小流域水土流失治理无人机技术应用研究_石先闯.pdf

2023 年第 2 期水利技术监督信息化DOI:10.3969/j.issn.1008-1305.2023.02.014小流域水土流失治理无人机技术应用研究石先闯1，王丽娜2(1.承德市水土保持科学研究所，河北 承德 067000;2.承德供水集团有限公司，河北 承德 067000)摘要:太行山、燕山山地丘陵地区是京津冀生态屏障和水源涵养区，水土流失预防和治理任务十分艰巨，无人机在小流域综合治理各阶段均可实施，能及时精准掌握水土流失规划治理情况，无人机飞行产生的数据通过专业软件进行拼接融合，形成正射影像图并在此基础上进行规划设计或者解译，以图斑为单元，在不同阶段布设或者解译水土保持措施，探索建立出水土流失无人机应用技术体系。该研究为无人机在河北省的水土保持工作中提供参考。关键词:无人机;小流域;措施布局;综合治理中图分类号:S157.1文献标识码:A文章编号:1008-1305(2023)02-0046-08收稿日期:2022-10-19作者简介:石先闯(1982 年)，男，工程师。E-mail:176848172 水土保持是国家生态文明建设的重要组成部分，也是水利部新时期改革发展的新要求1。河北省地处华北地区东北部，东临渤海，西倚太行山与山西相望，南接河南，北与内蒙接壤，东南和东北部分别毗邻山东省、辽宁省，中间环绕北京和天津市，全省国土面积 18.86 万 km2，水土流失面积4.71 万 km2，占全省土地总面积的 24.97%，以轻、中度侵蚀为主，轻、中度侵蚀面积占水土流失面积的 98.63%，水土流失面积较大的是张家口市和承德市，分别占全省水土流失面积的 31.83%、30.84%，主要集中在太行山、燕山山地丘陵地区，太行山、燕山山地丘陵地区是京津冀生态屏障和水源涵养区，还是革命老区、少数民族地区和贫困地区，水土流失预防和治理任务十分艰巨。太行山、燕山山地丘陵地区山陡林密，外业工作困难大，无人机可充分发挥其优势，在项目规划设计、施工、监理、监测、竣工验收阶段均可实施，大大提高效率，无人机在河北省的水土保持工作中具有广阔前景，本次以怀来县东沟小流域综合治理工程为研究对象。1区域概况怀来县国土总面积 1782.32km2，水土流失面积 593.91km2，占总面积的 33.3%，现有耕地面积222.18km2，约 70%为坡耕地，土壤侵蚀主要为水蚀，侵蚀强度主要为轻度侵蚀。水蚀主要分布在坡耕地和干旱阳坡，侵蚀形式表现为坡耕地的层状面蚀、沙粒化面蚀、细沟状面蚀、一级荒山阳坡的鳞片状面蚀和沟蚀，另有部分崩塌、滑坡等重力侵蚀。东沟小流域土地总面积 34.88km2，其中旱平地 351.51hm2，占土地总面积的 10.1%;坡耕地面积 151.27hm2，占土地总面积的 4.3%;荒草地1003.11hm2，占土地总面积的 29%;天然牧草地1049.34hm2，占土地总面积的 30%;灌木林地870.11hm2，占 土 地 总 面 积 的 25%;沟 道 面 积31.74hm2，占土地总面积的 0.9%，村镇及工矿用地 20.38hm2，占土地总面积的 0.6%;交通运输用地 10.67hm2，占土地总面积的 0.3%，占地类型组成见表 1。东沟小流域涉及王家楼乡长安岭、旧站堡、东庄子、于庄子、瓦房等 5 个行政村，7 个行政村位于永定河流域。东沟小流域现有水土流失面积 1195.13hm2，占总面积 35%，侵蚀形式以水蚀为主，重力侵蚀、风 力 侵 蚀 与 之 相 伴 发 生，轻 度 侵 蚀 有667hm2，中度 侵 蚀 有 376.74hm2，强 度 侵 蚀 有151.39hm2，工程区平均土壤侵蚀模数达 1348t/(km2 a)，年流失量达到 1.61 万 t。水土流失面积及水土流失量见表 2。64信息化水利技术监督2023 年第 2 期表 1占地类型组成小流域名称土地总面积/hm2占地类型及比例旱平地/hm2比例/%坡耕地/hm2比例/%荒草地/hm2比例/%天然牧草地/hm2比例/%灌木林地/hm2比例/%沟道/hm2比例/%村镇及工矿用地/hm2比例/%交通运输用地/hm2比例/%东沟小流域3488.13351.5110.1151.274.31003.11291049.3430870.112531.740.920.380.610.670.3表 2水土流失面积及水土流失量小流域名称水土流失总面积/hm2水土流失面积轻度/hm2比例/%中度/hm2比例/%强度/hm2比例/%侵蚀模数/(t km2 a1)侵蚀量/万 t东沟小流域1195.1366755.81376.7431.52151.3912.6713481.612技术路线2.1影像获取手动设置飞行范围，选择多边形，调整飞行参数进行航线规划，保障正射。当规划路线上传成功后，无人机开始执行飞行任务，按设置的拍照模式拍摄，并实时传回拍摄快视图，完成原始遥感影像数据获取2。完成 飞 行 任 务 后 导 出 数 据，利 用 软 件Pix4Dmapper 对获取的原始数据进行自动化处理快速拼接，该软件的操作流程简便，建立测区后导入 POS 数据默认 WGS84 坐标、照片、控制点即可自动生成并给出质量报告。图像范围、重叠度、色彩等可通过质量报告查看是否满足要求，是否存在漏拍、图像质量等问题，如有问题应当场进行补拍。遥测作业时，对天气有一定要求，最好晴朗无云，无风3。所有相片都应匹配对齐，即 Dataset(数据集)应满足 100%;为保障照片不失焦，Camera optimization quality(相机参数优化质量)应不超过 5%，即无人机飞行作业完毕后，关闭无人机电源，将无人机放到飞行箱内，再进行实物记录。对于研究区，还应使用照相机实地拍摄，记录拍摄点水土保持措施的地理坐标、时间等要素，完毕后及时进行内业处理，分类归档保存。2.2影像处理无人机数据处理软 件 主 要 有:PhotoMetric、Pix4D mapper、PhotoScan、CC 等，考虑到出图质量对后期解译标志判定的巨大影响，选择 Pix4Dmapper 软件进行内业处理。Pix4Dmapper 软件由瑞士 Pix4D 公司研发，是一款集全自动、快速、专业精度为一体的无人机数据和航空影像数据处理软件，自动生成精度报告，可以快速和正确地评估结果的质量，显示处理完成的百分比，以及正射镶嵌和 DEM 的预览结果，提供了详细的、定量化的自动空域网平差和地面控制点的精度4。本研究主要通过 Pix4D mapper 对无人机拍摄的基本图像进行拼接融合，可快速获得清晰的正射图像，质量报告通过初步处理后，图像拼接工作随之展开，生成稀疏点云，在此基础上加密生成密集点云，紧接着进行纹理渲染，而后建立 DEM 生成正射影像图5。无人机正射影像质量要求如下:影像空间分辨率应优于 0.2m;影像清晰，层次丰富，反差适中，色调柔和;能辨认出与地面空间分辨率相适应的水土保持措施和土地利用类型;影像上不能有云、云影、烟、大面积反光和污点等缺陷;拼接影像应无明显模糊、重影和错位现象。项目前期阶段，在正射影像图上进行精细化设计，如边界的确定，面积的测量、措施的定位布设等，实现“设计工作精细化”;在项目管理、验收及评估阶段，将正射影像图导入 Arc GIS 中，正射图像格式应为 TIF 栅格格式，导入后自动生成瓦块地图，图像清晰可以作为水土保持措施标志解译的判别依据6。3实施方法3.1措施布设及实施方案编制水土保持综合治理设计利用无人机技术辅助，调查范围可扩大到人力调研无法到达区域，利用无人机空中优势，快速掌握项目区河流湖泊、耕地、林草资源等土地利用类型的分布、地貌形态、植被覆盖以及水土流失现状等信息。通过成像系统，形742023 年第 2 期水利技术监督信息化成连续影像遥感资料、大比例地形图，补充和完善项目区基础资料，有效增强水土保持规划设计的针对性、预见性和前瞻性，提高水土保持措施的精准度、可靠性和持续性。东沟小流域确定建设内容包括:水平梯田104hm2，铺设节水管道 10200m，蓄水池 5 座，施工道路 6km，铅丝笼谷坊 5 道。栽植榛子和海棠98hm2，栽植水保林 98hm2，封禁治理 700hm2。3.2治理措施核查借助无人机空中优势和成像优势，对水土流失防治措施、防治效果各项指标一一进行检查核验。对于点状、现状工程大跨度的调查工作，应用无人机低空飞行和成像设备采集数据，能够快速获取工程位置、规模等基础数据，大大提高工作效率，缩短核查时间，同时使核查结果更加客观、准确、可靠，更具说服力。核查工作重点是图斑的实施进度。首先从“全国水土保持信息管理系统”中下载数据，包括项目区实施方案、工程进度文本信息和措施布局图矢量文件，选取拟核查措施图斑，如生产道路、坡面截流工程等。其次，项目区现场核查工作利用无人机和移动终端等工具，主要采集核查图斑正射影像，核查图斑现场照片，核查工作视频等内容，基于现场实际情况填写核查信息表。然后，进行抽查措施图斑矢量化工作，根据无人机影像特征，以先验知识、解译标志、设计图斑属性以及现场调研结果作为参考，人工勾绘项目区核查阶段水土保持措施现状图斑，计算每个核查措施图斑规模，填写核查信息表。见表 34。3.3治理措施验收以“全国水土保持信息管理系统”为基础，应用移动终端、遥感技术及无人机航拍等手段对各项措施选取一定比例进行现场复核。重点核实抽查图斑的措施类型与措施布局图(或措施变更图)、竣工验收图描述是否一致，措施数量是否属实，措施质量是否合格等。前期准备工作与在建工程相似，现场抽查信息采集项目区现场核查工作应利用无人机和移动终端等工具，主要采集核查图斑正射影像，在项目区现场利用无人机低空航摄照片，利用无人机航拍照片拼接技术，获取核查图斑的正射影像数据(无人机影像)。与在建工程不同的是，竣工验收抽查信息表 3水土保持措施计划应该完成工程量、实际完成工程量及对比情况项目水平梯田/hm2施工道路/km蓄水池/座节水管道/m铅丝石笼谷坊/道乔木林/hm2混交林/hm2经济林/hm2封禁治理/hm2标志碑/座规划设计量104651020057622987004计划应该完成量31.21.823300222.86.629.42102实际已完成量35.52.523500221.56.428.82002计划应该完成量/规划设计量30.0030.004032.354030.0030.0030.0030.0050实际已完成量/规划设计量34.1341.674034.314028.2929.0929.3928.5750实际已完成量/计划应该完成量1.141.391.001.061.000.940.970.980.951表 4东沟小流域治理工程现场调查信息表项目省:河北省项目县:怀来县实施年度:2016 年项目区:东沟小流域调查时间:2016 年 4 月 15 日措施名称是否按照设计措施执行质量是否合格单位调查图斑编号计划措施总完成量计划措施应该完成量实际措施已完成量结果水平梯田 是否 是 否hm22 51010102 71313133 8338.212.54 59004 821005 71800进度提前84信息化水利技术监督2023 年第 2 期(续表)项目省:河北省项目县:怀来县实施年度:2016 年项目区:东沟小流域调查时间:2016 年 4 月 15 日措施名称是否按照设计措施执行质量是否合格单位调查图斑编号计划措施总完成量计划措施应该完成量实际措施已完成量结果节水管道 是否 是否m1 23003003002 51000100010002 65005005002 71000100010002 105005005003 1100002003 7700003 8500003 91000003 101000004 3300004 5300004 7300004 8300004 9200005 6800005 750000进度提前蓄水池 是否 是 否座3 82223 101004 51004 8100和计划进度一