无人机在生产建设项目水土保持方案跟踪评估中的应用——以辽宁省某铁路工程为例

（辽宁省水利事务服务中心）

为深入贯彻落实国家和辽宁省生态建设的总体部署，按照《水利部关于进一步深化“放管服”改革全面加强水土保持监管的意见》（水保[2019]160号）和《水利部办公厅关于印发生产建设项目水土保持监督管理办法的通知》（办水保[2019]172号）等文件相关要求，辽宁省水土保持部门开展了生产建设项目水土保持方案第三方跟踪评估工作。本项研究以辽宁省某铁路工程为例，阐述了无人机在跟踪评估过程中的应用。通过无人机遥测系统获取基础数据，具有精度高、便于识别判断等特点，大幅提升了水土保持评估工作的效率和水平，强化了辽宁省生产建设项目监管效率，为水土保持监管以及国家水土保持重点工程“图斑精细化”管理提供了技术支撑。

1 项目概况

1.1 建设规模

项目区位于辽宁省境内，铁路总长79.68 km，其中新建铁路66.5 km，利用既有线路13.18 km。全线设置特大桥4座，3 928.64延长米；大桥13座，2 861.91延长米；隧道1座，1 155延长米；开设9个车站。

项目总占地面积324.67 hm2，其中永久占地308.93 hm2，临时占地15.74 hm2。工程挖填土石方总量739.2万m3，其中挖方345.2万m3，填方394万m3，借方52.9万m3（全部外购），弃方4.1万m3。

1.2 项目组成

铁路工程主要由路基、桥涵、站场、隧道、施工便道、施工场地及营地区等部分组成。其中：路基总长度68.175 km，占正线线路总长85.56%；桥梁总长度10.35 km，占正线线路总长12.99%；隧道总长度1 155 m，占正线线路总长1.45%；新建车站7座，改建车站2座；设置施工便道51 km；设置施工场地及营地共5处，包括制梁场2处，施工营地1处，拌合站2处，占地面积5.52 hm2；方案设计阶段未设置弃渣场，工程实施阶段由于部分挖方不符合路基填筑要求，故产生4.1万m3弃渣，弃于DK39铁路一侧的弃渣场，计划用于当地配套引桥工程建设。

2 航测设备与性能指标

2.1 航测设备

本项目使用大疆M600pro六轴旋翼无人机和大疆悟INSPIRE2四旋翼无人机。

大疆M600pro六轴旋翼无人机搭载Zenmuse X5相机，其外形尺寸为668 mm×1 518 mm×727 mm，轴距为1 133 mm。主要性能指标：最大起飞重量为15.5 kg，最大飞行速度65 km/h；挂载正常任务单元的滞空时间为20-35 min；采用垂直起降方式，最大上升速度为5 m/s，最大下降速度为3 m/s；最大抗风能力8 m/s；海拔升限5 000 m，飞行半径5 km，通讯距离5 km；工作温度为-10℃至+40℃。

大疆悟INSPIRE2四旋翼无人机搭载Zenmuse X5S相机。主要性能指标：最大起飞重量为4 kg，最大飞行速度94 km/h；滞空时间为15-27 min；采用垂直起降方式，最大上升速度为5 m/s，最大下降速度4-9 m/s；最大抗风能力10 m/s；海拔升限5 000 m，飞行半径5 km，通讯距离5 km；工作温度为-20℃至+40℃。

2.2 主要性能指标释义

2.2.1 航程

航程是衡量无人机作战距离的重要指标，与无人机的翼型、结构、动力装置等有关。

2.2.2 续航时间

续航时间是指飞机耗尽其可用燃料所能持续飞行的最大时间，是衡量无人机任务持续性的重要指标，不同类型的无人机系统可具有相同的续航时间要求。

2.2.3 升限

飞机能维持平飞的最大飞行高度叫升限，分为理论升限和实用升限。

2.2.4 飞行速度

飞行速度是衡量无人机飞行能力重要参数，包括巡航速度和最大速度。巡航速度是指飞机在巡航状态下的平飞速度，一般是最大速度的70%-80%。

2.2.5 爬升率

爬升率指在一定飞行重量和发动机工作状态下，飞机在单位时问内上升的高度。也可用爬升到某高度耗用掉多少时间来表示。

3 无人机遥感技术工作流程

无人机在航拍作业时，需要经历三个阶段：

3.1 前期准备

3.1.1 确定项目区范围

根据查阅工程的基本资料以及与项目负责人员沟通了解，圈定项目区的区域界线。

3.1.2 测区实地勘查

在测区进行实地勘查，掌握周边自然环境、地形地貌、气候气象等信息，以便保证起降场地、航线的确定和突发情况预测，同时需观察测区天气状况，以判断无人机能否正常飞行。

3.1.3 无人机设备安装及其检测

检测并安装无人机飞行器及机载设备，检测其性能指标达到起飞标准后，允许无人机起飞并进行航拍。

3.1.4 航线的确定

通过调查确定测区界线，并根据勘查的现场情况确定航线。

3.2 外业操作

无人机沿着设定的航线轨迹飞行后，就形成了航拍数据。利用拼接软件拼接整合数据，并对数据进行筛查，检查是否有不符合质量要求的数据。对不符合质量要求的数据，要对所对应区域重新进行航拍，最终得到达到质量要求的测区遥感数据。本项目共获取3 000余张现场拍摄图片。

3.3 数据处理

3.3.1 遥感数据数字化处理

利用Pix4Dmapper软件，对航拍数据进行数字化处理。步骤如下：

（1）数据初步处理。利用Pix4Dmapper软件，对航拍得到的原始数据进行初步处理，以去除图像受噪声和镜头畸变产生的影响。这一步骤可确保数据的质量，以便航拍人员快速宏观地检查航拍数据结果。如有质量不满足要求的遥测区域，则可以在现场及时补拍。数据经过处理后，Pix4Dmapper软件会形成相应的质量报告，内容包括工程摘要、质量检测、校正细节、重叠图像数、相机优化参数等项目，从而保证了航拍数据能够满足工作具体要求。

（2）数据高精度处理。Pix4Dmapper软件高精度处理是生成航拍影像的重要步骤之一。首先，对航拍形成的影像相对于实拍目标产生的几何差异进行校核，产生差异的主要原因有很多，包括无人机的飞行速度、高度、姿态以及地球自转等；其次，根据立体的相对定向和绝对定向等摄影测量原理，利用全站仪对测区具有明显特征的位置进行测量。从测区范围内均匀的选取6个控制点，中心位置选取1-2个控制点。其中，在高程变化较大的区域，可通过增加控制点以提高数据精度；最后，进行空中三角测量和点云加密。为了提高数据处理效率，可以应用多台计算机同时对飞行数据进行处理，然后整合。具体处理步骤：①数据初始化处理；②点云及纹理生成；③数字表面模型和正射影像生成。

3.3.2 指标信息获取

利用Arcgis等软件，在上述数据高精度处理的基础上，进一步计算出工程项目的水土保持指标，如地物地貌情况、具体位置、占地面积以及堆积体积等，形成最终成果。

4 水土保持方案设计措施落实情况

4.1 主体工程区

本项研究调查路基工程共五段，主要为路堤、路堑高陡边坡路基、桥梁等。

调查小组通过现场调查及航拍影像，对调查区内水土保持措施落实情况进行了核查。目前，路基工程已完工，铁轨铺设完成。路基边坡坡面栽植了紫穗槐，并撒播了草籽。边坡高度较大时，采用了浆砌石拱形骨架护坡，骨架内栽植紫穗槐。路基沿线有浆砌石截排水沟。站场区域修建了排水沟，并对场区进行了绿化。

4.2 弃渣场区

水土保持方案中未设置弃渣场，工程实施中实际设置了1处弃渣场。由于施工过程中部分挖方不能满足路基填筑土方要求，在借填土方的同时有4.1万m3渣土弃于DK39铁路一侧，用于大连市配套引桥工程建设填土。据遥测分析与现场调查，弃渣场实际占地面积0.98 hm2，弃渣堆放高度3-4 m，分两个台阶，边坡1∶1.5。

4.3 施工便道

新建施工便道总长度为51 km，采取泥结碎石路面，一般路段为单车道，宽度4 m；桥隧集中处施工便道为双车道，宽度6 m。新建施工便道总占地面积10.11 hm2。

4.4 施工场地及营地区

本工程施工场地及营地区主要包括制梁场、拌合站等临时工程，占地面积5.52 hm2。

4.5 取土场区

水土保持方案设计有23.54 hm2的取土场，后施工阶段取消了方案设计的取土场，工程填方不足部分采取外购。

5 小结

利用低空无人机遥感技术，能够针对生产建设项目区的动态情况，定时定点进行航拍及数据传输，可以高效率、高质量地解析较复杂区域的遥感影像数据，大大提升了野外勘察的速率。可以准确调查生产建设项目水土保持方案的落实情况，掌握不同生产建设项目水土流失防治的重点，摸清水土保持方案实施过程中存在的问题，为水土保持监督管理提供强有力的技术支撑。