何東禮

（張掖市甘蘭水利水電建筑設計院，甘肅 張掖 734000）

目前，我國出臺了一系列水土保持相關律法，要求大型及中型生產建設項目均需開展水土保持生態(tài)建設監(jiān)測工作，以了解生產建設對水土流失所造成的影響。部分規(guī)模較大的點型或線型項目在建設時，需要引入遙感監(jiān)測方式、嚴格按照規(guī)定的監(jiān)測頻次及精度要求實施監(jiān)測。在水土保持生態(tài)建設遙感監(jiān)測工作開展中，還應采取事中監(jiān)測與事后監(jiān)管相結合的監(jiān)測方法，采用無人機、遙感設備等先進技術作為支持，確保水土保持生態(tài)建設監(jiān)測任務的高質效完成[1]。

1 項目概況

某抽水蓄能電站工程在建設時，設計裝機容量為1 280 MW，需要安裝容量均為320 MW的水泵水輪發(fā)電機4臺。此水利工程項目建設位置在亞熱帶季風氣候區(qū)內，氣候溫潤多雨，全年降雨量較大，年平均降水量約為2 180 mm，降雨時間主要集中在夏季時節(jié)。本項目建設區(qū)的地層主要為赤紅壤，建設區(qū)周邊栽種的是常綠闊葉林，大多數為次生闊葉林，具備較大的林草覆蓋面積，覆蓋率高達85%。為防止本項目建設導致大量水土流失，保障建設區(qū)域生態(tài)環(huán)境不遭到嚴重破壞，在本項目建設過程中，同步采用了無人機遙感技術監(jiān)測分析水土保持生態(tài)建設的實施成效。

2 水土保持生態(tài)建設監(jiān)測中無人機遙感技術的實踐應用

2.1 無人機運行參數設置

2.1.1 彈射式高空巡航無人機

以彈射式起飛的高空巡航無人機機體自重4.3 kg，機體上加載3 640萬像素的相機。飛行時速設置為65 km/h，飛行時間為50 min，共設置3個飛行高度，分別為300 m、600 m與900 m，不同飛行高度下地面采樣距離分別為4.2 cm、8.4 cm與12.6 cm。此無人機在拍攝地面影像前需要做好航線規(guī)劃設計，在地面上適合位置選取控制點，加載固定相機后應按照規(guī)劃好的航線飛行，以便采集到中心投影影像。

2.1.2 垂直式低空飛行無人機

此無人機機身較輕，總重僅有2.9 kg，飛行時速最高可達79 km/h，飛行總時長為18 min，機身搭載的是1 2 4 0萬像素的相機，其影像傳感器僅為2.3 i n（1in=2.54 cm），采用的是20 mm鏡頭，設置3個航高，分別為100 m、200 m、300 m，各航高下地面采樣距離依次為4.33 cm、8.65 cm與12.98 cm。此種無人機能夠結合監(jiān)測需求在航拍過程中隨時調整航線，可采用軟件對采集的正射影像、數字地理模型數據進行后期處理。

2.2 水土保持數據處理

本項目在獲取到正射影像圖之后，利用arcGIS10.2軟件進行相應數據處理，由于無人機航拍采用的是高分辨率相機，獲取到的影像清晰度較高。

2.2.1 擾動面積數據提取

首先利用直接判讀法提取擾動面積數值，結合解譯出的數據繪制出項目區(qū)受到擾動的土地分布圖，并以防治責任范圍專題圖為依據進行對比分析，將這兩個圖做矢量疊加處理，再比對項目區(qū)人為擾動面積及防治責任范圍，進而利用綜合分析法確定擾動面積是否超限[2]。

2.2.2 水土流失情況分析

一是土壤流失面積大小，主要是由人工采取目視解譯方法提取利用無人機拍攝影像相關數據。二是土壤受侵蝕強度，通過目視解譯方法提取土地利用數據，并利用VDVI指標計算得出植被覆蓋率，采用高程模型構建的方式獲取坡度信息，在這些數據基礎上，根據最新土壤侵蝕分類分級標準計算出土壤侵蝕強度。三是水土流失所產生的危害程度，由地面監(jiān)測點驗證分析土壤侵蝕強度結果，了解本項目區(qū)內不同侵蝕強度土壤的分布狀況，進而明確水土流失所產生的危害。

2.2.3 水土保持措施解譯

在水土保持生態(tài)建設監(jiān)測過程中，要判斷水土保持措施應用的科學性，因而需要對水土保持措施應用相關數據進行解譯處理[3]。本工程采取的水土保持措施共有三種，主要是擋墻砌筑、排水溝等工程措施，在此基礎上還采取了撒播草籽、栽種樹木等植物措施，并在部分區(qū)域應用了無紡布覆蓋等臨時措施。數據處理人員可采用人工目視解譯方法對工程現場的水土保持措施資料進行解譯處理，以便得出水土保持措施應用效果分析結論。

2.2.4 棄土場解譯

在對棄土場數據進行處理時，同樣需要提取土地擾動面積、水土保持措施應用相關數據。這兩項數據可采用人工目視方法解譯得出，同時還需要獲取土方量及棄土方量的具體數值。此數據的獲取主要利用arcGIS10.2軟件完成，需要以高分辨率無人機飛行時拍攝到兩組數字地理模型數據為依據，通過差值計算得出具體的土方量數據。

2.2.5 水土保持設計變更判讀

設計變更情況的分析要以主體工程位置、取土場位置、工程數量三個主要數據的提取與分析作為判定基準[4]。分析過程中需要采取地理配準方法，從無人機航拍獲取到的影像中提取這三個數據，而后與本項目的水土保持防治分區(qū)圖進行對比，并結合水土保持防治責任范圍圖及項目工程施工布置圖等相關資料，判讀出本項目的設計變更情況。

3 基于無人機遙感技術的水土保持生態(tài)建設監(jiān)測結果分析

3.1 水土保持生態(tài)建設監(jiān)測結果

3.1.1 擾動土地面積監(jiān)測結果通過人工目視解譯的擾動土地面積數據結果發(fā)現，本工程施工建設時產生了一定的土地擾動現象，但影響范圍不大，所產生的土地擾動面積共計116 hm2。通過將擾動面積圖與水土保持防治責任范圍圖做矢量疊加處理后發(fā)現，本項目的土地擾動面積未超出防治責任范圍，說明土地擾動并未對生態(tài)建設帶來較大影響。

3.1.2 水土流失監(jiān)測結果

通過目視解譯、綜合判別方法，結合相關數據分析得出，本項目的土壤侵蝕以水力侵蝕為主，大多數區(qū)域為微度侵蝕，水土保持措施布置較為完整，取得了良好的防治成效。其中，項目區(qū)上庫公路兩邊由于實施的混凝土噴射護坡保護措施，并栽種了相應的綠化植物，起到了一定的水土保持防護效果，因而侵蝕強度較輕微。棄渣場實施了土地平整處理，同時也栽種了植物，由于水土保持防護措施落實度良好，屬于輕度侵蝕區(qū)。而上庫采石場因已棄用而未實施水土保持防護措施，因而水土流失較為嚴重，屬于土壤強度侵蝕較為劇烈的區(qū)域。

3.1.3 水土保持措施監(jiān)測結果

本項目上庫區(qū)域綜合應用了多種水土保持措施，根據無人機影像圖顯示，植被生產狀況較佳，植被區(qū)形狀規(guī)則，并且具備相對清晰的紋理，可利用目視解譯無人機影像統(tǒng)計出各個區(qū)域的水土保持措施實施數據。本項目區(qū)的水土保持措施以漿砌石護坡為主，護坡面積為3 298 m2。且道路兩側各挖掘了一條長度為141.5 m的排水溝。道路左側設置了92 m的截水溝，其他區(qū)域采取撒播草籽的方式實施了綠化處理，并在其上臨時加蓋了無紡布，臨時措施保護面積為198.5 m2左右。

3.1.4 棄土場監(jiān)測結果

根據無人機正射影像圖，結合項目施工平面圖，完成了本項棄土場的監(jiān)測數據。通過分析本項目區(qū)副壩四壩后棄渣場遙感監(jiān)測圖發(fā)現，該渣場的棄渣工作已完成，并且渣場實施了水土保持防護措施，整個渣場共計占用土地3.93 hm2，在棄渣之后已由施工人員做好了土地平整處理，并在棄渣場周邊栽種了大量植物，起到了一定的水土保持效果。通過數據解譯得出，該渣場處坡腳處采取了多項水土保持工程措施，修建了長13 m、高50 cm的擋墻，并建有長度為2 m的方形沉砂池，除此之外，還在渣場外圍修建了排水溝，溝寬為60 cm，這些措施均為本項目水土流失起到了一定的防控成效。

3.1.5 水土保持設計變更監(jiān)測結果

本項目在項目區(qū)內選取了多個控制點，主要為道路、建筑物以及水域等，將高分辨率無人機影像圖與項目施工布置圖進行對比，根據對這些典型區(qū)域的變化情況分析明確了項目實際建設內容，了解了各項目建設地點，并結合對比結果得出項目設計變更情況的分析結論。通過無人機影像圖發(fā)現，監(jiān)測圖像中下部出現了一片灰色區(qū)域，通過矢量疊加分析發(fā)現原施工布置圖中無此區(qū)域，此處屬于項目施工建設時臨時增設的棄土場，說明本項目中有設計變更現象。因此，監(jiān)測單位將此結果提交給建設單位，并建議其及時制作棄渣場變更設計，并上交給相關部門留檔備案。

3.2 水土保持生態(tài)建設監(jiān)測中無人機應用效果分析

3.2.1 無人機監(jiān)測適用性情況

本項目應用無人機遙感技術完成了水土保持生態(tài)建設情況監(jiān)測實踐，經過對實踐結果分析得知，此技術能夠高質量、高效率完成土地擾動面積監(jiān)測、取土場監(jiān)測、水土保持措施應用情況監(jiān)測等多項監(jiān)測任務。同時，在項目區(qū)工程資料應用的基礎上，還可實施水土保持工程設計監(jiān)測、水土流失防治指標落實情況監(jiān)測工作，并取得了良好的應用成效。由于無人機體積小、飛行靈活，搭載的攝像機分辨率較高，能夠精準獲取生產建設項目的水土保持相關數據，因而在水土保持生態(tài)建設監(jiān)測方面具有較高的適用性。

3.2.2 無人機遙感監(jiān)測弊端

雖然無人機遙感技術具備良好的監(jiān)測功能，然而實踐應用中也可能會出現一定的數據誤差。主要是因為本項目建設區(qū)的地形條件相對復雜，無人機搭載相機所拍攝的地面模型數據屬于表面高程數據，植被高度、地形條件均會影響到數據精度，因而通過監(jiān)測高程動態(tài)分析土石方變化情況時可能產生誤差，以坡度為依據計算土地侵蝕強度時所得結論也可能不夠精準。由于本項目屬于點狀工程，無人機遙感監(jiān)測效果良好，但對于具備更長監(jiān)測線路的線型工程而言，應用無人機遙感技術時可能存在工作量過大的情況[5]。

3.2.3 無人機遙感監(jiān)測結果精度

在水土保持生態(tài)建設項目中，無人機遙感技術的應用具備監(jiān)測精度高、監(jiān)測效率快、監(jiān)測自動化程度高三方面優(yōu)勢。在項目建設過程中，對土地挖掘頻次大、工程建設地形相對復雜的項目而言，應用無人機遙感技術能夠同時提升監(jiān)測的精度與安全性。線型工程也可采取無人機遙感技術定期監(jiān)測棄渣場以及易出現水土流失問題的關鍵區(qū)域。相較于普通監(jiān)測方式而言，此技術能夠獲取到更加全面、客觀與精準的監(jiān)測數據，所得出監(jiān)測結果的精度也更高。

3.2.4 兩種無人機應用情況

通過對本項目所應用的兩種類型的無人機方面分析可知，相較于垂直起飛的低空飛行無人機而言，采用彈射式起飛模式的高低巡航無人機巡航面積更大，并且所獲取的數據精準度更高，然而此種無人機起落時對于場地條件的要求較高。在本項目中，由于地形條件相對復雜，彈射式起飛的無人機應用并不方便，而垂直起飛的低空飛行無人機因對場地要求不高而更易操作，能夠便捷完成水土保持生態(tài)建設監(jiān)測任務。因此，針對地形復雜的點狀工程，垂直起飛模式的無人機具備更高應用優(yōu)勢。

4 結束語

由于無人機遙感技術具備監(jiān)測范圍廣、操作便利、數據影像清晰度高等優(yōu)勢，成為水土保持生態(tài)建設監(jiān)測中的重要手段，可與衛(wèi)星遙感技術形成互補，提升監(jiān)測結果的準確度。結合項目工程中無人機遙感技術的應用實踐發(fā)現，此技術能夠實現水土保持生態(tài)建設相關信息的快捷化、高精度、自動化獲取?！?/p>