无人机遥感在生产建设项目水土保持监测数据获取中的应用

张琳琳 张艳 张文谦 吴林川 高飞

摘要：指出了生产建设项目的监测是水土保持监测工作的重要内容，可以及时全面且准确地反映工程的水土保持措施建设情况，水土流失防治效果。为了快速、准确、有效地估算生产建设项目扰动及水土保持措施实施情况，掌握其变化规律，以北京市昌平区的两个处于施工期的项目为例，通过无人机遥感生成的数字正射影像和三维模型进行水土保持监测数据获取，获得了地块A、地块B和临时堆土区的扰动土地面积、水土保持措施实施数量及堆土量，证明了无人机在生产建设项目水土保持监测中应用的可行性和便利性。

关键词：生产建设项目;水土保持监测;无人机

中图分类号：Q948. 18

文献标识码：A

文章编号：1674-9944（ 2019） 24-0023-06

1 引言

随着国家经济的飞速发展，生产建设项目日益增多，由此产生的水土流失问题日益严重[1]。水土保持监测是生产建设项目中必不可少的环节，也是水土保持工作的基础。如何快速准确的进行水土保持监测，得到有效的数据是现阶段水土保持监测需要解决的关键性问题之一。无人机遥感技术在自2011年来取得了飞速发展，其具备精度高.时效性强、机动灵活等特点心[2]，在各个行业中的应用中取得了一定的效果。将无人机遥感技术应用于水土保持监测具有实践意义和价值[3]。

以北京市昌平区两处生产建设项目作为研究对象，使用无人机拍摄两个地块和一处堆土区，针对堆土区使用了垂直摄影的摄影方法。通过软件处理影像获得正射影像和三维模型[4]，对影像处理获得监测相关数据，验证了无人机在生产建设项目水土保持监测中应用的可行性和便利性。

2 研究区概况及实验方法

2.1 研究区概况

所选建设项目位于北京市昌平区，地貌类型属城市平原区，土壤类型主要为褐土气候类型为暖温带大陆性半湿润季风气候，冬季寒冷干燥，夏季高温多雨。多年平均降雨量550 mm，集中在6～8月份。年平均气温为11.8℃，受地貌影响气温差异较大，年平均日照时长2685 h。

所选建设项目为相邻南北两个地块（下文用地块A、地块B代替）。依据项目的水土保持方案，地块A和地块B项目地性质均为F1住宅混合公建用地。建设内容均为住宅、公建及配套商业用房。地块A总占地9. 51 hm2，地块B总占地8. 65 hm2，临时堆土区位于B地块东侧，占地面积1. 25 hm2。

项目于2018年4月初开工，计划于2020年10月末完工，工期总计31个月。施工时序总体按照基坑开挖一基坑回填一主体建筑一地形塑造一管线、灌溉工程一道路工程一种植土回覆一绿化景观工程的顺序进行。按照项目的施工安排进度表和实地勘察，研究进行时地块A正处于主体建筑施工期，地块B处于基坑开挖期。

2.2 无人机影像获取

本研究所采用的无人机是大疆Phantom 4，飞机及相机参数见表1。航拍参数设置见表2，航线设置见图1～3，飞行日期2019年3月2日，气温15℃，多云，风力小于三级，适合无人机作业。

2.3 无人机影像数据处理

本次实验选择了Agisoftmetashape Professional和ContextCapture Center Master作为影像处理软件。使用Agisoftmetashape Professional制作两个地块和堆土区的的正射影像，三维模型使用ContextCapture CenterMaster制作。

3 结果与分析

3.1 扰动土地面积分析

3.1.1 扰动面积测定

对正射影像进行识别，识别结果地块A的扰动面积（图中黄线范围内部分）为10. 69 hm2，采用手持GPS实测地块A面积为10. 69 hmz，识图面积同实测面积相同（图4）。

根据项目水土保持方案，地块A的水土流失防治责任范围面积为9. 57 hm2，扰动土地面积超出防治责任范围1. 12 hm2，由图A对比水土保持方案设计防治责任范围，可直观发现项目区北侧、东侧及南侧施工临建发生新增扰动（图5）。

对正射影像进行测量，识别结果地块B的扰动面积为8. 42 hm2，采用手持GPS实测面积为8.42 hm2，识图面积同实测面积相同。

地块B的水土流失防治责任范围面积为8. 71hm2，地块B正处于基坑开挖期，先前设计表土堆土区并未开始实施使用。扰动土地范围并未超出设计防治责任范围（图6、图7）。

对正射影像进行测量，识别堆土区的扰动面积为1. 25 hm 2，采用手持GPS实测堆土区面积为1.25 hm2（图8）。

项目区外侧的堆土区在水土保持方案中并未设计，均为新增占地。

3.1.2 精準性验证及合法性分析

由表3可见，图中提取面积与手持GPS实测面积一致，在单位为公顷的条件下精度可以达到100%，监测过程中地块A实际发生扰动面积为10.69 hm2，超出了设计的防治责任范围1. 12 hm2;地块B实际扰动范围为8. 42 hm2，在防治责任范围之内;临时堆土区在水土保持方案中并未设计，属于新增临时用地。需在水土保持监测材料中说明，并向水行政主管部门报备。

3.2 水土保持措施实施情况分析

3.2.1 设立遥感的解释标志

在建立遥感影像解释标志时，主要根据地物的颜色、形状、位置、纹理等。并经过实调查分析，确认各地物的解释标志见表4。

3.2.2 水土保持措施提取

地块A目前处于主体建筑施工期，通过正射影像，可以识别出现状实施的水土保持措施有：基坑内的临时苫盖及临时硬化，施工临时建筑区的地面临时硬化、临时排水沟、施工车辆清洗池以及配套沉淀池，项目区地块外侧的临时拦挡。经过对正射影像的勾画测量，临时苫盖措施面积为27414. 67 m2，覆盖基坑内大部分裸露地表。基坑内临时硬化面积为3478. 53 m2，施工临时建筑区地表全部使用硬化处理，面积为15910. 62 m2，基坑内部及施工临时建区设置了临时排水沟，长度分别为1128.26 m、280.92 m。地块设置了4处施工车辆清洗槽及沉沙池，分别位于地块北部、南部以及东部上下两个出口处。同时地块四周设置有拦挡，长度为1431. 34 m（图9）。

地块B已实施的水土保持措施有：临时苫盖，临时排水沟及沉沙池。正射影像的勾画测量后得出，临时苫盖面积64539. 47 m2，临时排水沟长度943. 42 m，在地块北部出口设置了一个施工车辆清洗槽，地块周围设置有拦挡，总长度1323. 51 m（图10）。

堆土区主要采取的水土保持措施同样为临时苫盖，面积为9360. 63 m2，同时在堆土区四周设置有排水沟，长度372. 95 m。在堆土区外围设置一圈临时拦挡，长度为513. 17 m（图11、表5）。

3.2.3 水土保持措施提取准确性验证

同时也进行了现场实地调查测量，选取水土保持措施进行测量，与正射影像提取值对比精度见表6。各项水土保持措施满足监测规程规定的95%以上准确率[6]。

3.3 临时堆土区土方量的测定

地块B东侧马路对面新增临时堆土区，根据正射影像图测算其占地面积为1. 25 hm2，堆土区四周有拦挡，拦挡长度为513.17 m。

本研究采用垂直摄影制作堆土区的三维模型。通过Acute3D Viewer测量堆土区域的土方量。垂直摄影生成的三维模型堆土量经测量为44423. 88 m3.土方堆高为4～6 m。根据施工单位所提供数据，堆土区在当天的堆土方量为4. 35万m3（图12、表7）。

由于堆土区土方形状不规则，无法通过传统手段实测土方量，因此以施工单位所给的土方数据为准。经计算，由垂直摄影生成的三维模型土方量值与实际值相差2676. 12 m3，准确性为94.32%。土方量准确性满足大于90%[6]的要求。因此在实际水土保持监测中，垂直摄影用于计算堆土区土方量，是完全可行的。

4 讨论

通过目视判别、勾绘测量等方式对于无人机遥感生成的数字正射影像和三维模型进行水土保持监测数据获取。由正射影像获得了地块A、地块B的和临时堆土区的扰动土地面积并对其进行合规性判别，地块A实际扰动面积为10. 69 hm2，超出水土保持方案设计防治责任分区1. 12 hm2，地块B扰动土地面积和范围均小于防治责任面积，项目外围新增临时堆土占地1. 25hHi2。基于正射影像可以有效获取水土保持措施种类和数量，与实际测量对比精度满足监测规程95%以上要求。通过三维模型测量了临时堆土区的土方量，并与实际土方量对比。基于垂直摄影生成的三维模型精度为94. 32%达到了监测规程要求的90%以上，可以作为数据来源。

遥感影像成果中水土保持监测数据提取主要依靠目视识别人机交互。这是由于建设项目施工期数字图像内容较为复杂，如果交由电脑进行分类识别需进行较多的前期准备工作。人工目视判别与计算机分类技术在大规模尺度上的效率差距较为明显。单独的一个或几个点状项目水土保持监测使用人机交互判别、勾画测量工作量还较为适中[7-9]。但对于监管单位来说大量的数据人工目视判别具有较多工作量。可以通过建立和完善建设类项目遥感图像解释标志库，通过机器学习的方式，完成数字化、自动化的遥感图像数据提取，让水土保持监测工作更加信息化、高效化。

5 结论

（1）本文根据无人机拍摄影像，通过使用Agisoft-metashape，Context Capture Center Master生成項目区正射影像以及三维模型，得到了地块A、地块B及临时堆土区地面分辨率为0. 05 m的数字正射影像和三维模型，测定生产建设项目扰动面积及水土保持措施实施数量。

（2）通过正射影像可以有效准确地提取出各地块的扰动土地面积、水土保持措施并判断其合规性。获取水土保持措施与实际测量对比，精度满足监测规程95%以上要求。基于垂直摄影生成的三维模型土方量测量精度为94.32%，证明了无人机在生产建设项目水土保持监测中应用的可行性和便利性。

参考文献：

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[4]李凌霄.多旋翼无人机单镜头倾斜影像采集关键技术研究[D].武汉：长江科学院，2016.

[5]陈宇，付贵增，凌峰，等，无人机技术在水土保持中的应用现状与展望[J].海河水利.2018（3）：61～63.

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[9]马红斌，周利军.生产建设项目水土保持监督性监测探讨[J].中国水土保持，2018（2）：25-26.

收稿日期：2019-11-13

作者简介：张琳琳（1987-），女，工程师，硕士，主要从事水土保持与荒漠化防治研究。

通讯作者：张艳（1984-），女，工程师，硕士，主要从事水土保持与荒漠化防治研究。