无人机遥感技术在生产建设项目水土保持监测中的应用——以清远抽水蓄能电站为例

李岚斌，金平伟，李 乐，王玉琅，黄 俊

(珠江水利委员会珠江流域水土保持监测中心站，广东 广州 510610)

生产建设项目水土保持监测是准确掌握项目建设水土流失动态变化和水土保持措施实施效果的重要手段与基础性工作。《中华人民共和国水土保持法》第四十一条规定，对可能造成严重水土流失的大中型生产建设项目，生产建设单位应当自行或者委托具备水土保持监测资质的机构，对生产建设活动造成的水土流失进行监测，并将监测情况定期上报当地水行政主管部门。

自新水土保持法颁布实施以来，国家愈加重视和规范生产建设项目水土保持监测工作，2015年水利部印发的《生产建设项目水土保持监测规程(试行)》明确要求不小于100 hm2的点型项目，山区(丘陵区)长度不小于5 km、平原区长度不小于20 km的线型项目应增加遥感监测方法开展水土保持监测。《水利部水土保持司关于印发生产建设项目水土保持监测工作检查要点的通知》(水保监便字〔2015〕第72号)将遥感监测列为监测实施检查要点，“按规定应采用遥感监测方法的生产建设项目，遥感监测频次和精度需满足相关规范要求”。《水利部关于贯彻落实〈全国水土保持规划(2015—2030年)〉的意见》(水保〔2016〕37号)中明确提出要强化水土保持事中事后监管，加快运用无人机、遥感等现代化技术手段，提高监督执法效能，切实做好水土保持方案实施情况的跟踪检查。

1 生产建设项目水土保持监测方法

生产建设项目水土保持监测方法主要包括地面监测、调查监测和遥感监测等[1]。地面监测、调查监测目前已被广泛应用，具有省时、省力、简便易行等特点，但是精度较低、人为干预较大，尤其在监测人员无法或难以达到的区域，无法获取数据，加上项目区扰动快、地形复杂，目前已不能完全满足当前工作的需要。

由于生产建设项目部分水土保持措施尺寸较小，例如排水沟宽度尚不足1 m，部分挡墙宽度只有1～2 m，而商业卫星的分辨率一般最高仅为0.5 m[4]，因此，卫星遥感难以全部满足监测工作需要，且受卫星重访周期和天气条件制约，卫星遥感较难获取项目区特定时段遥感影像。目前，一幅卫星影像最小定制为面积25 km2，而单价往往高达每平方公里数百元，昂贵的成本也制约了卫星遥感在生产建设水土保持监测工作中的推广应用。

无人机遥感作为空间数据获取的重要手段之一，具有轻小、续航时间长、成本低、分辨率高、机动灵活等优点，是卫星遥感的有力补充，在国内外已得到广泛应用[5]，可实现对生产建设项目的“实时”更新，与商业卫星相比，有着明显的成本优势。Torres-Sánchez等[6]、Francisco等[7]使用低空高分辨率无人机遥感影像开展了精准农业、农业病虫害防治等工作。Mitch Bryson等[8]基于植被颜色及纹理等特征使用低空可见光无人机影像开展植被类型分类研究。Sebastian d'Oleire-Oltmanns等[9]基于低空高分辨率无人机遥感影像开展了摩洛哥土壤侵蚀量监测，为水土保持治理工作提供了参考。梁志鑫[10]、杨恺[11]等通过无人机技术开展生产建设项目水土保持监测工作，均认为无人机遥感技术弥补了传统监测手段的不足之处，有效提高了项目监测的精度、效率及自动化程度，但对于无人机技术在生产建设项目水土保持监测中的适用性未进行探讨。

因此，本研究针对水土保持监测工作中需要解决的问题，选择典型生产建设项目，对无人机遥感技术在生产建设项目水土保持监测中的适用性进行了探索性的研究。

2 无人机遥感技术的应用

2.1 项目区基本情况

广东清远抽水蓄能电站位于广东省清远市清新县太平镇境内(图1)。项目拟装4台单机320 MW水泵水轮发电机，总装机容量1 280 MW。站址属南亚热带季风气候，雨量充沛，冬季温暖，夏季多雨，多年平均年降雨量2 179.9 mm；项目区土壤分布以赤红壤为主，原生地带性植被为南亚热带常绿阔叶林，目前存在的植被主要以次生阔叶林为主，林草覆盖率达85%以上。

2.2 无人机相关参数

本研究先后选用Avian华鹰无人机和DJ Inspire1无人机对项目区进行航拍。Avian华鹰无人机起飞方式为弹射式，重量4.3 kg，巡航速度65 km/h，飞行时间约50 min，搭载相机型号为Sony ɑ7R，有效像素3 640万，固定焦距为35.9 mm，航高为300 m (GSD 4.2 cm)、600 m (GSD 8.4 cm)、900 m (GSD 12.6 cm)，GSD为地面分辨率。DJ Inspire1无人机起飞方式为垂直起飞，重量2.9 kg，最大飞行速度为79 km/h，最长飞行时间约18 min，相机影像传感器为Sony Exmor 1/2.3英寸，有效像素1 240万，镜头为20 mm(35 mm格式等效) f/2.8，航高为100 m (GSD 4.33 cm)、200 m (GSD 8.65 cm)、300 m (GSD 12.98 cm)。

Avian华鹰无人机在进行航摄成像时，需要提前完成航线规划并设定地面控制点，之后携带固定焦相机沿飞行线(或条带)获取中心投影的航空像片。DJ Inspire1无人机在进行航摄成像时，可根据实际需求随时改变航线。飞行后经过无人机后处理软件IPS4.2处理获取项目区正射影像及DSM数据。

2.3 数据处理

利用arcGIS10.2对项目区正射影像进行处理，鉴于无人机航拍影像分辨率高，生产建设项目水土保持相关特征明显，可采用目视解译方法，通过人工直接勾绘提取项目区水土保持相关数据。

a) 扰动面积。扰动面积提取主要采用直接判读、逻辑推理或综合分析等方法进行勾绘解译，解译成果除形成项目区扰动土地分布图外，还可与防治责任范围专题图进行矢量叠加，综合判定项目区人为扰动面积有无超出防治责任范围。

采用SPSS 22.0软件对数据进行分析处理，牙周袋探诊深度、临床附着水平、牙龈指数、牙齿松动度、牙槽骨高度等指标为计量资料，采用（±s）表示，满足正态分布和方差齐性后，组间相较采用独立t检验，以P＜0.05表示差异具有统计学意义。

b) 水土流失情况。水土流失情况包括土壤流失面积、土壤侵蚀强度和水土流失危害等。土壤流失面积基于高分辨率无人机影像通过目视解译方法获取；土壤侵蚀强度基于“土壤侵蚀分类分级标准(SL 190─2007)”计算获得，其中关键参数：土地利用基于高分辨率无人机影像目视解译获得、植被覆盖度基于高分辨率无人机正射影像采用VDVI指标计算获取[12]、坡度信息基于无人机数值高程模型获取。地面监测点监测结果对上述获取的土壤侵蚀强度进行验证，获得项目区土壤侵蚀强度分布。

c) 水土保持措施。水土保持措施包括工程措施、植物措施和临时措施，主要通过目视解译方法结合项目区现场监测资料进行解译。

d) 取(弃)土场。取(弃)土场解译内容包括扰动面积、取(弃)土方量、水土保持防护措施等，面积及水土保持措施通过目视解译方法解译，取(弃)土方量的提取通过无人机两次航拍的DSM数据在arcGIS10.2中进行差值计算。

e) 水土保持设计变更。将项目区防治分区图、防治责任范围图、施工布置图等专题图件与无人机遥感影像进行精确地理配准，综合判读项目区主体工程及取(弃)土场的位置、数量是否存在设计变更现象。

3 结果与分析

3.1 扰动土地面积监测

由图2可知，截止2014年11月18日，项目区上库扰动土地面积为115.66 hm2。将上库扰动面积图与防治责任范围专题图进行矢量叠加后可知，项目区人为扰动均未超出防治责任范围。

3.2 水土流失监测

利用无人机监测获取的影像成果，通过目视解译提取项目区各单元植被覆盖度及土地利用信息，并分析DSM数据，获取坡度信息，结合土壤侵蚀分类分级标准，综合判别项目区土壤侵蚀强度。

图3为项目区上库土壤侵蚀强度分布。目前项目区侵蚀类型主要为水力侵蚀，土壤侵蚀强度以微度为主，各项水土保持措施已完成布设并充分发挥效益。上库公路两侧边坡采取喷砼护坡、绿化等措施进行防护，侵蚀强度较小，主要为微度、轻度；弃渣场已全部进行平整并采取植物措施进行防护，侵蚀强度以轻度为主；上库采石场目前已停止使用，但部分区域未采取水土保持措施进行防护，侵蚀强度较为严重。

3.3 水土保持措施监测

图4为项目区上库典型区域水土保持措施统计。该区域水土保持措施类型主要为浆砌石护坡、截排水沟、绿化及无纺布覆盖等，图中道路一侧挖方边坡主要采取撒播草籽+无纺布覆盖进行防护，植被生产情况良好，与该区域原始植被相比，形状规整、纹理清晰，易于解译。因此，通过对无人机影像成果进行目视解译，可精确统计项目区各类水土保持措施面积。

3.4 取(弃)土场监测

通过无人机正射影像结合配准后的项目区施工平面布置图，可对项目区取、弃土场的数量、面积、设计变更、防护效果、水土流失情况等进行解译分析。通过DSM数据可以提取项目区取、弃土场的高程信息，结合项目区前期地形图，可计算得出取、弃土场的土石方量。

图5为项目区副坝四坝后弃渣场的遥感监测影像。由5a可知，目前该渣场已结束弃渣，并采取了水土保持措施进行防护，渣场占地面积3.93 hm2，已全部进行平整并采取植物措施进行防护；由图5b可知，渣场坡脚处修建有挡墙、沉砂池等水土保持工程措施，尺寸分别为13 m×0.5 m、2 m×2 m(长×宽)，渣场周边排水沟宽度为0.6 m。

3.5 水土保持设计变更

通过选取项目区典型区域(道路、水域、建筑等)作为控制点，将施工平面布置图与无人机影像进行地理配准后作对比分析，判别项目实际建设内容、地点等是否存在设计变更。

图6为项目区新增临时弃土场监测对比，将无人机影像与配准后的项目区施工平面布置图进行叠加分析后，发现该弃土场为新增临时弃土场，与原施工布置图存在设计变更。监测单位根据监测结果建议建设单位及时完成弃渣场变更设计，并报送水行政主管部门备案。

3.6 讨论

通过研究可知，利用无人机遥感技术可以较精确完成生产建设项目扰动土地面积、取(弃)土场、水土流失、水土保持措施等监测工作，结合项目区工程资料，可完成项目区水土保持工程设计、防治指标落实情况等监测工作。无人机具有轻小、成本低、分辨率高、机动灵活等优点，是完成生产建设项目水土保持监测的有效工具。

同时，无人机遥感监测在应用上尚存在一些不足，由于生产建设项目地形复杂，航拍获取的DSM数据仅为表面高程数据，精度受植被高度、地形等因素影响较大，在利用高程动态监测土石方变化、通过提取坡度计算侵蚀强度等方面存在一定误差。本次研究选取的项目为点状工程，面对线路较长的线型工程，无人机遥感监测的工作量将大大增加。

尽管如此，无人机遥感技术在生产建设项目水土保持监测工作中的应用将大大提高水土保持监测工作的精度、效率及自动化程度，针对施工期开挖扰动频次高、地形复杂的建设项目，采用无人机遥感技术在提高监测精度的同时也保证了监测人员的安全；面对线型工程，可选取弃渣场、水土流失敏感点等重要地段，利用无人机遥感技术定期监测，与地面监测的常规监测点相比，其监测数据也将更加丰富、客观。

Avian华鹰无人机和DJ Inspire1无人机相比，在飞行面积、数据精度等方面均有较大优势，但起飞及降落时对场地条件要求较高，鉴于项目区地形复杂，操作简单、起飞、降落对场地要求较小的DJ 无人机更适合生产建设项目的无人机航拍监测工作。

4 结论与展望

随着国民经济的快速发展，工业化和城市化进程的加快，生产建设项目导致的水土流失已逐渐成为中国水土流失的重要来源之一，国家对生产建设项目水土保持监测监管的力度也将越来越大[13]。作为卫星遥感的有力补充，利用无人机遥感实现对生产建设项目项目整个项目期全方位监测，必将成为未来水土监测工作的重要思路。本研究表明，无人机遥感技术是一种快速获取生产建设项目水土保持信息的有效方式，是提高水土保持监测工作精度、效率及自动化程度的一种重要工具。

由于水土保持监测工作具有综合性、特殊性和广泛性，其标准具有复杂性和难检测性，尚需要广大水土保持科研人员和监测工作者对无人机遥感技术在使用过程中出现的各种问题进行研究探讨。随着监测技术手段的改进，生产建设项目水土保持监测工作将会越来越规范，整个生产建设项目水土保持监测工作形势必将一片大好。