水土保持监测中小型无人机技术与地理信息系统运用研究

王行斌，李霂涵

（贵阳市水利水电勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550001）

1 小型无人机工作任务特点

1.1 数据收集精确

小型无人机遥感技术在水土保持监测工作中主要的任务是外业数据收集，随着无人机技术的发展与更新，其功能性也越来越多元化。目前无人机在作业中可通过内设的RTK 对项目区域进行精确定位，能够精确的收集项目区域数据。通过自带的高清摄像头，对地物进行高清拍摄，拍摄精度可通过作业高度调整。为使获取数据质量及合格率更高，在无人机作业时，可增加航线的重复率，一般情况下航线重复率达到60%为佳。

1.2 灵活高效

传统的卫星和航测飞机，受天气和周期的影响较大，能用到的遥感图片较少，而且航片费用较高，在水保监测实践中很难作为可依靠的技术。小型无人机灵活与高效并且成本低，可针对具体项目开展航测作业，并在作业软件的加持下，使无人机外业作业更方便，通过对项目区航线的规划，能够多角度，多方位的对项目区数据进行收集，与传统的数据收集对比，有更高的效率。且小型无人机外业不受复杂和困难地形条件的影响，对环境气候等要求低，除限飞区以外，基本可做到全天候和全地况作业。

1.3 数据收集成果内容全面

无人机在执行任务时，会将规划航线内的正摄照片、坐标系统、地貌信息、高程信息以及地物信息收集起来，正摄的高清影响数据可直观的反应任务区域的现状，高程、坐标等信息作为地理信息系统数据处理的基础。这些基础信息，可在无人机一次飞行任务中全部收集。

2 地理信息系统数据处理

2.1 Pix4Dmapper基础数据处理

无人机收集的原始数据主要包括影像数据、POS数据以及控制点信息。通过Pix4Dmapper 软件进行处理，处理步骤如下：①确认数据的完整性，检查通过无人机获取的影像质量，同时查看坐标数据文件与航带的吻合性。②建立工程并导入数据，设置数据坐标系。这一步主要是输出的数据设置为需要的坐标系统。③快速处理及检查，由于处理的数据量大，时间长，为保证最终的数据质量，需先进行快速处理和检查，快速处理完成后会形成质量报告，质量报告主要检查数据集。数据集是处理过程中所有影像的匹配程度，需要确定大部分或者所有的影像都进行了匹配，才能保证正摄影像图的质量。④数字表面模型及正摄影像的生成，最后通过合成瓦片，生产一个融合的文件，以及对影像数据的拼接得到最终的正摄影像数据和DEM数据。

2.2 Arcgis数据处理与分析

在得到项目区的正摄影像与DEM 数据后，通过Arcgis 软件，对影像进行进一步的处理与分析，处理步骤如下：①通过数据管理工具，进一步将DEM数据进行分级，得到项目区的高程分级数据。②通过3D分析工具，对高程模型进行坡度分级，提取项目区的坡度信息。③项目区土地利用情况，通过监督分类法对影像图进行处理，提取地类信息。④将以上指标进行量化处理后，根据项目区的自然条件、社会条件等各方面相关资料，并与专家交流，反复论证，将评价指标进行定量化处理，并对其进行分级。再根据项目区土地土壤调查报告，采用等级赋分法对水土流失因子进行赋分，将水土流失分为5 个等分值赋为20、40、60、80、100。最优条件取100，最恶劣取20，其余条件的作用分值根据它对水土流失的影响程度给定，最后通过空间分析模块对各区的水土流失因子进行叠加分析，可得到项目区的水土流失强度数据。叠加分析可根据实际情况增加影响水土流失的因子。

通过对项目不同工期的监测数据对比，可对该项目的水土流失情况，水土保持措施实施情况进行监测的动态分析。

3 监测应用实例分析

3.1 水土保持防治分区

以某水库监测为例，该水库水土流失防治责任范围分区为大坝枢纽工程区、料场区、施工区、道路区和供水管线区，通过无人机及地理信息系统结合处理后，直观反应了项目实施的现状情况以及各分区的占地面积情况。根据项目区航拍正摄影像图，可知，截止当年第四季度，大坝枢纽区面积为4.67 hm2，料场区面积为4.76 hm2，施工区面积为1.61 hm2，附属系统区0.50 hm2，交通道路区面积为9.26 hm2，专项设施改建区4.98 hm2，供水灌溉渠系区6.56 hm2，见图1。

图1 项目区水土流失防治分区图

对比当年第三季度监测数据情况得知，枢纽工程、料场区、施工生产生活区、交通道路区域目前已基本建设完成，占地面积无变化，供水灌溉区正在开挖施工，第四季度新增的扰动面积主要为管线施工新增的占地0.24 hm2。

3.2 项目区土地利用现状

通过对第四季度项目区正摄影像的解译分析，得到该水库项目的四季度土地利用现状情况，项目主要占地类型为林地、草地、旱地和水库建设用地。土地利用现状中的占地，为水土保持方案中的总占地。在施工过程中，截至本季度管线工程与专项工程正在建设中，建设用地会动态增加，见图2。

图2 项目区土地利用现状图

通过与上季度数据对比得知，截止第四季度，水源区建设用地面积为28.81 hm2，林地面积为0.96 hm2。草地面积为0.81 hm2，水域0.63 hm2。水源建设区占地类型无变化，主要为输水工程区建设用地增加了0.24 hm2。

3.3 水土流失强度分析

通过对该项目水土流失因子的叠加分析，得到水土流失现状数据，截至第四季度，项目区水土流失为微度的面积为6.07 hm2，水土流失为轻度的面积为6.24 hm，水土流失为中度的面积为13.74 hm2，水土流失为强烈的面积为6.29 hm2，见图3。

图3 项目区水土流失现状图

结合上季度的数据分析，该水库水土流失主要集中在料场区与道路区，与上季度相比中度流失面积减少了2.59 hm2，强烈流失面积减少了1.56 hm2，主要因为部分路面及建设用地硬化已完成，完成部分植物措施，道路部分边坡植被已恢复。

3.4 水土保持防治效果监测

截至当年第4季度，水库大坝全断面填筑至1 052 m高程，下游护坡预制块全部铺装完成，面板全部浇筑完成，止水全部安装完成。施工场地及施工营地已经建设完成，施工场地局部区域进行了硬化，施工营地内部进行了硬化和绿化。进场道路及内部施工链接道路已经建设完成并投入使用，进场道路修建了简易排水边沟；场内道路修建了截排水措施，路面已硬化。专项设施改建区目前正在建设复建道路，已完成路基和边坡开挖，路面进行了简单的硬化，部分区域已经修筑截排水沟。

该水库项目本季度落实了方案布设的部分水土保持措施，现状水土保持措施在一定程度上可有效防止项目区的水土流失，起到了水土保持作用；但水土保持防治措施不够全面，主要问题为料场区正在进行开采，料场开挖面较大，大量边坡裸露在外，下一季度工作重点主要是料场开采工过程中的水土流失问题、水土保持工程措施的落实情况。

4 结语

水土保持监测在开发建设项目中是比较重要的基础性工作，开展好水土保持监测工作，对工程建设有着重大的意义。如今，在科技不断的创新和发展下，小型无人机技术得到了充分的利用，通过与地理信息技术的结合运用，能够更加高效的开展水土保持监测，能够及时掌握工程建设中的水土流失状况，为水土保持监测工作提供了更大的空间。