无人机技术在水土保持措施设计精细化中的应用与研究

刘晨曦，蒲 坚，李建明，潘晓颖，张长伟，王志刚

(1.长江水利委员会 长江科学院，湖北 武汉 430010；2.水利部 山洪地质灾害防治工程技术研究中心，湖北 武汉 430010)

当前社会高速发展，生产建设项目数量众多，类别以及规模呈多样化趋势。公路、铁路等建设项目的投入使用在推动社会发展的同时，环境问题也逐渐显现[1]。依照长江经济带建设要求和习近平总书记在黄河流域生态保护和高质量发展座谈会上的讲话精神，经济建设不能以牺牲生态环境为代价，水土保持工作也得到了前所未有的重视[2-3]。

为贯彻落实“水利工程补短板，水利行业强监管”水利改革发展总基调，进一步规范水利行业勘测设计行为，强化勘测设计责任，保障水利工程勘测设计质量，水利部在2020年3月出台了《水利工程勘测设计失误问责办法(试行)》(水总〔2020〕33号)，要求设计过程中须保证基础资料真实、完整、准确，设计结果须符合法律、法规、规章、强制性标准和推荐性技术标准的要求，并满足设计阶段的工作深度[4]。在当前水利发展的新形势下，国家对建设项目水土保持措施设计精细化提出了更高的要求，强调水土保持从业单位及个人负有设计责任。因此，对水土保持措施设计精细化技术路线进行深入研究势在必行。

1 水土保持措施设计精细化的必要性

水土保持措施设计精细化是指在生产建设项目水土保持措施设计中，依据项目特点，结合完整和准确的基础资料，提出贴合实际的水土保持措施方案，要求设计规范、完成度高、统一性好，专业间矛盾少，不过度设计，且能准确指导后期设计、招标以及工程施工。

在《水利部生产建设项目水土保持方案变更管理规定(试行)》(办水保〔2016〕65号)中，与措施设计精细化有关的要求包括：表土剥离量减少30%以上的，植物措施总面积减少30%以上的，以及水土保持重要单位工程措施体系发生变化，可能导致水土保持功能显著降低或丧失的情况，属于项目重大变更的，需要对项目水土保持部分重新设计。水土保持方案的变更不仅拖延项目进度，对项目投资和施工造成不良影响，而且不当的水土保持措施设计可能引起滑坡、泥石流等地质灾害，造成生命和财产损失[5]。

《水利工程勘测设计失误问责办法(试行)》(水总〔2020〕33号)明确要求：对降低工程质量标准、影响工程功能发挥、导致工程存在安全隐患或发生较大程度的投资追加的情形视同为水利工程勘测设计失误标准之一，并从质量、功能、安全和投资影响四个维度判定。对于设计单位和个人而言，设计责任进一步加大。

可以看出，水土保持措施设计精细化，有利于提高设计深度，合理控制建设成本，避免建设后期设计变更，从而提高工程建设效率，有效防止因设计不当而导致的严重人为水土流失和人为自然灾害的发生，降低单位及个人设计风险。

2 无人机技术在水土保持措施设计精细化中的应用

水土保持措施设计精细化的前提是对项目区地形进行精准和全面勘测。生产建设项目一般分为点型项目和线型项目。点型项目占地集中，建设区扰动投影面积和表面积获取较容易。线型项目存在项目区占地面积较大、部分区域地形复杂、人力不能直接到达等问题，给项目勘测带来了很大的困难。为兼顾勘测效率，可采用总体规划与局部重点设计相结合的技术路线，其中，局部重点设计区域包括水土流失危害严重区域，以及弃渣场等易造成生命财产损失的重点区域。

卫星遥感影像结合无人机技术是实现水土保持措施设计精细化总体规划与局部重点设计相结合的重要技术途径。总体规划所需资料可通过购买卫星遥感影像获取，但卫星遥感影像时效一般滞后，设计要素和属性覆盖不全面，主要用于线型工程或是水土流失危害性较低区域。重点区域基础资料的全面和精确获取则依赖技术和方法的创新，全站仪等传统方法虽精度较高，但应对野外复杂环境存在作业难度大、周期长等问题。无人机技术能克服交通中断且有效避免勘测过程中的人员意外伤害，较方便获取项目区航片数据，更能依据较为成熟的软件对数据进行处理，得到项目区DOM、DEM以及三维模型，为项目设计提供全方位的数据支撑[6-8]。本研究重点是通过无人机技术实现对局部的重点设计。

3 无人机技术在水土保持措施设计精细化中的应用

3.1 无人机航片数据采集

在对目标区域进行航片采集前，应充分了解项目区总体布局情况[9]。在与建设单位充分沟通和现场勘测前提下，采用查阅项目设计图纸资料、卫星遥感影像与调查相结合的方法，复核项目重点勘测区域并确认，对重点区域数据进行精准采集，明确项目水土保持措施设计重点，提高数据处理效率。

在应用无人机进行野外作业时应参考《低空数字航空摄影测量外业规范》(CH/Z 3004—2010)以及《低空数字航空摄影规范》(CH/Z 3005—2010)，在规范标准下，结合项目自身特点，依据项目区范围和数字航片成果精度要求进行航线规划，包括设置飞行方向、飞行高度、相机角度、航向重叠率以及旁向重叠率等参数[10-11]。尽量在天气良好、光照充足的情况下进行航片数据采集，避免阴影面积过大，导致采集数据不准确，影响后期使用效果[12]。

为进一步提高航片后期处理的精度，在有条件的情况下，数据采集时合理布设控制点作为后期数据处理的校准点，能较大程度上提高数据精度。控制点要在航片上能够比较容易辨别，可以根据目标区域内不同的地形地貌特征、植被覆盖率及颜色特征、交通道路等条件，合理选择控制点的材料和颜色[13]。

3.2 利用航片获取项目区数字地形资料

在处理无人机数据前，要对航片数据进行筛选。对于一次飞行无法完成整个区域拍摄的情况，须将返回时拍摄的干扰航片进行剔除，同时还须剔除由于高空风速较大导致的拍摄姿态差的航片。少量航片的剔除在航向重叠率以及旁向重叠率达到精度要求的情况下，不会影响处理数据结果的精度。

航片数据筛选完成后，通过Pix4Dmapper、Agisoft Photoscan等软件对其进行处理，其中Agisoft Photoscan软件对航片的处理可分步完成，也能一次性批量处理。先导入筛选后的航片，通过对齐照片，建立密集点云，生成网格和建设平面模型，从而得到项目区的正射遥感影像DOM、数字高程模型DEM、三维模型等结果。

为进一步提高数据处理精度，在处理航片时添加控制点信息。根据在现场控制点获取信息的方法可将控制点分为人工标记和自然标记两种情况，当在拍照时放置了软件打印的人工标记时，系统可自动检测并标记，之后对标记点的实测数据进行导入。若控制点为航片自然标记，则需要手动在每个照片中找到控制点，并使用Marker进行标记，通过Import导入控制点实测经纬度、高程等数据。无人机航片获取及处理流程如图1所示。

图1 无人机航片获取及处理流程

3.3 项目区水土保持措施设计精细化

将项目区DEM数据导入ArcGIS中，在3D Analyst 模块下，利用Area and Volume 功能求出项目区的表面积和二维投影面积，两个的比值为该区域的地表粗糙度。在具有明显坡度区域进行水土保持措施设计时，项目区表面积能为措施工程量的精确设计提供依据，项目区二维投影面积能为项目区截排水措施设计中汇水面积的获取提供数据支撑，从而计算出截排水措施的截面设计规格。为进一步计算线型措施在有明显坡度区域的实际长度，可通过在ArcGIS中勾绘设计措施的矢量线，结合3D analyst工具，在Functional Surface中的Surface Length实现，使用Input Surface和Input Feature Class分别浏览到DEM数据和矢量的措施数据，通过查看属性，其中“长度”为水平投影上的措施长度，而“NewLength”则为设计措施的实际长度。

4 讨 论

随着监管力度的加强，水土保持设计单位和施工单位的责任进一步加大，对项目设计的精度提出了新的要求。随着技术的发展，应充分挖掘已有资料，不断通过技术创新和学科交叉提高生产建设项目水土保持措施设计的效率和质量，让设计切实落到实处。

4.1 水土保持措施设计精细化需深度挖掘已有资料

对于前期已勘测的情况，可通过地形CAD文件对项目区DEM进行获取。将CAD设计图纸中的等高线进行连续化处理，导出为shpfile或是database文件格式，通过3D Analyst中的Create Tin From Features功能，在Height source中选择Elevation字段，添加等高线高程等属性创建Tin文件，利用Tin to Raster将Tin转为Raster，将最终生成结果保存为DEM数据。等高线数字地形获取流程如图2所示。

图2 等高线数字地形获取流程

4.2 水土保持措施设计精细化需加强技术创新

水土保持措施设计精细化的基础是设计资料的准确性和全面性，而高精度、便捷以及时效性强的测量方法源于技术的创新。当前遥感技术迅速发展，为水土保持措施设计精细化提供了技术支撑，但同时也存在着局限性，如卫星遥感影像时间滞后、获取渠道有限，无人机电池技术限制勘测范围等，导致不能对复杂项目区进行全方位的勘测，急需技术创新，提高勘测效率、精度以及广度。

现阶段已有部分科研单位将地球物理探测技术运用到堆积体、滑坡以及弃渣场测量中，浅层地球物理探测技术具有安全、快速、经济和无损的特点，加之近年来地球物理探测方法在基础理论研究、仪器设备和信号采集处理器方面取得了长足进步，为其在工程勘测和设计精细化领域应用提供了可能[14-16]，可以作为后期研究的方向。

4.3 水土保持措施设计精细化需多维度获取信息

水土保持措施设计的指标，是通过参考多项数据确定的。在获取项目区地表信息的同时，需积极获取气象、水文等资料。水土保持措施设计的准确性不仅仅需要本行业的技术支撑，多维度的技术创新和数据指标质量的同步提升也是必不可少的，学科交叉必然成为水土保持措施设计精细化的重要发展方向。

5 结论和展望

水土保持措施设计精细化涉及植物学、工程力学、生态学等多个学科领域，需要多维度提高工程设计资料的精度和完整性，学科交叉必不可少。通过学科交叉推动技术应用创新，进而打破行业瓶颈，使资料维度全方位提升，可为水土保持措施设计精细化提供重要支撑。从水土保持措施设计角度来看，考虑到设计效率与实用性，应遵从总体规划和局部重点设计相结合的方法，为重点区域提供更为经济合理的措施设计。

本研究从水土保持措施设计精细化角度，结合无人机技术，对生产建设项目复杂地形扰动区域的投影面积和表面积获取方法进行研究，进一步提高了水土保持措施设计精度，从而保障了工程的安全性、可行性和经济性，下一步应就技术创新和跨学科应用领域开展更深入的研究，为水土保持措施设计精细化提供多维度的技术支撑。