小型无人机在水土保持督查中的应用探索

刘景发,常温花 ,乔雨宁,党小尼 ,郭 嘉

(1.黄河水利委员会 水土保持局， 河南 郑州 450003； 2.黄河水利科学研究院，河南 郑州 450003； 3.黄河水土保持西峰治理监督局， 甘肃 庆阳 745000)

小型无人机在水土保持督查中的应用探索

刘景发1,常温花2,乔雨宁3,党小尼3,郭 嘉3

(1.黄河水利委员会 水土保持局， 河南 郑州 450003； 2.黄河水利科学研究院，河南 郑州 450003； 3.黄河水土保持西峰治理监督局， 甘肃 庆阳 745000)

小型无人机；水土保持督查；应用

依据水利部关于国家重点建设项目水土保持督查的有关要求，为适应政府职能转变和强化细化行业管理，黄河水利委员会水土保持局甘肃省督查组，首次在黄土高塬沟壑区对小型无人机在水土保持督查中的应用进行了探索。提出了无人机督查的技术要点，并针对无人机督查中发现的问题提出了解决的办法，以期为今后的水土保持督查工作提供新技术、新方法。

1 督查区基本情况

(1)地理位置。督查区为甘肃省黄土高塬沟壑区，位于甘肃省东部，西近六盘山，东靠子午岭，北部与环县、华池、庆阳、固原一线的丘二区接壤，西南邻近达溪河同丘三区连接，东南与陕西省长武县(属黄土高塬沟壑区)相连。介于东经106°40′～108°25′、北纬34°37′～35°52′之间，总土地面积15 149 km2，包括庆阳市的庆城、西峰、合水、宁县、正宁、镇原和平凉市的泾川、平凉、崇信、灵台等10个县(市)的111个乡。

(2)地貌。督查区地貌是在古基岩地形基础上，通过黄土沉积和泾河水系的长期切割侵蚀而形成，地貌景观呈塬、坡、沟、川、峁等形态，区内较大的黄土塬约有20个，其中15～30 km2的有店子塬、新集塬、木林塬3条，30～50 km2的有春荣塬、永和塬、草峰塬3条，50～100 km2的有临泾塬、屯子塬、西华池塬、索罗塬、荔堡塬、柏树-中原塬6条，100～200 km2的有平泉塬、盘克塬、早胜塬、宫和塬、党原-玉都-丰台塬、高平塬、什字塬7条，200 km2以上的有董志塬1条。本区塬面面积2 681.42 km2，占本区总面积的17.7%。

黄土塬面地势平坦开阔，坡度1°～5°，由岭、坳、胡同等组成，塬边地形破碎，侵蚀较强的坳沟以叶脉状伸入塬心，有些地方两条侵蚀沟几乎连通，仅留几米或十几米的岘子。黄土沟壑地貌复杂，可分为古代侵蚀谷坡和现代侵蚀沟两类。甘肃省高塬沟壑区0～5°土地面积占总面积的36.4%、5°～15°占20.5%、15°～25°占14.4%、25°～35°占13.7%、大于35°占15.0%。

(3)植被。甘肃省高塬沟壑区植被属暖温性森林草原带，基本上无天然森林植被，仅有的天然草被主要分布在沟坡和山坡上，大多不连片。阴坡生长的优势种有大针茅、铁杆蒿、本氏针茅、茵陈蒿、沙草等，伴生种有达乌里胡枝子、紫菀、多裂委陵菜等，一般草高12～18 cm，覆盖度60%～100%；阳坡地势相对平缓，大部分已被开垦为梯田，草地面积很小，生长的优势种有白羊草、本氏针茅、麻蒿、茵陈蒿、短花针茅、隐子草等，伴生种有委陵菜、阿尔泰紫菀等，草高15～40 cm，覆盖度30%～90%。人工草主要为紫花苜蓿，人工乔灌以刺槐、山杏、白榆、柠条、沙棘、紫穗槐等为主。“四旁”绿化树种有杨树、柳树、楸树、泡桐、椿树、国槐、枣树、核桃、苹果、梨、李子等。

(4)措施类型。黄土高塬沟壑区水土保持措施类型，塬面有条田、果园、沟头防护、涝池、水窖；坡面有梯田、造林、种草、封禁；沟道有谷坊、沟底防冲林、淤地坝。

2 督查要求

按照《水利部水土保持司关于开展国家水土保持重点工程督查工作的通知》〔水保生态(2017)7号〕中关于督查方式的要求，进行项目县现场督查、抽查，督查组随机抽查项目县、小流域、具体措施，每类工程抽查1～2个项目县，每个项目县至少抽查一条小流域，每项措施随机抽查一定比例图斑。以国家水土保持重点工程项目管理信息系统为基础，积极应用移动检查验收终端、遥感技术及无人机航拍等手段，对措施图斑进行现场复核。

3 无人机在督查中的应用及探索

3.1 前期准备工作

《民用无人驾驶航空器系统驾驶员管理暂行规定》规定，小于等于7 kg的微型无人机，无人机操作员或无人机观测员与无人机保持直接目视视觉接触的操作方式，航空器处于驾驶员或观测员目视视距内半径500 m，相对高度低于120 m的区域内飞行。由于目前我国法律没有明确规定无人机飞行高度，所以本次督查暂时在大疆公司统一规定的200 m航管限制高度内飞行。

(1)所需设备及人员。配置齐全的小型无人机1台，能熟练掌握飞行技巧的操作员1名、观察员1名。

(2)所需飞行及处理软件。大疆手机App DJI GO、自动飞行软件Altizure、无人机数据处理软件Pix4dmapper。

3.2 航拍及数据处理工作

(1)航拍。①使用自动飞行软件的无人机必须先用DJI GO连接无人机并校准指南针，刷新返航点，设置返航高度并调整飞行模式至F挡。由于自动飞行软件Altizure与DJI GO后台冲突，所以打开Altizure前推荐关闭DJI GO。②打开Altizure，确认无人机是否连接正常，返航点是否刷新，返航点与定位点是否一致，在Altizure的地图内找到所需核实图斑的区域(推荐使用Google地图)新建飞行路线并覆盖该区域，利用对航向、旁向重叠率及飞行高度的设置调整所需飞行时间及成图精度。锁定飞行任务点击就绪，等待系统自检并完成上传任务后点击开始，执行飞行任务。当一块电池不足以完成飞行任务时，可更换多块电池，每次更换电池后可继续执行未完成的任务。③当任务完成后，选择返航，自动飞行至返航点并降低到可目视的高度后，点击停止返航，根据观察员指示进行手动微调使无人机降落至安全着陆点。

(2)数据处理。①将航拍资料导入Pix4dmapper并制作成专业、精确的三维模型。②根据现状图在三维模型中勾出图斑范围并计算与实施方案中图斑面积的相对误差。③在图斑内勾出实施措施的范围，利用相对误差进行校核[1-2]，与竣工测算面积对比，检验实际措施面积与核算面积是否吻合。

4 结果与建议

4.1 无人机督查结果

(1)正宁县。现场检查的位置离抽查图斑过远，飞行途中浪费大量无人机电量、时间，因此只测绘出抽查图斑部分面积。

(2)宁县。未关闭中国内地坐标纠偏功能，导致飞行路线偏差，测绘的范围未涵盖整个抽查图斑，对缺少部分进行人工纠正后，测算出的面积与实施方案基本相符。

(3)镇原县。生成了完整的图斑3D模型，测算出的措施实施面积与规划面积相差较大，建设单位提供的相关设计变更文件显示，实施图斑因有居民点，无法按规划造林，缺少的造林面积已在其他图斑中补植。

(4)庄浪县。由于现场检查地点的地势过低，且抽查的图斑内存在村庄，信号受到严重干扰，导致无人机失联，无法返航。

4.2 建 议

(1)应选择措施布设集中的图斑进行抽查以缩短飞行时间，提高数据处理效率。

(2)推荐关闭中国内地坐标纠偏，防止返航点及定位点错位，产生飞行路线偏差。

(3)尽量选择开阔平坦及地势较高处作为起飞点，飞行时应避开村庄等信号干扰严重地区，防止无人机失联。万一失联，起飞点的通视条件好也便于进行人工搜寻，减少损失。

5 结 语

小型无人机具有价格低廉、体积较小、便于携带、起飞降落条件要求相对较低、飞行高度符合管制要求、无需办理飞行手续等优点，适合在水土保持督查工作中进行野外措施监测。由于其配套的软件和操作设备大部分可以在手机或ipad上完成，监测的数据在短时间内可以出结果，效率高，生成的3D图像形象直观、便于判读，故小型无人机满足快速督查的时间与精度要求，值得推广。

[1] 蒲朝勇.推动水土保持监测与信息化工作的思路与要求[J].中国水土保持，2017(5):3-4.

[2] 舒婷,李卫正,张青萍,等.基于小型无人机的三维实景公园数字建模——以南京羊山森林公园为例[J].建筑与文化，2016(3):120-121.

S157

C

1000-0941(2017)12-0061-02

刘景发(1963—)，男，陕西合阳县人，高级工程师，主要从事水土保持管理工作。

2017-07-08

(责任编辑 张培虎)