劉晨曦，蒲 堅，李建明，潘曉穎，張長偉，王志剛

(1.長江水利委員會 長江科學(xué)院，湖北 武漢 430010；2.水利部 山洪地質(zhì)災(zāi)害防治工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430010)

當前社會高速發(fā)展，生產(chǎn)建設(shè)項目數(shù)量眾多，類別以及規(guī)模呈多樣化趨勢。公路、鐵路等建設(shè)項目的投入使用在推動社會發(fā)展的同時，環(huán)境問題也逐漸顯現(xiàn)[1]。依照長江經(jīng)濟帶建設(shè)要求和習(xí)近平總書記在黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展座談會上的講話精神，經(jīng)濟建設(shè)不能以犧牲生態(tài)環(huán)境為代價，水土保持工作也得到了前所未有的重視[2-3]。

為貫徹落實“水利工程補短板，水利行業(yè)強監(jiān)管”水利改革發(fā)展總基調(diào)，進一步規(guī)范水利行業(yè)勘測設(shè)計行為，強化勘測設(shè)計責(zé)任，保障水利工程勘測設(shè)計質(zhì)量，水利部在2020年3月出臺了《水利工程勘測設(shè)計失誤問責(zé)辦法(試行)》(水總〔2020〕33號)，要求設(shè)計過程中須保證基礎(chǔ)資料真實、完整、準確，設(shè)計結(jié)果須符合法律、法規(guī)、規(guī)章、強制性標準和推薦性技術(shù)標準的要求，并滿足設(shè)計階段的工作深度[4]。在當前水利發(fā)展的新形勢下，國家對建設(shè)項目水土保持措施設(shè)計精細化提出了更高的要求，強調(diào)水土保持從業(yè)單位及個人負有設(shè)計責(zé)任。因此，對水土保持措施設(shè)計精細化技術(shù)路線進行深入研究勢在必行。

1 水土保持措施設(shè)計精細化的必要性

水土保持措施設(shè)計精細化是指在生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持措施設(shè)計中，依據(jù)項目特點，結(jié)合完整和準確的基礎(chǔ)資料，提出貼合實際的水土保持措施方案，要求設(shè)計規(guī)范、完成度高、統(tǒng)一性好，專業(yè)間矛盾少，不過度設(shè)計，且能準確指導(dǎo)后期設(shè)計、招標以及工程施工。

在《水利部生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持方案變更管理規(guī)定(試行)》(辦水?！?016〕65號)中，與措施設(shè)計精細化有關(guān)的要求包括：表土剝離量減少30%以上的，植物措施總面積減少30%以上的，以及水土保持重要單位工程措施體系發(fā)生變化，可能導(dǎo)致水土保持功能顯著降低或喪失的情況，屬于項目重大變更的，需要對項目水土保持部分重新設(shè)計。水土保持方案的變更不僅拖延項目進度，對項目投資和施工造成不良影響，而且不當?shù)乃帘３执胧┰O(shè)計可能引起滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，造成生命和財產(chǎn)損失[5]。

《水利工程勘測設(shè)計失誤問責(zé)辦法(試行)》(水總〔2020〕33號)明確要求：對降低工程質(zhì)量標準、影響工程功能發(fā)揮、導(dǎo)致工程存在安全隱患或發(fā)生較大程度的投資追加的情形視同為水利工程勘測設(shè)計失誤標準之一，并從質(zhì)量、功能、安全和投資影響四個維度判定。對于設(shè)計單位和個人而言，設(shè)計責(zé)任進一步加大。

可以看出，水土保持措施設(shè)計精細化，有利于提高設(shè)計深度，合理控制建設(shè)成本，避免建設(shè)后期設(shè)計變更，從而提高工程建設(shè)效率，有效防止因設(shè)計不當而導(dǎo)致的嚴重人為水土流失和人為自然災(zāi)害的發(fā)生，降低單位及個人設(shè)計風(fēng)險。

2 無人機技術(shù)在水土保持措施設(shè)計精細化中的應(yīng)用

水土保持措施設(shè)計精細化的前提是對項目區(qū)地形進行精準和全面勘測。生產(chǎn)建設(shè)項目一般分為點型項目和線型項目。點型項目占地集中，建設(shè)區(qū)擾動投影面積和表面積獲取較容易。線型項目存在項目區(qū)占地面積較大、部分區(qū)域地形復(fù)雜、人力不能直接到達等問題，給項目勘測帶來了很大的困難。為兼顧勘測效率，可采用總體規(guī)劃與局部重點設(shè)計相結(jié)合的技術(shù)路線，其中，局部重點設(shè)計區(qū)域包括水土流失危害嚴重區(qū)域，以及棄渣場等易造成生命財產(chǎn)損失的重點區(qū)域。

衛(wèi)星遙感影像結(jié)合無人機技術(shù)是實現(xiàn)水土保持措施設(shè)計精細化總體規(guī)劃與局部重點設(shè)計相結(jié)合的重要技術(shù)途徑?？傮w規(guī)劃所需資料可通過購買衛(wèi)星遙感影像獲取，但衛(wèi)星遙感影像時效一般滯后，設(shè)計要素和屬性覆蓋不全面，主要用于線型工程或是水土流失危害性較低區(qū)域。重點區(qū)域基礎(chǔ)資料的全面和精確獲取則依賴技術(shù)和方法的創(chuàng)新，全站儀等傳統(tǒng)方法雖精度較高，但應(yīng)對野外復(fù)雜環(huán)境存在作業(yè)難度大、周期長等問題。無人機技術(shù)能克服交通中斷且有效避免勘測過程中的人員意外傷害，較方便獲取項目區(qū)航片數(shù)據(jù)，更能依據(jù)較為成熟的軟件對數(shù)據(jù)進行處理，得到項目區(qū)DOM、DEM以及三維模型，為項目設(shè)計提供全方位的數(shù)據(jù)支撐[6-8]。本研究重點是通過無人機技術(shù)實現(xiàn)對局部的重點設(shè)計。

3 無人機技術(shù)在水土保持措施設(shè)計精細化中的應(yīng)用

3.1 無人機航片數(shù)據(jù)采集

在對目標區(qū)域進行航片采集前，應(yīng)充分了解項目區(qū)總體布局情況[9]。在與建設(shè)單位充分溝通和現(xiàn)場勘測前提下，采用查閱項目設(shè)計圖紙資料、衛(wèi)星遙感影像與調(diào)查相結(jié)合的方法，復(fù)核項目重點勘測區(qū)域并確認，對重點區(qū)域數(shù)據(jù)進行精準采集，明確項目水土保持措施設(shè)計重點，提高數(shù)據(jù)處理效率。

在應(yīng)用無人機進行野外作業(yè)時應(yīng)參考《低空數(shù)字航空攝影測量外業(yè)規(guī)范》(CH/Z 3004—2010)以及《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》(CH/Z 3005—2010)，在規(guī)范標準下，結(jié)合項目自身特點，依據(jù)項目區(qū)范圍和數(shù)字航片成果精度要求進行航線規(guī)劃，包括設(shè)置飛行方向、飛行高度、相機角度、航向重疊率以及旁向重疊率等參數(shù)[10-11]。盡量在天氣良好、光照充足的情況下進行航片數(shù)據(jù)采集，避免陰影面積過大，導(dǎo)致采集數(shù)據(jù)不準確，影響后期使用效果[12]。

為進一步提高航片后期處理的精度，在有條件的情況下，數(shù)據(jù)采集時合理布設(shè)控制點作為后期數(shù)據(jù)處理的校準點，能較大程度上提高數(shù)據(jù)精度。控制點要在航片上能夠比較容易辨別，可以根據(jù)目標區(qū)域內(nèi)不同的地形地貌特征、植被覆蓋率及顏色特征、交通道路等條件，合理選擇控制點的材料和顏色[13]。

3.2 利用航片獲取項目區(qū)數(shù)字地形資料

在處理無人機數(shù)據(jù)前，要對航片數(shù)據(jù)進行篩選。對于一次飛行無法完成整個區(qū)域拍攝的情況，須將返回時拍攝的干擾航片進行剔除，同時還須剔除由于高空風(fēng)速較大導(dǎo)致的拍攝姿態(tài)差的航片。少量航片的剔除在航向重疊率以及旁向重疊率達到精度要求的情況下，不會影響處理數(shù)據(jù)結(jié)果的精度。

航片數(shù)據(jù)篩選完成后，通過Pix4Dmapper、Agisoft Photoscan等軟件對其進行處理，其中Agisoft Photoscan軟件對航片的處理可分步完成，也能一次性批量處理。先導(dǎo)入篩選后的航片，通過對齊照片，建立密集點云，生成網(wǎng)格和建設(shè)平面模型，從而得到項目區(qū)的正射遙感影像DOM、數(shù)字高程模型DEM、三維模型等結(jié)果。

為進一步提高數(shù)據(jù)處理精度，在處理航片時添加控制點信息。根據(jù)在現(xiàn)場控制點獲取信息的方法可將控制點分為人工標記和自然標記兩種情況，當在拍照時放置了軟件打印的人工標記時，系統(tǒng)可自動檢測并標記，之后對標記點的實測數(shù)據(jù)進行導(dǎo)入。若控制點為航片自然標記，則需要手動在每個照片中找到控制點，并使用Marker進行標記，通過Import導(dǎo)入控制點實測經(jīng)緯度、高程等數(shù)據(jù)。無人機航片獲取及處理流程如圖1所示。

圖1 無人機航片獲取及處理流程

3.3 項目區(qū)水土保持措施設(shè)計精細化

將項目區(qū)DEM數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS中，在3D Analyst 模塊下，利用Area and Volume 功能求出項目區(qū)的表面積和二維投影面積，兩個的比值為該區(qū)域的地表粗糙度。在具有明顯坡度區(qū)域進行水土保持措施設(shè)計時，項目區(qū)表面積能為措施工程量的精確設(shè)計提供依據(jù)，項目區(qū)二維投影面積能為項目區(qū)截排水措施設(shè)計中匯水面積的獲取提供數(shù)據(jù)支撐，從而計算出截排水措施的截面設(shè)計規(guī)格。為進一步計算線型措施在有明顯坡度區(qū)域的實際長度，可通過在ArcGIS中勾繪設(shè)計措施的矢量線，結(jié)合3D analyst工具，在Functional Surface中的Surface Length實現(xiàn)，使用Input Surface和Input Feature Class分別瀏覽到DEM數(shù)據(jù)和矢量的措施數(shù)據(jù)，通過查看屬性，其中“長度”為水平投影上的措施長度，而“NewLength”則為設(shè)計措施的實際長度。

4 討 論

隨著監(jiān)管力度的加強，水土保持設(shè)計單位和施工單位的責(zé)任進一步加大，對項目設(shè)計的精度提出了新的要求。隨著技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)充分挖掘已有資料，不斷通過技術(shù)創(chuàng)新和學(xué)科交叉提高生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持措施設(shè)計的效率和質(zhì)量，讓設(shè)計切實落到實處。

4.1 水土保持措施設(shè)計精細化需深度挖掘已有資料

對于前期已勘測的情況，可通過地形CAD文件對項目區(qū)DEM進行獲取。將CAD設(shè)計圖紙中的等高線進行連續(xù)化處理，導(dǎo)出為shpfile或是database文件格式，通過3D Analyst中的Create Tin From Features功能，在Height source中選擇Elevation字段，添加等高線高程等屬性創(chuàng)建Tin文件，利用Tin to Raster將Tin轉(zhuǎn)為Raster，將最終生成結(jié)果保存為DEM數(shù)據(jù)。等高線數(shù)字地形獲取流程如圖2所示。

圖2 等高線數(shù)字地形獲取流程

4.2 水土保持措施設(shè)計精細化需加強技術(shù)創(chuàng)新

水土保持措施設(shè)計精細化的基礎(chǔ)是設(shè)計資料的準確性和全面性，而高精度、便捷以及時效性強的測量方法源于技術(shù)的創(chuàng)新。當前遙感技術(shù)迅速發(fā)展，為水土保持措施設(shè)計精細化提供了技術(shù)支撐，但同時也存在著局限性，如衛(wèi)星遙感影像時間滯后、獲取渠道有限，無人機電池技術(shù)限制勘測范圍等，導(dǎo)致不能對復(fù)雜項目區(qū)進行全方位的勘測，急需技術(shù)創(chuàng)新，提高勘測效率、精度以及廣度。

現(xiàn)階段已有部分科研單位將地球物理探測技術(shù)運用到堆積體、滑坡以及棄渣場測量中，淺層地球物理探測技術(shù)具有安全、快速、經(jīng)濟和無損的特點，加之近年來地球物理探測方法在基礎(chǔ)理論研究、儀器設(shè)備和信號采集處理器方面取得了長足進步，為其在工程勘測和設(shè)計精細化領(lǐng)域應(yīng)用提供了可能[14-16]，可以作為后期研究的方向。

4.3 水土保持措施設(shè)計精細化需多維度獲取信息

水土保持措施設(shè)計的指標，是通過參考多項數(shù)據(jù)確定的。在獲取項目區(qū)地表信息的同時，需積極獲取氣象、水文等資料。水土保持措施設(shè)計的準確性不僅僅需要本行業(yè)的技術(shù)支撐，多維度的技術(shù)創(chuàng)新和數(shù)據(jù)指標質(zhì)量的同步提升也是必不可少的，學(xué)科交叉必然成為水土保持措施設(shè)計精細化的重要發(fā)展方向。

5 結(jié)論和展望

水土保持措施設(shè)計精細化涉及植物學(xué)、工程力學(xué)、生態(tài)學(xué)等多個學(xué)科領(lǐng)域，需要多維度提高工程設(shè)計資料的精度和完整性，學(xué)科交叉必不可少。通過學(xué)科交叉推動技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新，進而打破行業(yè)瓶頸，使資料維度全方位提升，可為水土保持措施設(shè)計精細化提供重要支撐。從水土保持措施設(shè)計角度來看，考慮到設(shè)計效率與實用性，應(yīng)遵從總體規(guī)劃和局部重點設(shè)計相結(jié)合的方法，為重點區(qū)域提供更為經(jīng)濟合理的措施設(shè)計。

本研究從水土保持措施設(shè)計精細化角度，結(jié)合無人機技術(shù)，對生產(chǎn)建設(shè)項目復(fù)雜地形擾動區(qū)域的投影面積和表面積獲取方法進行研究，進一步提高了水土保持措施設(shè)計精度，從而保障了工程的安全性、可行性和經(jīng)濟性，下一步應(yīng)就技術(shù)創(chuàng)新和跨學(xué)科應(yīng)用領(lǐng)域開展更深入的研究，為水土保持措施設(shè)計精細化提供多維度的技術(shù)支撐。