数字化技术在水土保持监测中的应用

陈晓佳 CHEN Xiao-jia；赵安平 ZHAO An-ping；陈生 CHEN Shen

（①上海海洋地质勘察设计有限公司，上海 200120；②上海东亚地球物理勘查有限公司，上海 200120）

0 引言

水土保持是国土治理、江河治理的根本，是国民经济和社会发展的基础。搞好水土保持、防治水土流失，是治水事业的一项根本性措施，也是改善和保护生态环境的一项紧迫而长期的战略任务。

国家生态环境监测总目标：一是要实现生态状况、环境质量和重点污染源监测的全覆盖，从水土保持来看包括水土流失面积、强度和分布，变化与趋势，水土保持措施实施数量和成效等，均应全面监测，并纳入生态环境监测体系中；二是要建成天地一体监测、上下协同监测和信息共享的监测网络，显著提高信息化能力和保障水平；三是监测与监管联动，监测要为监控和管理提供强有力的支撑。生产建设项目“天地一体化”监测成果要成为制订监督计划、组织督查、检查和验收的依据，使水土保持监测真正成为水土保持工作和生态环境保护的耳目和前沿[1]。

2021年02月，上海市水务局印发《关于推进开发区生产建设项目水土保持管理工作改革的实施意见》的通知，积极推行实施开发区水土保持区域评估，鼓励管理机构对开发区或开发区一定区域统一开展水土保持监测，其监测成果可供区域内项目共享使用。这就给水土保持监测工作带来新的挑战和契机。水土保持监测工作需全面提高工作效率，以快速、准确、全面的监测成果，为区域评估提供高效服务。

1 依托项目概况

依托硬X射线自由电子激光装置国家重大科技基础设施建设项目实施水土保持监测技术数字化应用。硬X射线自由电子激光装置国家重大科技基础设施建设项目国家发展改革委联合教育部、科技部等优先布局建设的10个国家重大科技基础设施项目之一，上海张江综合性国家科学中心建设的标志性项目。项目为线型工程，位于上海市浦东新区，跨越花木街道、张江镇以及北蔡镇。项目建设内容包括五座工作井基地及其联通隧道建设。总占地面积为12.90hm2，项目总长3.1km。项目已于2018年4月开工，2021年1月通过水利部水土保持方案评审（水许可决[2021]1号）。

本项目水土保持监测特点：①监测范围广，监测点位分散，本工程设置8个监测点位，其中调查监测法监测点6处，分别在井场及隧道建设区（2、3、5号井场）、施工生产生活区（4号井场和5号井场）和施工便道区（5号井场区）各设一处；集沙池法监测点2处，分别选取井场及隧道建设区1号井场以及4号井场各一处。②涉及土地类型多，永久占地及临时占地分散。③监测内容及土石方量大，土石方挖填总量达到96.81万m3。④监测周期较长。项目开工时间为2018年4月，计划于2024年04月完工，总工期计72个月。⑤监测频次要求高。对扰动土地、水土流失状况等每月监测一次。基于以上监测特点，水土保持监测小组积极探索水土保持新型监测手段，积极创新，为提高监测效率及精度积极开展水土保持监测技术数字化的研究应用。

2 水土保持监测技术数字化应用

2.1 整体思路及技术路线

水土保持监测技术数字化应用整体思路为：①利用无人机倾斜摄影技术代替传统人工测量，实现水土保监测项目数据的三维数字化；②利用现场气象平台以及气象大数据，实现水土流失因子实时记录及监控，为确定土壤流失量提供可靠依据。具体实施技术路线如图1所示。

图1 水土保持监测技术数字化技术路线图

2.2 无人机倾斜摄影技术

近年来无人机航拍技术已广泛用于水土保持监测，但是要快速获取土地扰动面积，项目建设过程中水保措施的工程量等仍需要人工现场测量。在线性工程以及区域评估的项目中，传统的水土保持监测工作量大且测量时间较长。无人机倾斜摄影对影像数据的采集具有真实高效性，三维模型全自动化。与传统数据采集测量相比，无人机测量包含了空间位置信息，并能根据需求输出多种成果。无人机倾斜摄影技术通过相关专业软件以及多角度测量摄影，完整获取项目基础信息，高效建立三维数字模型，借助三维平台的实现扰动面积、植被压占面积、水土保持措施工程量（工程措施、植物措施、临时措施等）、工程进度等数据的测量。同时能对项目存在的问题实时监测与反馈[2]。

本项目使用大疆Phantom 4 RTK搭载DJITM GSRK无人机，搭载多频多系统RTK模块，使作业精度可达到厘米级别。同时确保测量目标区域被完整测量要求飞行方向和旁向的重合度大于85%，确保测量的高精度。通过Smart3DCapture软件进行影像处理，进行3D建模。无人机倾斜摄影与传统测量的效率对比如表1所示。

表1 无人机倾斜摄影效率表

2021年第三季度，通过无人机和倾斜摄影建立三维数字模型，以数字模型为基础复核硬X射线自由电子激光装置国家重大科技基础设施建设项目实际扰动范围为13.36hm2，较方案批复的新增扰动范围0.46hm2。

以5号井场为例，5号井场位于小张家浜北侧、三八河东侧，建设内容为：1栋科研大楼、1栋共用设施，1栋35kV变电所以及一栋门卫。总占地面积为3.29hm2，其中永久占地1.82hm2，临时占地1.47hm2。临时占地中施工便道占地面积0.24hm2，施工生产生活区占地面积为1.23hm2。通过无人机倾斜摄影技术建立3D数字模型（见图2、图3），直接在模型模型中提取水土保监测相关数据如下：

图2 5号井场照片（2021.05）

图3 5号井场3D模型

①扰动面积。扰动面积的读取主要通过3D模型判断、综合分析进行防治范围直接勾绘提取。5号井通过数字模型直接测量，扰动范围为3.29hm2，与水土保持方案批复的防治责任范围一致，人为扰动未超出防治责任范围。

②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。利用3D数字模型中的高程信息，获得井场坡道信息，综合土壤侵蚀分类分级标准，判断项目区土壤侵蚀强度。目前本项目侵蚀类型主要为水力侵蚀，根据判断结果土壤侵蚀强度为微度。说明项目各项水土保持措施充分发挥效益。

③水土保持措施监测。目前项目处于主体工程建设期，主要的水土保持措施为临时措施，包括：密目网苫盖、基坑截水沟、场地排水沟、沉砂池、洗车平台、混凝土挡墙等。通过模型直接测量5号井场的临时措施工程量及尺寸。对比批复方案，可判断措施完成进度情况。

④临时堆土量。目前主体基坑开挖已经完成，项目场地内无临时堆土。若有，可根据3D数字模型，计算临时堆土数据。

通过项目实际监测，采用无人机倾斜摄影技术，极大的节约人力资源，提高了水土保持监测的工作效率，同时水土保持监测成果也更直观立体。

2.3 气象数据平台的应用

上海位于长江三角冲积平原，属于太湖流域，北亚热带湿润季风气候、四季分明，雨量充沛，以水力侵蚀为主的南方红壤区，土壤侵蚀强度为微度。由于上海市水土保持工作起步相对较晚，水土保持方案中的土壤流失量预测大部分以相近地区项目已有成果，进行类比分析和引用。扰动后的土壤侵蚀模数根据地形地貌、气候（降雨、风速）、扰动强度等参数以及最不利情况进行修正。降雨是水土流失的原动力，从气象学角度来看，降雨主要有雨量、雨强、降雨历时等特征值来反映，另外，在定量计算中，最具代表性的土壤侵蚀统计模型—通用土壤流失方程式USLE[3][4]为：

其中：A代表土壤流失量，R是降雨侵蚀力因子，K为土壤可蚀性因子，LS为地形因子（坡长、坡度），C为植被因子，P为水土保持措施因子。基于上述计算公式可知，对于土壤流失量，降雨侵蚀力因子的确定尤为重要。

本项目根据气象数据采集要求，在5号井场设置气象站，选用RS-QXYL自动雨量气象站，实施采集并记录总雨量、瞬时雨量、日雨量、当前雨量、风力风速、风向、温湿度及大气压力等气象数据。设备通过GPRS/4G方式将数据上传至环境监控云平台，通过网页和APP查看。环境监控云平台如图4所示。

图4 气象数据监测平台

上海市年降雨量总体呈逐年波动上升趋势，80%以上的年降水量在900mm以上，近30年来，年降水量大都高于平均降水量。降水表现出明显的季节变化，约70%的降水集中在汛期（6月-9月），另外受冷空气及台风的影响形成的降雨也比较频繁。从历年暴雨发生的区域来看，上海市一般以局部暴雨为主，表现出明显的区域性。故单个项目的降雨量与区域气象站的数据存在偏差，需要将项目实际测量监测的数据与气象站的数据进行分析，修正气象因子，从而修正土壤侵蚀模数，进而计算土壤流失量[5]。根据上海浦东新区58370气象站逐日降水量与项目现场气象站数据进行对比，如图5所示。2021年10月降雨量，上海浦东新区58370气象站累计雨量为148.10mm，现场气象站累计雨量为108.60mm，全月累计数据偏差为26.67%。全月最大降雨日为10月20日，上海浦东新区58370气象站测量雨量为32.1mm，现场气象站测量雨量为25.0mm，数据偏差为22.11%。根据图5，10月8号、12日及15号浦东发生局部降雨，而项目现场（5号井）未出现降雨情况，10月7号及11号现场降雨量超过浦东新区降雨量平均值。

图5 降雨量对比图(2021.10)

根据水土流失调查及预测，工程建设期间共计产生水土流失总量约210.53t。由于降雨当年量与类比工程多年平均降雨量有偏差，故扰动后的侵蚀模数需修正，根据各区各阶段的施工特点，修正后的土壤侵蚀模数为584～6148/（km2·a）。截止到2021年第三季度总流失量为67.42t。后期水土流失重点时段为场地市政雨水管网、绿化工程、道路配套工程以及临时占地恢复阶段。

3 结论与展望

通过研究及实际项目监测，利用无人机倾斜摄影以及气象云平台可以比较精确完成生产建设项目扰动土地面积、水土保持措施、气象因子等监测工作，对完成线性和大型点状工程极大提高水土保持监测的精度、效率及自动化程度。与地面常规监测相比，其监测数据更加丰富和客观，也必将成为水土保持监测技术数字应用的重要思路。

本文根据相关数据，得到以上研究成果，尚存在一定的局限性，但是随着监测手段改建及创新，水土保持监测数字化技术的推广应用，数字化技术也将越来越完善。同时水土保持监测工作对监测人员的技术要求也越来越高，要求水土保持监测人员始终牢记使命，不忘初心，为新时代的水土保持工作添砖加瓦。