空天地一体化水土保持监测初探

蔡志洲 袁普金 王森

摘要：北京新机场工程复杂，施工点多面广、土石方量大，而水土保持专业人员较少、资金有限，水土流失防治任务艰巨。为控制和减少施工造成的水土流失，“空天地一体化水土保持监测”的新技术被付诸实践，将现场地面监测、小微型无人机数字化地形建模、卫星大尺度遥感影像的各自优势结合在一起，获取整体高清的工程进度图，发现和督促解决问题，从而为水土保持监测提供了比常规地面监测更为精确和事半功倍的技术途径。

关键词：水土保持监测；遥感；空天地一体化；无人机；北京新机场

中图分类号：S157.2

文献标志码：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.04.022

生产建设项目的传统水土保持监测多落脚在局部，以“点”带“面”。但掌握“面”的情况一般需要靠图纸（资料）和巡视，与实际差别较大：又由于“点”上的数据量少、资料的数字化程度低，大数据应用基础薄弱，因此制约着水保监测工作的发展。

民用无人机技术自2010年开始尝试，2013年后有关研究逐步走向生产实践。前期受制于无人机庞大、飞控自动化程度低，后期因处理软件功能较弱，一般用于拍摄图像、视频。2015年后，以上技术瓶颈陆续被打破，民用无人机在水保、环保等各行业的应用取得了跨越式发展，无人机和卫星遥感新技术扩展了工作手段，使对工程整体进行全面的水土保持监测成为可能。近年来，水土保持工作开始了空天地一体化监测的全新实践，即采用地面监测、低空无人机监测和天空卫星遥感监测的综合模式。北京新机场工程复杂，施工点多面广、土石方量大，而水土保持专业人员较少、资金有限，水土流失防治任务艰巨。在北京新机场水土保持监测中，空天地一体化立体监测技术得到了进一步验证，取得了很好的效果。

1 “空”“天”“地”水土保持监测的概念、内容和方法

（1）“地”即地面监测，是获得基础数据的必要手段。通过测钎法、径流小区法、简易坡面量测法、沉沙池法等常规监测技术对坡面、堆土场、基坑等施工作业面进行监测，获得重点部位水土流失量、土壤侵蚀模数等数据，针对性强、数据准确。

（2）“天”即卫星遥感监测，是获取工程整体高清影像、全面了解工程扰动和水土流失情况的有效、便捷手段。2016年12月，我国自主研制的0.5m分辨率高清商业遥感卫星“高景l号”成功发射，使水土保持卫星遥感监测成为可能。可通过采购我国和国外卫星遥感资料，获取工程开工后各阶段的历史影像，全面掌握工程施工各阶段扰动情况，频次以2～3个月/次为宜。

（3）“空”即低空无人机监测，是借助无人机和摄影测量技术，创建地面三维的精确数字化模型，通过GIS软件分析、人工识别和现场复核，获取工程区和直接影响区面积、取弃土工程量等各项地理信息。

“空”“天”“地”技术各有优势与不足，需要取长补短，综合利用。地面监测对象是点状局部，针对性强、数据准确，但难以在工程全域开展。卫星遥感图像整体尺度大而全面，历史资料完整，可以弥补某些工程没有地形地貌等基础数据的不足，但卫星遥感反映的主要是平面影像，立面的精度较差，时间上往往滞后，图像质量受云层、雾霾等影响很大，对于长距离的线性工程需要多幅图像拼接而导致成本较高，因此卫星遥感主要作为历史资料进行管理。无人机测量作业时间、地点机动，数据现实性好、精度高（平面、立面分別可以达到3cm和10cm的精度），可以达到一般土石方测量的要求，但不能进行更细致的表面侵蚀量、水中悬浮浓度等测量，也不能进行测绘级别的工作（以免地理信息泄密）。

2 空天地一体化水土保持监测实践

2.1 无人机监测机型和飞行参数

在北京新机场的水土保持监测工作中，使用固定翼无人机eBee1台、多旋翼无人机DJI悟1台。无人机设置的航片分辨率为3.4～10.0Cm，对应飞行高度为120～500m。根据机型和分辨率的不同，每航次飞行时间为30～40min，覆盖面积为5～100}lffl2。对大面积工程区宜分区、分次飞行，拼合覆盖。图1、图2分别为无人机eBee的航线规划和飞行参数，包括一次作业面积64.9hm2、飞行时间30'4''、平面分辨率3.4cm、飞行高度120m等。

2.2 无人机监测数据和数字化图件

利用无人机拍摄工程区矢量格式的航片，可以获取项目区正射影像图、全数字三维地形图（见图3）以及DEM、DOM等图件，这些信息都是数字化成果，包含了地形、地物、长度、面积、体积等各项地理信息。对其中的地理信息进行分类统计，便可获得水土保持监理监测相应的数据。

2.3 卫星遥感监测数据和数字化影像

根据北京新机场项目区域边界的经纬度，取得项目区0.7m分辨率的卫星影像（见图4），通过对其解译，获得用于放大判读和标注工程区的水土保持信息，以空间视角代替地面巡查。

2.4 地面监测数据的获取

北京新机场水土保持地面监测采用固定监测和临时监测相结合的方法，具体包括测钎法、径流小区法、简易坡面量测法等。根据飞行区、航站区和工作区的区域功能特点、工程施工进度，制定监测点位布局及监测方案。

施工期，飞行区布设固定监测点7处，其中：4处采用径流小区法，3处采用测钎法。航站区布设固定监测点4处，其中：2处采用测钎法，2处采用简易坡面量测法。工作区布设固定监测点5处，其中：3处采用测钎法，2处采用简易坡面量测法。场外原天堂河布设6处水样监测点，用于新机场水土流失对周边水系污染物贡献率的监测。除此之外，场内还布设了沉降缸风蚀监测点6处，其中：3处位于西侧常年上风向，3处位于东侧常年下风向，用于新机场风蚀监测。

在飞行区、航站区和工作区布设水蚀监测点，可以实现对新机场临时堆土的土壤侵蚀状况进行监测，对比水土保持措施实施前、后的土壤流失情况。在新机场东西跑道间原南各庄村自然河道和老天堂河交汇口布设水样监测点，交汇口下游每隔50m布设1处水样监测点，共布设6处水样监测点，当大于10mm降雨量（可蚀性降雨最小雨量）的降雨发生时，依次取各监测点水样，然后烘干称重，获取各监测点水样泥沙含量，计算就近集水单元水土流失对天堂河水体污染物的贡献值，同时通过纵向监测点数据，判断泥沙输移距离和污染物的影响范围。

利用地面观测和无人机监测数据，可以绘制项目区汇水单元图，对水土流失来源进行追踪，对发生水土流失部位进行精准定位，进而提出针对该部位水土流失的防治对策，减小新机场建设过程中对下游及周边水系、环境造成的影响，实现北京新机场水土保持的精准监测。

2.5 监测内容的数字化成果分析

（1）对表土保护措施监测。根据卫片历史影像，机场建设区农田表土资源丰富。相关法规和水土保持方案均要求表土剥离、暂存、后期绿化利用。利用空天地一体化监测技术成果，监控农田表土的去向，对长期堆存的表土标记位置、计算方量，复核覆盖及绿化措施。

（2）对全区弃土场、预制场、开挖面等施工作业区监测。通过数字化航片和三维地形模型判读所属施工标段及监理标段，确定工程中心点经纬度、占地面积及土地类型，对各类用地进行识别和计量，如平整裸露而无施工安排的场地位置、面积、类型等（见图5）。

（3）对水土保持措施落实情况监测。如在弃土场启用时，首先落实排水、拦挡措施，确保使用过程中集中堆置，不得随意倾倒。建筑基础、人工湿地等工程完成后，及时检查场地平整、复耕或绿化等措施实施效果。

夏秋雨季水土保持重点监测。利用地理信息进行项目区排水分析，评价临时排水措施的必要性和重要性，必要时协调补充设计并督促实施。

冬春风沙季节和大气环境重污染日期对扬尘重点监测。大面积裸露地表扬尘会加重大气雾霾。对于短期裸露地表，应督促施工单位采取覆盖措施：对于较长时间裸露地表，应督促施工单位采取快速、低成本绿化措施及时防护：对于已基本完成施工的场地，应督促施工单位及时按水土保持方案采取相应防护措施。

在航片上重点关注项目区天堂河改道施工情况，图6阴影部分为河床施工范围，无人机定期监测施工面积变化、是否影响周边环境，并监测底泥、弃渣去向。

（4）对临时堆土监测。识别和标记临时堆土场的位置（见图7），利用GIS软件计算工程量，复核覆盖、绿化措施，进一步获取土方处置计划，并针对下步施工计划进行监控。

表1为利用无人机定量观测的临时堆土场8项典型指标。若以地面为基准，挖方是指高于地平面的土方，即堆高的土石方；填方是指低于地面的土方，即少量低洼需要填到与地面齐平的土石方。

3 結论与建议

3.1 结论

（1）空天地一体化水土保持监测，通过获得低“空”无人机遥感数据、高“天”卫星遥感数据以及“地”面监理监测数据，利用空、天获得的整体资料与地面监测的代表性局部数据互相补充、对照、印证，可获得更全面的水土保持监测数据，从而将原来几乎是定性和局部表述的监测工作，提高到定量的、全面的高度。

（2）在获得比传统方法更多数字化信息的基础上，利用GIS软件，统计、汇总和分析任意关注区域的工程量，可针对性地进行重点工区（点）现场核查，分析其工程内容、工程进度以及水土流失影响与水土保持措施。无人机辅助建立工程全区的数字化用地台账，可为水土保持现场管理提供翔实的技术资料，结合工程监理，加强对水土保持工程质量、进度和费用的控制。

（3）公路、铁路、河流型水库等线型建设项目点多线长，常规地面监测难以承受巨大工作量，且其结果不够全面。采用空天地一体化监测技术，可以大大提高工作效率，并在长时间的施工期留下可定量测量的数字化结果，大大提高水土保持监测水平。

（4）依靠空天地一体化的水土保持监测技术，可以对水保工程措施做到更全面和精准的监测，从而更好地控制工程质量、进度和成本。

3.2 建议

（1）建立数据库，延伸数据价值。通过定期、全面的空天地一体化监测，比较不同时期的航片、GIS数据，掌握地表周期变化、表土利用、土石方动向、地表裸露等情况，结合日常不定期的无人机局部巡查，动态掌握工程进度及水土流失影响的范围等，在此基础上建立水土保持监理监测大数据库，积累施工期历史全过程资料，为水土流失责任倒查、回顾评价以及水保工程竣工验收打下坚实的技术基础。

（2）在空天地大数据的基础上，结合互联网+，进一步开发移动APP等管理平台，使各级管理人员按权限随时掌握水土保持工程进展，沟通联络，发布有关信息、检查落实情况。