無人機遙感技術在水土保持中的應用探討
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摘要 水土保持是生態文明建設的重要組成部分，傳統水土保持工作方法已不能滿足新時代水土保持的需求。無人機遙感技術解決了傳統水土保持工作中“看不了、看不全、效率低、精度差”等問題。本文總結了無人機遙感技術在水土保持方案編制、動態監測、監管、規劃、驗收評估等方面的具體應用，論述了該項技術在水土保持領域的重要性和發展前景。
關鍵詞 無人機;遙感技術;水土保持;發展前景
中圖分類號 S157 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2019）10-0170-03
Abstract Soil and water conservation is an important part of ecological civilization construction.The methods of traditional soil and water conservation can not meet the needs of the new era.Unmanned aerial vehicle remote sensing solves the problems of "invisibility，incompleteness，low efficiency and poor accuracy" in traditional soil and water conservation work.The applications in programme preparation，dynamic monitoring，supervision，planning，facility assessment and acceptance of soil and water conservation were summarized in this paper.The importance and development prospects of this technology in the field of soil and water conservation were also discussed.
Key words unmanned aerial vehicle;remote sensing;soil and water conservation;prospect
無人駕駛飛機簡稱無人機（UAV），是一種有動力、可控制、能攜帶多種任務設備、執行多種任務，并能重復使用的無人駕駛航空器[1]。無人機與遙感技術的結合，即無人機遙感技術（UAV-RS），是利用先進的無人駕駛飛行器技術、遙感傳感器技術和遙感應用技術等，實現快速獲取空間遙感信息，并完成遙感數據采集、處理和分析的應用技術[1-2]。
水土資源是人類賴以生存的基礎性資源。水土流失是我國重大的環境問題，嚴重的水土流失導致了各種嚴重的生態環境問題。
為了保護水土資源，必須加強水土保持工作。水土保持是發展的生命線，是生態文明建設的重要組成部分。由于水土流失的成因復雜、差異性明顯，很難掌握不同區域水土流失變化規律，特別是開發建設項目引起的水土流失，導致水土保持工作的任務十分艱巨[3]。
隨著航天航空技術的快速發展，高分衛星遙感影像為近幾年來水土保持工作提供了重要的技術支撐。無人機遙感技術因其能很好地彌補衛星遙感的不足，而在水土保持工作中發揮了重要作用。特別是啟動了生產建設項目水土保持“天地一體化”監管示范、國家水土保持重點治理工程“圖斑精細化”管理示范以來，無人機遙感技術已被應用到水土保持工作的各個方面。無人機技術打開了水土保持工作的“天眼”，將水土保持工作推向更高的發展層次[4]。筆者梳理了UAV-RS技術在水土保持領域的具體應用現狀，分析了該技術在水土保持中存在的問題，展望了該技術在水土保持中的發展前景。
1 UAV-RS的組成與優點
無人機遙感系統主要由飛行器平臺、控制站、通信鏈路、遙感監測平臺、實時監控平臺、地面保障系統（含發射系統）、動態遙感監測決策支持系統和后期數據處理系統組成。無人機遙感系統最重要的飛行器平臺由航空器平臺、動力裝置、導航飛控系統、電氣系統、任務設備等組成?？刂普就ǔＳ蓴祿溌房刂?、飛行控制、載荷控制、載荷數據處理構成。通信鏈路由指揮與控制、空中交通管制、感知和規避3種鏈路組成。
無人機遙感技術具有自動化、智能化、成本低、風險小、移動性能高、高時效性、高分辨率、大比例尺、云層下成像等優點[2-5]，其獲取的數據正逐步成為衛星遙感和地面遙感的有效補充手段而被廣泛應用。
2 UAV-RS在水土保持中的應用
2.1 水土保持方案編制
隨著國家改革向縱深推進，水土保持方案的編制進入了一個新的歷史階段，對項目區概況介紹、措施布設和取土場、棄渣場選址的合理性等方面的要求更高。因此，方案編制前期的現場調查、踏勘等工作非常重要。傳統的現場調查主要是依據打印現狀地形圖和主體工程平面布置圖，用數碼相機、筆記本和測量工具進行現場踏勘，這種方法工作量大、數據獲取難、主觀性強。UAV-RS技術應用到水土保持方案編制現場踏勘中，編制人員可以通過無人機遙感影像和解譯數據，在短時間內準確掌握建設項目區概況，確定項目按建設區的水土流失的防治責任范圍，科學地設置水土保持分區、合理地布設水土保持防治工程措施、植物措施和臨時措施。通過無人機遙感數據和三維軟件建模，制作出項目區地形圖和三維地圖，依據方案編制中的限制性規定，確定項目取土場、棄土場和棄渣場等的位置，完成主體工程評價和水土保持防治措施的設計，最終達到恢復地貌的水土保持功能[5]。 2.2 水土保持監測
水土保持監測是水土保持工作的重要組成部分，是預防和治理水土流失的重要基礎[6]。然而，傳統的監測方法有調查監測、地面觀測和巡查監測三大類，以人工調查方式為主。通過現場查看，利用簡單的測量和定位工具進行測量，結合相關資料進行估測，受人為干預較大，特殊、復雜區域數據難以獲得等原因，造成水土保持監測“到不了、看不全、效率低、精度差”等問題[7-8]，無法滿足新時代水土保持信息化發展的監測精準性、時效性和完整性要求。
航天科技的快速發展，使衛星遙感技術應用到水土保持監測中，并解決了傳統監測方法存在的一些缺陷[9-10]。但是，由于衛星遙感的周期性、監測精度低、同譜異物、存在云層遮擋等問題，影響水土保持監測工作的精準化和信息化發展，特別是生產建設項目引起的水土流失監測。無人機遙感技術能快速獲取特定時間的高精度數據，很好地解決了衛星影像存在的問題，并且能依據不同的監測需求提供特定的服務[11]。無人機遙感與地理信息系統技術的充分結合，形成了一個集監測、分析、處理于一體的數據信息系統，不僅為水土流失防治提供了重要的技術支撐，而且還有助于推進新時代水土保持信息化快速發展。
無人機遙感通過對項目區進行航拍，獲得測定范圍內的遙感影像、地形圖、DOM、DEM等數據，依據項目區建立的解譯標志，對遙感影像進行融合和解譯，進而提取出防治責任范圍、水土流失面積、棄渣量、水土保持各項措施等各項監測指標的信息。目前，研究人員對該技術在各種不同的水土保持監測項目中的應用進行了探究，發現該技術比傳統人工監測效率提高了3～5倍[12]，具有精度較高、實時性好、成本低、全面性等優點[8]。將UAV-RS技術應用到水土保持監測中，能及時、準確、全面地動態反映水土流失與防治情況。
2.3 水土保持監管
新時代的水土保持監管要求加強事中事后監督管理，實現全方位、全過程、立體化的高效、精準監管[13-14]。傳統的水土保持監管以抽查和現場巡查為主，通過水土保持監測單位提供的工程圖紙、施工總結、其他數據等材料判斷水土保持設施設計的合理性、水土保持措施的落實情況、水土流失治理的效果等，無法真正對已批復的項目進行實時、高效、準確的監控與管理[15]。
UAV-RS技術應用到水土保持監管工作中，不僅改進了監管手段，提高了監管效率，而且憑借其時效性強、精度高、全方位視角等優勢，使監管部門能夠較好地掌握水土流失動態和靜態情況，對水土保持工程實施情況和效益進行評價，實現了對生產項目水土保持整個過程的全方位、實時、高精度監督與管理，從而解決一直以來水土保持監管難的問題。
目前，隨著水土保持信息化的快速建設，UAV-RS技術已經在生產建設項目水土保持“天地一體化”監管、國家水土保持重點治理工程“圖斑化”精細管理過程中提供了真實精確的基礎數據和重要技術支撐[16-17]。UAV-RS技術獲得高精度遙感影像后，依據建立的解譯標志，采用人機交互解譯方法，獲得項目建設擾動地表面積、棄土場、棄渣場、水土流失面積、水土保持措施數量等各種相關指標信息，進行對比分析，快速評價水土保持情況[17-18]。借助UAV-RS技術，能夠實現對水土保持防治的全方位、實時監管，保證了執法的準確性和高效性。
2.4 水土保持施驗收評估
水土保持設施驗收評估指的是對建設項目的水土保持設施是否符合設計要求、施工質量、投資使用和管理維護責任落實情況，防治水土流失效果進行評估，對存在的問題提出處理意見等。重點評估主要對象為水土保持設施完成情況，包括水土保持方案批復確定的水土保持工程措施、植物措施和臨時措施。
傳統的水土保持設施驗收評估工程措施以目視、皮尺測量、典型調查為主;植物措施實施情況與效果調查以樣方測量、面積推算、查閱材料為主;臨時措施以核查內業記錄資料為主[19]。傳統方法存在工作量大、時間長、數據零散、誤差大等不足。UAV-RS技術具有快速高效獲得高精度大比例尺地理信息的巨大優勢。陳知送[20]通過探究研究得出，UAV-RS技術獲得的數據精度能滿足水土保持設施驗收評估的需求，并且較大地提高了評估的精度和效率。在水土保持設施驗收評估中，通過對UAV-RS技術獲得的真實數據與水土保持設施設計數據、水土保持監理和監測數據進行對比，能夠提高水土保持設施驗收評估的科學性、可靠性和標準性[21]。
2.5 水土保持規劃
水土保持規劃是指導水土保持實踐的行動指南，是控制水土流失、保護和合理利用水土資源的主要依據。前期外業調查是水土保持規劃工作的重要組成部分。但是，隨著信息技術的快速發展，傳統的外業調查技術手段已經無法滿足新時代水土保持規劃信息化、精準化等要求。無人機遙測技術手段因其成本低、效率高、數據精度高、實時性和全面性等優點，成為水土保持規劃項目前期外業調查新的技術手段。徐宏萬等[22]在常山縣水土保持科技示范園規劃項目中，對UAV-RS技術應用于水土保持規劃領域進行了探索，取得了很好的效果，并探索出UAV-RS技術用于水土保持規劃的技術流程。
盡管關于UAV-RS技術應用于水土保持規劃的文章很少，但是該技術已經用于各種規劃項目的基礎數據獲得、區位分析等。
3 存在的問題與展望
利用無人機遙感開展水土保持方案編制、監測、監管、規劃、驗收評估等工作，提高了工作效率和數據質量，推進了信息化水平，效果良好。但在實際應用過程中，還存在一些問題影響其發展。一是目前無人機遙感在水土保持領域的應用缺乏相關的技術規程和質量標準，導致成果質量差異大。二是無人機從業人員的培訓和管理體系不健全，相關法律法規有待完善。從業人員素質差異大，容易給公共安全、人身安全帶來隱患。三是專業化需求的關鍵技術還需要進一步研究突破。目前，應針對無人機遙感技術中存在的電池續航短、飛行半徑小、通信導航系統受地形影響大、攝影測量精度有待提高、后期數據處理軟件等問題進行研究，以尋求突破。 隨著航空航天技術技術的飛速發展，越來越多智能化、便捷化和高精度化的新技術將被應用到水土保持工作中來。無人機遙感技術在水土保持工作已得到了廣泛應用，隨著硬件設備和軟件技術的發展與完善，其必將為水土保持工作提供更加重要的技術支撐，具有廣闊的發展空間與前景。
4 參考文獻
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作者簡介 劉宗濱（1988-），男，甘肅白銀人，碩士。研究方向：水土保持、無人機遙感應用。
收稿日期 2019-01-24
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