiān)測成果，為區(qū)域評估提供高效服務(wù)。

1 依托項(xiàng)目概況

依托硬X射線自由電子激光裝置國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目實(shí)施水土保持監(jiān)測技術(shù)數(shù)字化應(yīng)用。硬X射線自由電子激光裝置國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目國家發(fā)展改革委聯(lián)合教育部、科技部等優(yōu)先布局建設(shè)的10個(gè)國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目之一，上海張江綜合性國家科學(xué)中心建設(shè)的標(biāo)志性項(xiàng)目。項(xiàng)目為線型工程，位于上海市浦東新區(qū)，跨越花木街道、張江鎮(zhèn)以及北蔡鎮(zhèn)。項(xiàng)目建設(shè)內(nèi)容包括五座工作井基地及其聯(lián)通隧道建設(shè)?？傉嫉孛娣e為12.90hm2，項(xiàng)目總長3.1km。項(xiàng)目已于2018年4月開工，2021年1月通過水利部水土保持方案評審（水許可決[2021]1號）。

本項(xiàng)目水土保持監(jiān)測特點(diǎn)：①監(jiān)測范圍廣，監(jiān)測點(diǎn)位分散，本工程設(shè)置8個(gè)監(jiān)測點(diǎn)位，其中調(diào)查監(jiān)測法監(jiān)測點(diǎn)6處，分別在井場及隧道建設(shè)區(qū)（2、3、5號井場）、施工生產(chǎn)生活區(qū)（4號井場和5號井場）和施工便道區(qū)（5號井場區(qū)）各設(shè)一處；集沙池法監(jiān)測點(diǎn)2處，分別選取井場及隧道建設(shè)區(qū)1號井場以及4號井場各一處。②涉及土地類型多，永久占地及臨時(shí)占地分散。③監(jiān)測內(nèi)容及土石方量大，土石方挖填總量達(dá)到96.81萬m3。④監(jiān)測周期較長。項(xiàng)目開工時(shí)間為2018年4月，計(jì)劃于2024年04月完工，總工期計(jì)72個(gè)月。⑤監(jiān)測頻次要求高。對擾動(dòng)土地、水土流失狀況等每月監(jiān)測一次?；谝陨媳O(jiān)測特點(diǎn)，水土保持監(jiān)測小組積極探索水土保持新型監(jiān)測手段，積極創(chuàng)新，為提高監(jiān)測效率及精度積極開展水土保持監(jiān)測技術(shù)數(shù)字化的研究應(yīng)用。

2 水土保持監(jiān)測技術(shù)數(shù)字化應(yīng)用

2.1 整體思路及技術(shù)路線

水土保持監(jiān)測技術(shù)數(shù)字化應(yīng)用整體思路為：①利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工測量，實(shí)現(xiàn)水土保監(jiān)測項(xiàng)目數(shù)據(jù)的三維數(shù)字化；②利用現(xiàn)場氣象平臺以及氣象大數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)水土流失因子實(shí)時(shí)記錄及監(jiān)控，為確定土壤流失量提供可靠依據(jù)。具體實(shí)施技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 水土保持監(jiān)測技術(shù)數(shù)字化技術(shù)路線圖

2.2 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)

近年來無人機(jī)航拍技術(shù)已廣泛用于水土保持監(jiān)測，但是要快速獲取土地?cái)_動(dòng)面積，項(xiàng)目建設(shè)過程中水保措施的工程量等仍需要人工現(xiàn)場測量。在線性工程以及區(qū)域評估的項(xiàng)目中，傳統(tǒng)的水土保持監(jiān)測工作量大且測量時(shí)間較長。無人機(jī)傾斜攝影對影像數(shù)據(jù)的采集具有真實(shí)高效性，三維模型全自動(dòng)化。與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集測量相比，無人機(jī)測量包含了空間位置信息，并能根據(jù)需求輸出多種成果。無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)通過相關(guān)專業(yè)軟件以及多角度測量攝影，完整獲取項(xiàng)目基礎(chǔ)信息，高效建立三維數(shù)字模型，借助三維平臺的實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)面積、植被壓占面積、水土保持措施工程量（工程措施、植物措施、臨時(shí)措施等）、工程進(jìn)度等數(shù)據(jù)的測量。同時(shí)能對項(xiàng)目存在的問題實(shí)時(shí)監(jiān)測與反饋[2]。

本項(xiàng)目使用大疆Phantom 4 RTK搭載DJITM GSRK無人機(jī)，搭載多頻多系統(tǒng)RTK模塊，使作業(yè)精度可達(dá)到厘米級別。同時(shí)確保測量目標(biāo)區(qū)域被完整測量要求飛行方向和旁向的重合度大于85%，確保測量的高精度。通過Smart3DCapture軟件進(jìn)行影像處理，進(jìn)行3D建模。無人機(jī)傾斜攝影與傳統(tǒng)測量的效率對比如表1所示。

表1 無人機(jī)傾斜攝影效率表

2021年第三季度，通過無人機(jī)和傾斜攝影建立三維數(shù)字模型，以數(shù)字模型為基礎(chǔ)復(fù)核硬X射線自由電子激光裝置國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目實(shí)際擾動(dòng)范圍為13.36hm2，較方案批復(fù)的新增擾動(dòng)范圍0.46hm2。

以5號井場為例，5號井場位于小張家浜北側(cè)、三八河?xùn)|側(cè)，建設(shè)內(nèi)容為：1棟科研大樓、1棟共用設(shè)施，1棟35kV變電所以及一棟門衛(wèi)?？傉嫉孛娣e為3.29hm2，其中永久占地1.82hm2，臨時(shí)占地1.47hm2。臨時(shí)占地中施工便道占地面積0.24hm2，施工生產(chǎn)生活區(qū)占地面積為1.23hm2。通過無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)建立3D數(shù)字模型（見圖2、圖3），直接在模型模型中提取水土保監(jiān)測相關(guān)數(shù)據(jù)如下：

圖2 5號井場照片（2021.05）

圖3 5號井場3D模型

①擾動(dòng)面積。擾動(dòng)面積的讀取主要通過3D模型判斷、綜合分析進(jìn)行防治范圍直接勾繪提取。5號井通過數(shù)字模型直接測量，擾動(dòng)范圍為3.29hm2，與水土保持方案批復(fù)的防治責(zé)任范圍一致，人為擾動(dòng)未超出防治責(zé)任范圍。

②水土流失情況。水土流失情況包括土壤流失面積、土壤侵蝕強(qiáng)度和水土流失危害等。利用3D數(shù)字模型中的高程信息，獲得井場坡道信息，綜合土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)，判斷項(xiàng)目區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度。目前本項(xiàng)目侵蝕類型主要為水力侵蝕，根據(jù)判斷結(jié)果土壤侵蝕強(qiáng)度為微度。說明項(xiàng)目各項(xiàng)水土保持措施充分發(fā)揮效益。

③水土保持措施監(jiān)測。目前項(xiàng)目處于主體工程建設(shè)期，主要的水土保持措施為臨時(shí)措施，包括：密目網(wǎng)苫蓋、基坑截水溝、場地排水溝、沉砂池、洗車平臺、混凝土擋墻等。通過模型直接測量5號井場的臨時(shí)措施工程量及尺寸。對比批復(fù)方案，可判斷措施完成進(jìn)度情況。

④臨時(shí)堆土量。目前主體基坑開挖已經(jīng)完成，項(xiàng)目場地內(nèi)無臨時(shí)堆土。若有，可根據(jù)3D數(shù)字模型，計(jì)算臨時(shí)堆土數(shù)據(jù)。

通過項(xiàng)目實(shí)際監(jiān)測，采用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，極大的節(jié)約人力資源，提高了水土保持監(jiān)測的工作效率，同時(shí)水土保持監(jiān)測成果也更直觀立體。

2.3 氣象數(shù)據(jù)平臺的應(yīng)用

上海位于長江三角沖積平原，屬于太湖流域，北亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候、四季分明，雨量充沛，以水力侵蝕為主的南方紅壤區(qū)，土壤侵蝕強(qiáng)度為微度。由于上海市水土保持工作起步相對較晚，水土保持方案中的土壤流失量預(yù)測大部分以相近地區(qū)項(xiàng)目已有成果，進(jìn)行類比分析和引用。擾動(dòng)后的土壤侵蝕模數(shù)根據(jù)地形地貌、氣候（降雨、風(fēng)速）、擾動(dòng)強(qiáng)度等參數(shù)以及最不利情況進(jìn)行修正。降雨是水土流失的原動(dòng)力，從氣象學(xué)角度來看，降雨主要有雨量、雨強(qiáng)、降雨歷時(shí)等特征值來反映，另外，在定量計(jì)算中，最具代表性的土壤侵蝕統(tǒng)計(jì)模型—通用土壤流失方程式USLE[3][4]為：

其中：A代表土壤流失量，R是降雨侵蝕力因子，K為土壤可蝕性因子，LS為地形因子（坡長、坡度），C為植被因子，P為水土保持措施因子?；谏鲜鲇?jì)算公式可知，對于土壤流失量，降雨侵蝕力因子的確定尤為重要。

本項(xiàng)目根據(jù)氣象數(shù)據(jù)采集要求，在5號井場設(shè)置氣象站，選用RS-QXYL自動(dòng)雨量氣象站，實(shí)施采集并記錄總雨量、瞬時(shí)雨量、日雨量、當(dāng)前雨量、風(fēng)力風(fēng)速、風(fēng)向、溫濕度及大氣壓力等氣象數(shù)據(jù)。設(shè)備通過GPRS/4G方式將數(shù)據(jù)上傳至環(huán)境監(jiān)控云平臺，通過網(wǎng)頁和APP查看。環(huán)境監(jiān)控云平臺如圖4所示。

圖4 氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺

上海市年降雨量總體呈逐年波動(dòng)上升趨勢，80%以上的年降水量在900mm以上，近30年來，年降水量大都高于平均降水量。降水表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化，約70%的降水集中在汛期（6月-9月），另外受冷空氣及臺風(fēng)的影響形成的降雨也比較頻繁。從歷年暴雨發(fā)生的區(qū)域來看，上海市一般以局部暴雨為主，表現(xiàn)出明顯的區(qū)域性。故單個(gè)項(xiàng)目的降雨量與區(qū)域氣象站的數(shù)據(jù)存在偏差，需要將項(xiàng)目實(shí)際測量監(jiān)測的數(shù)據(jù)與氣象站的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，修正氣象因子，從而修正土壤侵蝕模數(shù)，進(jìn)而計(jì)算土壤流失量[5]。根據(jù)上海浦東新區(qū)58370氣象站逐日降水量與項(xiàng)目現(xiàn)場氣象站數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，如圖5所示。2021年10月降雨量，上海浦東新區(qū)58370氣象站累計(jì)雨量為148.10mm，現(xiàn)場氣象站累計(jì)雨量為108.60mm，全月累計(jì)數(shù)據(jù)偏差為26.67%。全月最大降雨日為10月20日，上海浦東新區(qū)58370氣象站測量雨量為32.1mm，現(xiàn)場氣象站測量雨量為25.0mm，數(shù)據(jù)偏差為22.11%。根據(jù)圖5，10月8號、12日及15號浦東發(fā)生局部降雨，而項(xiàng)目現(xiàn)場（5號井）未出現(xiàn)降雨情況，10月7號及11號現(xiàn)場降雨量超過浦東新區(qū)降雨量平均值。

圖5 降雨量對比圖(2021.10)

根據(jù)水土流失調(diào)查及預(yù)測，工程建設(shè)期間共計(jì)產(chǎn)生水土流失總量約210.53t。由于降雨當(dāng)年量與類比工程多年平均降雨量有偏差，故擾動(dòng)后的侵蝕模數(shù)需修正，根據(jù)各區(qū)各階段的施工特點(diǎn)，修正后的土壤侵蝕模數(shù)為584～6148/（km2·a）。截止到2021年第三季度總流失量為67.42t。后期水土流失重點(diǎn)時(shí)段為場地市政雨水管網(wǎng)、綠化工程、道路配套工程以及臨時(shí)占地恢復(fù)階段。

3 結(jié)論與展望

通過研究及實(shí)際項(xiàng)目監(jiān)測，利用無人機(jī)傾斜攝影以及氣象云平臺可以比較精確完成生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目擾動(dòng)土地面積、水土保持措施、氣象因子等監(jiān)測工作，對完成線性和大型點(diǎn)狀工程極大提高水土保持監(jiān)測的精度、效率及自動(dòng)化程度。與地面常規(guī)監(jiān)測相比，其監(jiān)測數(shù)據(jù)更加豐富和客觀，也必將成為水土保持監(jiān)測技術(shù)數(shù)字應(yīng)用的重要思路。

本文根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，得到以上研究成果，尚存在一定的局限性，但是隨著監(jiān)測手段改建及創(chuàng)新，水土保持監(jiān)測數(shù)字化技術(shù)的推廣應(yīng)用，數(shù)字化技術(shù)也將越來越完善。同時(shí)水土保持監(jiān)測工作對監(jiān)測人員的技術(shù)要求也越來越高，要求水土保持監(jiān)測人員始終牢記使命，不忘初心，為新時(shí)代的水土保持工作添磚加瓦。