无人机低空遥感技术结合GIS技术在生产建设项目水土保持监测中的应用探究

林汉常

（梧州市锦海水土保持设计有限公司，广西 梧州 543000）

无人机低空遥感技术在水土保持监测中的应用中，主要是利用无人机航拍获取项目区原始图像，并通过图形处理软件对原始图像进行重新建模和拼接，获取项目区包含空间信息的完整高清正射影像以及数字高程模型（DEM），然后通过GIS软件对正射影像和高程模型（DEM）进行分析解译，获取重要的水土保持监测数据。

1.无人机低空遥感技术和GIS技术的概述及优点

无人机低空遥感技术即利用先进的无人驾驶飞行器技术、遥感传感器技术、遥测遥控技术、通讯技术、GPS差分定位技术和遥感应用技术，能够实现自动化、智能化、专用化快速获取国土资源、自然环境、地震灾区等空间遥感信息，且完成遥感数据处理、建模和应用分析的应用技术。

GIS技术是一种多种学科交叉的产物，它以地理空间为基础，采用地理模型分析方法，实时提供多种空间和动态的地理信息，是一种为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。

利用上述技术，可将整个项目区在计算机上精细化展示，并利用GIS软件进行精确解译，能极大减少外业工作量，提高监测工作的效率和数据准确性。

当前，国内开展工程调查的方法主要包括实地量测、地面观测和资料分析监测，其虽然使用简单和方便，但实际应用中也存在工作效率低、精度低、监测进度滞后等问题。最近几年，基于卫星影像遥感调查技术的地面观测技术不断得到发展，但卫星遥感影响获取质量容易受到卫星运行轨道、天气等因素的影响，难以保证自动化和智能化效果，使用存在一定的局限性。与一般性的地面观测方法和遥感影像技术相比，无人机遥感技术具有使用精度高、实时性强的优点，在水土保持监测中的应用不断增加。越来越多的学者将无人机遥感技术应用到水土保持监测和监管工作中，并在相关软件的支持下，能够实现影像的快速拼接，更加精确形成各种正射影像和地形数据，得到水土保持监管相关数据指标，并最终形成动态监测结果，更加有效解决水土保持中的信息采集难题，实现对各种监管数据的自动、快速和高精度处理。

2.技术要点

2.1 无人机选用

在选用无人机设备过程中，需要充分结合水土保持监测项目需求，设备所获得的遥感影像应满足高分辨率和高精度空间信息两个条件。从经济适用的角度，笔者推荐使用大疆精灵4RTK无人机，此款无人机面向低空摄影测量应用，小型便携，具备规划航线自动航拍功能高性能成像系统，集成RTK 模块，提供实时厘米级定位数据，能满足大部分开发建设项目水土保持监测工作的需求。

2.2 获取原始影像（以大疆精灵4rtk为例）

精灵4rtk具有规划航线自动航拍功能，可实现自动化获取项目区原始影像。无人机航拍获取原始图像时注意事项如下。

2.2.1 飞行高度：无人机的飞行高度为飞行位置相对于起飞地点的相对高度，精灵4rtk的最大飞行高度为500m，在水土保持监测工作中，需要根据项目区的情况选取适当的飞行高度，一般情况要超过测区地物的高度并预留安全高度，兼顾成像质量和航拍工作效率的需要，一般飞行高度设置在200m左右。

2.2.2 照片重叠率：通常情况下，无人机在航拍高度工作时，航拍的单张影像不能涵盖整个项目区，需要连续航拍多张具备一定重叠率的照片。一般情况下，照片重叠率越高，重建产生的影像质量越高，但航拍耗时相应会增加，照片数据量也会增大，根据笔者工作经验，航向重叠率和旁向重叠率分别为60%以上时，能重建形成质量较好的影像。

2.2.3 云台角度：为获取项目区的正射影像时，通常将云台角度设置为-90度，即拍摄镜头竖直向下。一般情况下，采用-90度云台拍摄获取的原始图像，能满足水土保持监测工作的需要。当需要对堆渣体重建更精确的三维模型时，可采用倾斜摄影方式对对渣体进行单独航拍。

2.3 影像拼接

外业获取了项目区原始影像后，需要将其拼接起来形成完整的包含空间信息的项目区范围正射影像和DEM成果。影像拼接工作通过专业软件完成，常用的图形拼接软件有pix4d、global mapper、photoscan、大疆智图等。笔者推荐采用大疆智图，该软件操作简单，导入原始影像后可一键完成拼图，工作效率和成像质量都较高。影像拼接完成后可导出的成果主要有正射影像、数字高程模型（DEM）、三维模型。

2.4 影像解译

无人机低空遥感形成的影像，需要配合使用GIS软件进行分析数据。GIS软件有ArcGIS、MapGIS、supermap等。笔者以ArcGIS应用为例进行数据分析解译。在导入影像资料前，设置好数据框坐标系，通常设置为高斯-克吕格投影2000国家大地坐标系（3°带），带号或中央子午线按照项目区所在位置情况选择。将正射影像、数字高程模型等导入软件后，即可进行监测数据提取工作。

2.4.1 扰动面积提取。建立面要素图层后，采用目视手动勾绘，沿项目扰动范围边沿进行勾绘各扰动图斑，在图层属性中查看图斑面积。通过与项目防治范围、往期扰动范围的矢量图叠加分析，可得到扰动范围与方案防治责任范围的关系情况、各期面积扰动变化情况，判断是否超出方案防治责任范围以及是否达到水土保持方案重大变更情况，判断是否在规定位置进行取土、堆渣等。

2.4.2 水土保持措施数量提取。建立点、线、面要素图层后，采用目视手动勾绘，可分别勾绘出项目区的沉砂池、排水沟、挡墙、植物措施等水土保持措施，通过图层属性，可查看个数、投影长度、投影面积等水土保持措施数量数据。

2.4.3 取土量和弃渣量提取。3D分析工具的栅格表面分析工具，通过不同时期的数字高程模型，可分析出特定区域的体积变化情况，可应用于取土场的取土量、弃渣场的弃渣量监测。通过数字高程模型，还可以提取取土边坡和堆渣坡度、高度等数据，辅助判断是否按规定坡度取土和堆渣等等。

2.4.4 植被郁闭度和盖度提取。在监测结果精度要求不高的情况下，可采用目估法对遥感影像目测确定植物措施片区的植被盖度和郁闭度。如需获得更准确的植被盖度和郁闭度，可在argis中计算归一化植被指数ndvi，配合其他软件（如ENVI、ERDAS）计算植被盖度和郁闭度。

2.4.5 水土流失量监测。按照生产建设项目土壤流失量测算导则（SL 773-2018）进行水土流失量监测，利用三维模型以及arcgis中测量工具，可提取大量水土流失量计算要素。其中长度、宽度、坡度、植被类型、郁闭度、覆盖度面积、水土保持措施、上方汇水面积等要素信息可在三维模型和arcgis中读取和测量。通过地面调查等方法获取其他要素信息后，可进行计算单元的水土流失量计算。

2.4.6 水土流失危害监测。通过高清的遥感影像及三维模型的视角，更易于调查发生于项目区及周边区域的水土流失危害情况，包括发生区域、面积、程度等。

3.技术实际应用及应用中存在的技术缺点

在各种生产建设项目当中，水土保持工作主要包括：建设前期水土保持方案的编制、建设期水土保持监测及各种措施落实情况、竣工阶段水土保持技术评估和相关行政验收工作。

建设前期水土保持方案的制定。通过开展工程建设项目的方案编制和审查工作，可以将无人机直接应用到现场勘察作业中，从而全面了解建设项目情况，其中会涉及到敏感区域自身的环境特征，从而有效减少各种外业工作，保证各种勘察工作开展效果。通过将无人机遥感技术应用到公路、铁路、管道工程等长距离线状工程中，可以掌握项目短时间内穿越区域植被、水系和水土流失的基本情况，然后在此基础上合理规划项目建设责任范围，能够合理开展水土保持分区和水土保持防治措施布局工作。相关管理部门可以根据无人机影像和地形模型等资料，来合理确定土场和渣场的具体位置，对当前水土流失量进行预测，并在该基础上完成水土保持措施设计工作，更好判断水土流失基本措施的合理性和有效性。

工程建设期间水土保持监测工作。在工程建设过程中，通过对无人机的应用，可以对水土保持方案落实情况进行监测，掌握工程开展情况、施工便道扰动土地利用情况、水土保持具体措施等。通过对人机交互图斑方式来提取扰动土地、取土弃土场、土壤流失、水保措施等基本情况。通过叠加不同时期取土场放量，来周期性掌握地表变化情况。此外，还可以直接利用DSM来提取植被的覆盖度、土地利用类型，然后结合设计降雨量来计算土壤侵蚀强度和水土流失量，掌握当前工程水土保持情况、植物措施和各种临时防治措施。通过合理使用无人机航拍技术，测量水土保持工程建设项目各种技术指标数据，来全面、及时了解当前水土保持基本情况，掌握水土流失时空分布和动态变化情况，加强对环境污染控制，为开展现场监管取证工作提供各种必要的依据。进一步提升定性和半定量监理、监测效果，能够更加有效反映出当前水土流失基本情况，为开展水土保持工程项目资料查询、管理和决策提供必要的依据。

竣工阶段水土保持验收评估。在开展水土保持工程竣工验收过程中，可以直接利用无人机全角度监测项目对环境造成的实际情况，直接在地理信息系统中勾画出来相关工程范围、土地整治率、水土流失总治理度、林草覆盖率等水土保持落实基本情况和效果，对水土保持措施应用情况进行评估，然后通过相关影像来发现各种隐蔽区域和容易忽视的区域，进一步掌握这些区域位置、规模和实际影响情况，督促相关方在开展竣工验收工作前及时采取措施进行解决，保证验收工程开展效果。

案例分析。公路、铁路等工程水土流失范围相对广泛，对周围环境容易造成较大程度的影响，区域发生水土流失类型和形式相对复杂，其开展水土保持工作的重点是施工扰动情况，如施工便道、取土场和水土保持实施情况等。如果使用传统的监测方法，容易出现监测误差大、费用使用多、工作效率低的特点，一旦在时间上存在较大的局限性，容易导致发生严重的水土流失危害问题。通过对无人机遥感技术的合理使用，可以在较短时间内完成各种遥感影像信息的提取，更加及时、准确反映水土流失和水土保持的基本情况，满足定期监测开展基本要求。通过在重庆到万州铁路工程中引入无人机监测技术，可以直接利用pix4UAV软件来形成路两侧1公里内环境正射影像，对目标区域的工程进展、水土保持监测位置、数量和施工进度情况进行监测，并使用Global mapper 15软件来直接提取出其中的水土保持措施、建设占地、扰动地表面积、植被类型，然后在此基础上计算得到挖方量、弃土量、当墙工程量、截排水工程量，能够更加及时、准确反应工程施工中的水土流失情况，为相关部门开展工作，创造良好的条件。

无人机的单次飞行电池续航时间较短（大疆精灵4rtk为20-25分钟），受限于续航时间，无人机低空遥感技术较适合使用于小型点型项目的全域拍摄，对线路较长的线型项目和面积较大的园区类型项目较难进行全域拍摄，但仍然可用于对典型区域和重点区域进行航拍和监测。在牺牲一定分辨率的情况下，仍然可以采取提高飞行高度和区域分割拍摄的办法对较大面积的园区类项目进行全域拍摄。在实际工作中，应对航拍工作量较大的项目区，需要配备多块无人机电池，或配备充电设施进行充电，对电池循环使用。

4.问题与对策

当前，无人机遥感技术在生产建设项目水土保持监测中的应用还存在较多的不足，还需要在相关方面工作中投入更多的力气进行研究和改进，将无人机“空天地一体化”优势充分发挥出来，并能够与地面监测技术与卫星遥感技术结合进行使用，为开展水土保持服务提供更加全面的服务。无人机遥感系统在水土保持监测中应用还没有形成完善的技术路线和技术规范。当前，无人机遥感技术在水土保持中的应用还处于不断探索的阶段，还需要深入开展各种水土保持试验示范区建设，制定出相应的技术规范和标准，让其不断朝着系列化和标准化的方向发展，从而形成一套完整的行业标准。

当前，在无人机使用过程中，其还是容易受到载荷和空间限制，在水土保持应用中还需要大量依靠可见光波段传感器，为了能够有效满足水土保持和生态环境影响评价的相关要求，其可以直接使用红外、高光谱传感器等，让其在水源保护区水土及植被保护中充分发挥自身的作用。通过对光谱成像仪的使用，可以更加全面对水环境质量和植物生态环境动态演化情况进行监测，从而对生产建设对生态环境影响进行评价。另外，在无人机当中会搭载使用各种环境监测设备，其可以在各种监测项目中进行使用，并以环境监测因子全系列发展作为基本的目标，需要研制出专门的水、气、生态无人机采样平台，特别是各种重量轻、体积小、抗震性好的各种设备，对近地和低空环境开展采样分析工作，为各种常规监测方法应用提供各种必要的补充，能够更加高效和实时开展水环境因子监测工作。

5.结语

综上所述，无人机低空遥感技术结合GIS技术可有效利用于开发建设项目水土保持监测工作，特别是点型项目，可极大减少监测外业工作量，同时提高监测精度。通过选取适合的无人机，掌握正确的航拍方法，熟练使用图形处理软件，并熟练使用GIS软件中的数据解译方法提取数据，可实现无人机低空遥感技术结合GIS技术在开发建设项目水土保持监测中的应用。