无人机遥感技术在水土保持方案编制工作中的应用

刘 佳， 贺 尧

(湖南有色冶金劳动保护研究院，湖南 长沙 410041)

1 前言

水土资源是人类赖以生存的基础资源，水土流失对农业生产、生态可持续发展、防洪安全及水质安全有着重要影响，是我国的主要环境问题。水利部第四次全国水土流失年度动态监测结果显示，2018年全国水土流失面积273.69万平方公里，表明我国仍有超过1/4的国土面积遭受不同程度的水土流失危害。

近年来，随着我国经济的发展，各类大中型建设项目陆续开展，比如铁路、公路、输电线路以及风电项目的开发建设，以湖南省风电项目为例，截止2017年底，仅集中式的风电建设项目建设规模就有226.5万千瓦，湖南省风电项目以山地型为主，地形复杂、水蚀与风蚀并存、扰动土地面积大、影响范围广，给本来严峻的水土保持工作带来了更大的挑战。如果不重视此类开发建设项目建设过程中的水土流失问题，不积极进行水土保持措施的防治，会对生态环境造成恶劣影响。

水土保持方案编制的目的在于全面贯彻落实《中华人民共和国水土保持法》及其相关法律、法规，明确业主在项目建设的同时，应当承担的社会责任与义务，将工程建设造成的水土流失减少到最低程度，实现资源的开发利用与生态环境保护协调发展。具体来说是要初步确定水土流失防治分区，拟定防治措施和水土保持投资概算，贯彻落实开发建设项目的水土保持设施与主体工程同时设计、同时施工、同时投产使用的“三同时”制度。风电项目属于线性工程，风电基础及场内道路的布置线路较长，并且地形复杂，给水土保持现场勘查工作带来一定难度，通过使用无人机技术在能够帮助水保工作人员直观了解项目风机布置及道路走向，准确确定弃渣场的合适位置，通过影像资料记录项目弃渣场选址的原始形态和相关数据，同时也能对也能对工程结束后弃渣场的恢复和措施防治工作提供图像依据。

2 无人机遥感技术简介

2.1 无人机遥感技术介绍

无人机是通过无线电遥控设备或机载计算机程控系统进行操控的不载人飞行器。无人机结构简单、机动灵活、携带方便，分辨率高，通过设置飞行高度、飞行时间及飞行轨迹及等参数，搭载数码相机等进行无人机航拍用，再用计算机对图像信息进行处理，并按照一定精度要求制作成满足精度要求的图像。对于准确掌握项目基本情况、确定水土流失的位置、强度和危害，推进水土保持监测工作的定量化、 精细化和信息化发展，具有重要引领作用，因而在水土保持工作的各个阶段都有广泛应用。

2.2 无人机遥感技术特点

(1)易于操作，简单高效。无人机遥感系统操作灵活，对项目现场只需要1名操作人员即可完成组装和调试操作，无需指定起降地点，提前规划好飞行路径及飞行高度，即可完成连续作业，无人机轻便小巧，转场作业容易，工作效率较高，特别适合获取线行项目航拍影像(公路、铁路、输变线路及风电场等)。无人机携带的雷达设备，可穿透障碍物获取地面信息，实时传输高清晰的图像数据，从而满足水土保持数据的实时性和准确性。

(2)成果多样，应用范围广。无人机拍摄成果通过搭载集成了相机和惯导系统的光电仓来获取可见光影像数据和对应的经纬度信息，经过短时间的内业分析，即通过数据处理系统，可自动化获得测定范围内的地形图、数字高程模型(DEM) 数据、数字正射影像(DOM)数据以及三维场景影像等，大大提高了水土保持数据的精度。无人机属于低空飞行，搭载高精度数码相机，可以形成分辨率极高的遥感影像，无人机航拍遥感技术可广泛应用于环境保护、生态治理、电力、水力、农业等多个领域。以水土保持工作为例，即可应用于前期的水土保持现场调查工作，也可在水土保持监测及验收工作中发挥重要作用。

3 实例分析

3.1 项目概况

常德市石门县子良风电场工程位于湖南省常德市石门县子良乡，处湘鄂边陲，项目区地貌类型属低中山区，山脊主要呈近东西向、部分呈北北东向展布，海拔高度在930.0～1 390.0 m之间。山坡地形坡度一般为15°～35°，局部35°～40°。风机位布置于北西西向的山脊(顶)上，长约18 km，南北宽约1.0 km，山岭之间连续性相对较好。项目区属于南方红壤区，土壤侵蚀类型主要为水力侵蚀，根据湖南省水利厅《关于湖南省水土流失重点预防区和重点治理区划定公告》，本项目区属于澧水中游省级水土流失重点治理区，土壤容许流失量为500 t/(km2·a)，属微度流失。

本风电场工程拟安装25台单机容量为2 000 kW的风力发电机组，相应装机容量为50 MW，工程总占地面积为55.81 hm2，其中永久占地1.87 hm2，主要为风机、箱变基础占地、升压站占地；临时占地53.94 hm2，主要为风机安装场地占地、场内施工道路占地、集电线路占地、弃渣场及临时施工用地。

为满足施工期设备运输以及运行期检修维护的需要，风电场需新建道路总长25.06 km，道路路基宽度5.5 m，运输方式采用特种车辆运输；本项目选取7个弃渣场，占地面积4.04 hm2，弃渣场范围内无大水系通过，未发现大规模的滑坡、泥石流等不良地质体，自然状况下边坡稳定性较好，下游无村庄，避开了城镇和交通要道的可视范围。弃渣场形式为平地型和山坳型。

3.2 设备选用及数据获取

本项目采用大疆精灵4无人机航拍设备，机身轻巧，方便携带、续航能力强，配备3D传感系统，在指点飞行、视觉跟踪、前视壁障等方面优势明显，能轻松完成拍照、录像、经纬度信息获取等工作。属于低空飞行无人机，适合本项目要求，最大飞行高度为120 m，最大飞行速度为50 km/h，最大飞行时间为16 min。

本项目地势较高、地形复杂、路线较长，无人机无法完成长时间持续飞行，为保证数据顺利获取，采用手动操作飞行任务，飞行高度固定在100 m以内，相片重叠率60%的正射影像，用于后续获取项目扰动地表面积，量取部分水土保持防治措施工程量等。

3.3 无人机遥感技术在本项目中的作用

(1)明确线路走向。本项目风电场工程为线性项目，长度约18 km，风机沿新建道路布置在一条东西走向的山脊上，海拔高度在930.0～1 390.0 m之间。主体设计道路的走向虽已避开较陡的山坡及避开高挖高填区域，但是由于项目还未开工建设，道路还未修建，只能沿着老路对部分点位进行踏勘，在实地水土保持现场勘查中，是主要依赖于项目1∶10000地形图，无法对整个项目线路的走向有比较直观的了解。以项目7#～15#风机区间为例，下图为项目7#～15#风机布置及道路布置的谷歌卫星地图(见图1)，将无人机航拍数据导入地图中，可以随时

图1 项目布置平面图

查勘项目现状地形及走向情况(图2、图3)，如图2为项目进场道路需要弯道改造的一部分，局部弯道需经改造拓宽才能满足设备运输要求；图3新建道路走向为沿着山脊部分进行布设。通过无人机低空航拍，项目地形地貌清晰可见，也可以对线路选线及走向有直观的认知，从而使水土保持方案中对主体工程介绍以及水土保持措施布置更加具有针对性和可信度。

图2 9#风机附近场内道路

(2)确定渣场位置。弃渣场是水土流失的主要部位，如果选取不当，会造成滑坡、崩塌或更为严重的水土流失问题。对于风电项目，由于线路长、地形复杂，选取合适的弃渣场更为重要。遵循集中弃渣、安全稳定、便于运弃的要求，弃渣场应布置在大开挖路段和多弃渣路段附近，从而缩短弃渣的运输距离，减少运渣施工便道的修建，减少运输过程中的散落。各弃渣场均紧邻场内交通道路，便于弃渣和防护材料的运输，弃渣场下游侧无重要的基础设施、集中居民点和工业企业等。综合考虑主体工程弃渣场选址，水土保持方案应在现场查勘中根据项目实际情况，从水土保持角度分析，进一步确定和复核弃渣场位置，对于风电项目，一般利用荒沟、凹地和支毛沟的沟道作为弃渣场位置较为合理。根据项目地形图及无人机航拍，可以更加清晰的确定弃渣场的形式，如图4所示，图4为Z1弃渣场选址，通过航拍图片可以清晰地看到此地为一处山坳，符合弃渣场选址要求，图5为Z3弃渣场选址，地势平坦，容量较大，堆渣稳定，利于水土保持措施布设。这些渣场在现场勘查中我们无法通过肉眼查看到他们的形式和容量等，通过借助无人机遥感技术，我们可以获取到渣场的高程、中心经纬度、面积、容量、类型等准确信息，以此作为我们选取弃渣场的有力依据，表1为弃渣场信息表。

图4 Z1弃渣场选址航拍图

图5 Z3弃渣场选址航拍图

表1 弃渣场信息表

(3)预测水土流失重点区域及措施布置。无人机遥感技术能够改变传统水土流失预测方式，借助遥感数据，得到DOM和DEM成果，可以构建三维模型，进而对项目征占地面积、扰动土地面积、挖填土石方数量等进行监测，从而高效、准确地预测项目容易产生水土流失的重点区域，对通过道路线形走向、弃土弃渣位置的监测，可以更有针对性的进行水土保持分区及布设水土保持工程措施、 植物措施及临时防治措施。

4 结论

对于地形多变、线路较长、水土流失严重的项目，无人机遥感技术在水土保持方案编制工作中的作用越来越重要，利用无人机遥感的高空全景拍摄、高分辨率、机动灵活等优势，可为水土保持分区、弃渣场选址及水土流失防治措施制定等提供了更加精确和科学的方法，通过有效合理水土保持措施，达到经济建设与生态环境协调发展。