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无人机遥感技术在水土保持中的应用探讨

作者:jkyxc 浏览数:

摘要    水土保持是生态文明建设的重要组成部分,传统水土保持工作方法已不能满足新时代水土保持的需求。无人机遥感技术解决了传统水土保持工作中“看不了、看不全、效率低、精度差”等问题。本文总结了无人机遥感技术在水土保持方案编制、动态监测、监管、规划、验收评估等方面的具体应用,论述了该项技术在水土保持领域的重要性和发展前景。

关键词   无人机;遥感技术;水土保持;发展前景

中图分类号    S157        文献标识码    A        文章编号   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

无人驾驶飞机简称无人机(UAV),是一种有动力、可控制、能携带多种任务设备、执行多种任务,并能重复使用的无人驾驶航空器[1]。无人机与遥感技术的结合,即无人机遥感技术(UAV-RS),是利用先进的无人驾驶飞行器技术、遥感传感器技术和遥感应用技术等,实现快速获取空间遥感信息,并完成遥感数据采集、处理和分析的应用技术[1-2]。

水土资源是人类赖以生存的基础性资源。水土流失是我国重大的环境问题,严重的水土流失导致了各种严重的生态环境问题。

为了保护水土资源,必须加强水土保持工作。水土保持是发展的生命线,是生态文明建设的重要组成部分。由于水土流失的成因复杂、差异性明显,很难掌握不同区域水土流失变化规律,特别是开发建设项目引起的水土流失,导致水土保持工作的任务十分艰巨[3]。

随着航天航空技术的快速发展,高分卫星遥感影像为近几年来水土保持工作提供了重要的技术支撑。无人机遥感技术因其能很好地弥补卫星遥感的不足,而在水土保持工作中发挥了重要作用。特别是启动了生产建设项目水土保持“天地一体化”监管示范、国家水土保持重点治理工程“图斑精细化”管理示范以来,无人机遥感技术已被应用到水土保持工作的各个方面。无人机技术打开了水土保持工作的“天眼”,将水土保持工作推向更高的发展层次[4]。笔者梳理了UAV-RS技术在水土保持领域的具体应用现状,分析了该技术在水土保持中存在的问题,展望了该技术在水土保持中的发展前景。

1    UAV-RS的组成与优点

无人机遥感系统主要由飞行器平台、控制站、通信链路、遥感监测平台、实时监控平台、地面保障系统(含发射系统)、动态遥感监测决策支持系统和后期数据处理系统组成。无人机遥感系统最重要的飞行器平台由航空器平台、动力装置、导航飞控系统、电气系统、任务设备等组成。控制站通常由数据链路控制、飞行控制、载荷控制、载荷数据处理构成。通信链路由指挥与控制、空中交通管制、感知和规避3种链路组成。

无人机遥感技术具有自动化、智能化、成本低、风险小、移动性能高、高时效性、高分辨率、大比例尺、云层下成像等优点[2-5],其获取的数据正逐步成为卫星遥感和地面遥感的有效补充手段而被广泛应用。

2    UAV-RS在水土保持中的应用

2.1    水土保持方案编制

随着国家改革向纵深推进,水土保持方案的编制进入了一个新的历史阶段,对项目区概况介绍、措施布设和取土场、弃渣场选址的合理性等方面的要求更高。因此,方案编制前期的现场调查、踏勘等工作非常重要。传统的现场调查主要是依据打印现状地形图和主体工程平面布置图,用数码相机、笔记本和测量工具进行现场踏勘,这种方法工作量大、数据获取难、主观性强。UAV-RS技术应用到水土保持方案编制现场踏勘中,编制人员可以通过无人机遥感影像和解译数据,在短时间内准确掌握建设项目区概况,确定项目按建设区的水土流失的防治责任范围,科学地设置水土保持分區、合理地布设水土保持防治工程措施、植物措施和临时措施。通过无人机遥感数据和三维软件建模,制作出项目区地形图和三维地图,依据方案编制中的限制性规定,确定项目取土场、弃土场和弃渣场等的位置,完成主体工程评价和水土保持防治措施的设计,最终达到恢复地貌的水土保持功能[5]。

2.2    水土保持监测

水土保持监测是水土保持工作的重要组成部分,是预防和治理水土流失的重要基础[6]。然而,传统的监测方法有调查监测、地面观测和巡查监测三大类,以人工调查方式为主。通过现场查看,利用简单的测量和定位工具进行测量,结合相关资料进行估测,受人为干预较大,特殊、复杂区域数据难以获得等原因,造成水土保持监测“到不了、看不全、效率低、精度差”等问题[7-8],无法满足新时代水土保持信息化发展的监测精准性、时效性和完整性要求。

航天科技的快速发展,使卫星遥感技术应用到水土保持监测中,并解决了传统监测方法存在的一些缺陷[9-10]。但是,由于卫星遥感的周期性、监测精度低、同谱异物、存在云层遮挡等问题,影响水土保持监测工作的精准化和信息化发展,特别是生产建设项目引起的水土流失监测。无人机遥感技术能快速获取特定时间的高精度数据,很好地解决了卫星影像存在的问题,并且能依据不同的监测需求提供特定的服务[11]。无人机遥感与地理信息系统技术的充分结合,形成了一个集监测、分析、处理于一体的数据信息系统,不仅为水土流失防治提供了重要的技术支撑,而且还有助于推进新时代水土保持信息化快速发展。

无人机遥感通过对项目区进行航拍,获得测定范围内的遥感影像、地形图、DOM、DEM等数据,依据项目区建立的解译标志,对遥感影像进行融合和解译,进而提取出防治责任范围、水土流失面积、弃渣量、水土保持各项措施等各项监测指标的信息。目前,研究人员对该技术在各种不同的水土保持监测项目中的应用进行了探究,发现该技术比传统人工监测效率提高了3~5倍[12],具有精度较高、实时性好、成本低、全面性等优点[8]。将UAV-RS技术应用到水土保持监测中,能及时、准确、全面地动态反映水土流失与防治情况。

2.3    水土保持监管

新时代的水土保持监管要求加强事中事后监督管理,实现全方位、全过程、立体化的高效、精准监管[13-14]。传统的水土保持监管以抽查和现场巡查为主,通过水土保持监测单位提供的工程图纸、施工总结、其他数据等材料判断水土保持设施设计的合理性、水土保持措施的落实情况、水土流失治理的效果等,无法真正对已批复的项目进行实时、高效、准确的监控与管理[15]。

UAV-RS技术应用到水土保持监管工作中,不仅改进了监管手段,提高了监管效率,而且凭借其时效性强、精度高、全方位视角等优势,使监管部门能够较好地掌握水土流失动态和静态情况,对水土保持工程实施情况和效益进行评价,实现了对生产项目水土保持整个过程的全方位、实时、高精度监督与管理,从而解决一直以来水土保持监管难的问题。

目前,随着水土保持信息化的快速建设,UAV-RS技术已经在生产建设项目水土保持“天地一体化”监管、国家水土保持重点治理工程“图斑化”精细管理过程中提供了真实精确的基础数据和重要技术支撑[16-17]。UAV-RS技术获得高精度遥感影像后,依据建立的解译标志,采用人机交互解译方法,获得项目建设扰动地表面积、弃土场、弃渣场、水土流失面积、水土保持措施数量等各种相关指标信息,进行对比分析,快速评价水土保持情况[17-18]。借助UAV-RS技术,能够实现对水土保持防治的全方位、实时监管,保证了执法的准确性和高效性。

2.4    水土保持施验收评估

水土保持设施验收评估指的是对建设项目的水土保持设施是否符合设计要求、施工质量、投资使用和管理维护责任落实情况,防治水土流失效果进行评估,對存在的问题提出处理意见等。重点评估主要对象为水土保持设施完成情况,包括水土保持方案批复确定的水土保持工程措施、植物措施和临时措施。

传统的水土保持设施验收评估工程措施以目视、皮尺测量、典型调查为主;植物措施实施情况与效果调查以样方测量、面积推算、查阅材料为主;临时措施以核查内业记录资料为主[19]。传统方法存在工作量大、时间长、数据零散、误差大等不足。UAV-RS技术具有快速高效获得高精度大比例尺地理信息的巨大优势。陈知送[20]通过探究研究得出,UAV-RS技术获得的数据精度能满足水土保持设施验收评估的需求,并且较大地提高了评估的精度和效率。在水土保持设施验收评估中,通过对UAV-RS技术获得的真实数据与水土保持设施设计数据、水土保持监理和监测数据进行对比,能够提高水土保持设施验收评估的科学性、可靠性和标准性[21]。

2.5    水土保持规划

水土保持规划是指导水土保持实践的行动指南,是控制水土流失、保护和合理利用水土资源的主要依据。前期外业调查是水土保持规划工作的重要组成部分。但是,随着信息技术的快速发展,传统的外业调查技术手段已经无法满足新时代水土保持规划信息化、精准化等要求。无人机遥测技术手段因其成本低、效率高、数据精度高、实时性和全面性等优点,成为水土保持规划项目前期外业调查新的技术手段。徐宏万等[22]在常山县水土保持科技示范园规划项目中,对UAV-RS技术应用于水土保持规划领域进行了探索,取得了很好的效果,并探索出UAV-RS技术用于水土保持规划的技术流程。

尽管关于UAV-RS技术应用于水土保持规划的文章很少,但是该技术已经用于各种规划项目的基础数据获得、区位分析等。

3    存在的问题与展望

利用无人机遥感开展水土保持方案编制、监测、监管、规划、验收评估等工作,提高了工作效率和数据质量,推进了信息化水平,效果良好。但在实际应用过程中,还存在一些问题影响其发展。一是目前无人机遥感在水土保持领域的应用缺乏相关的技术规程和质量标准,导致成果质量差异大。二是无人机从业人员的培训和管理体系不健全,相关法律法规有待完善。从业人员素质差异大,容易给公共安全、人身安全带来隐患。三是专业化需求的关键技术还需要进一步研究突破。目前,应针对无人机遥感技术中存在的电池续航短、飞行半径小、通信导航系统受地形影响大、摄影测量精度有待提高、后期数据处理软件等问题进行研究,以寻求突破。

随着航空航天技术技术的飞速发展,越来越多智能化、便捷化和高精度化的新技术将被应用到水土保持工作中来。无人机遥感技术在水土保持工作已得到了广泛应用,随着硬件设备和软件技术的发展与完善,其必将为水土保持工作提供更加重要的技术支撑,具有广阔的发展空间与前景。

4    参考文献

[1] 吕厚谊.无人机发展与无人机技术[J].世界科技研究与发展,1998(6):113-116.

[2] 李德仁,李明.无人机遥感系统的研究进展与应用前景[J].武汉大学学报(信息科学版),2014,39(5):505-513.

[3] 冯晓东.试论无人机遥感在水土保持中的应用[C]//中国水土保持学会预防监督专业委员会.中国水土保持学会预防监督专业委员会第九次会议暨学术研讨会论文集.北京:中国水土保持学会预防监督专业委员会,中国水土保持学会,2015.

[4] 陈宇,付贵增,凌峰,等.无人机技术在水土保持中的应用现状与展望[J].海河水利,2018(3):61-63.

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[6] 刘宪春.浅论开发建设项目水土保持监测指标[J].水土保持通报,2007(4):67-70.

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[12] 张雅文,许文盛,韩培,等.无人机遥感技术在生产建设项目水土保持监测中的应用:以鄂北水资源配置工程为例[J].中国水土保持科学,2017,15(2):132-139.

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[17] 曾麦脉,赵院,李万能,等.无人机在生产建设项目水土保持“天地一体化”监管中的应用[J].中国水土保持,2016(11):28-31.

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[19] 陈晓玉.浅谈无人机遥测在水土保持设施验收技术评估工作中的应用[C]//中国水土保持学会预防监督专业委员会.中国水土保持学会预防监督专业委员会第九次会议暨学术研讨会论文集.北京:中国水土保持学会预防监督专业委员会,中国水土保持学会,2015.

[20] 陈知送.浅谈无人机等先进技术在水土保持设施验收技术评估中的应用[J].广东水利水电,2016(2):43-46.

[21] 巴丽敏.无人机遥测在水土保持设施验收技术评估中的应用[J].东北水利水电,2017,35(10):28-29.

[22] 徐宏万,廖凯涛,张春杰.无人机遥测技术在水土保持规划项目工作中的应用[J].珠江水运,2017(24):73-74.

作者简介   刘宗滨(1988-),男,甘肃白银人,硕士。研究方向:水土保持、无人机遥感应用。

收稿日期   2019-01-24

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