低空摄影测量技术在公路水土保持监测的应用初探*
时间：2023-02-10 10:25:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
王宇滨 贾 洋 王 妍 曹良中
(1.九江学院，江西 九江 332005;2.四川省公路规划勘察设计研究院有限公司，四川 成都 361012)
生产建设项目水土保持监测是准确掌握项目建设水土流失动态变化和水土保持措施实施效果的重要手段。2009年，水利部提出“规范生产建设项目水土保持监测工作”，加强水土保持监测成为强化生产建设项目水土保持事中事后监管的重点工作。在强化事中事后监管背景下，对水土保持咨询服务工作提出了信息化技术要求[1-3]。因此，提高公路水土保持事中事后技术服务水平，控制公路建设中水土流失问题，是新时期绿色公路发展的必然要求。
传统水土监测的野外实验和巡查法人为干预性较大；
径流小区观测法及桩顶法等方法受布设位置、密度限制以及工程量大等多种因素的影响使实施难度大且监测精度差。而运用无人机摄影这一空间信息技术手段，对地观测能力的大幅提升和空间数据分析方法的应用，为采集线状区域地理要素提供了充分的数据基础，对于提取公路在不同时空尺度下的水土流失特征提供了可靠、快捷的手段。无人机遥感是将低空航测和遥感数据分析相结合的一种新型数据处理技术，可以快速完成一定范围内地形地貌、植被等外环境地理要素的采集，获取研究区域数字信息，经数据挖掘得到水土保持监测指标，较好弥补公路建设中传统水土流失监测的不足[4-9]，可与传统的监测手段形成互补。本文将无人机遥感技术和传统水土保持研究手段相融合，有效应用于公路水土保持监测工作中，重点在公路水土保持变更、水土流失监测、水土保持安全防护范围和水土保持措施等方面进行了应用研究。
1.1 数据
无人机影像资料获取周期短，操作灵活、便捷，影像精度可达厘米级，影像数据具有快速、直观、辨识度高、现势性强等优点，可有效弥补卫星遥感影像适时性和分辨率不足的问题。本文选用的是大疆精灵4 RTK无人机对研究区进行航拍，无人机的部分参数见表1。
表1 无人机部分参数
传统的水土保持监测方法包括调查监测法、简易坡面量测法、植物样地法、径流小区法等，适用于点状研究区域下垫面水土流失因子的连续观测，多用于水土流失基础研究。利用不同源数据优点，采集有效信息，形成完整的数据源。因此，本文利用多种数据优点，形成了多源数据体系，该体系以无人机低空遥感影像数据为主，地面观测数据为辅，不同源数据间互为补充，保障观测数据的有效性。
1.2 研究方法
1.2.1 总技术路线
本文以四川省内多条在建和已建公路工程作为研究对象，基于公路沿线遥感卫星影像，获取工程沿线水土流失总体概况。本文所采用的技术路线见图1。
图1 技术流程图
针对工程重要点位，结合工程测量技术，对公路沿线典型路段进行低空数字航空摄影，经空三计算原理生成网格和纹理等中间信息，形成正射影像(DOM)和数字高程模型(DEM)成果。同时，通过布设地面观测点进行对比试验，用传统的水土流失观测方式验证遥感解译成果。接着，在ArcGis平台上充分挖掘影像信息，得到所需要的各项水土保持信息要素，作为水土保持工作的基础依据。
1.2.2 水土流失量的计算
由于施工期间的弃渣场处于动态变化中，传统的测钎法、径流小区法无法布设于堆渣体上，无法使用地面观测手段进行观测。参考既有公路水土流失一般规律，公路沿线弃渣场区域产生的水土流失量较大，在流失量计算中多采用类比法，但是受类比工程和渣场组分、规模、形态等异质性影响，结果差距较大。因此，快速准确地测算施工期弃渣场水土流失量是长久以来困扰生产建设项目施工期水土流失预测的一大难题。根据《生产建设项目土壤流失量测算导则》(SL 773—2018)，对于弃渣场施工期土壤流失量计算公式为：
(1)
式(1)中，W为土壤流失量(吨)；
k为预测时段(k=1，2，即指施工期和自然恢复期两个时段)；
i为预测单元(i=1，2，3,...,n-1，n)；
Fik为第k预测时段、第i预测单元的面积(km2)；
Mik为第k预测时段、第i预测单元的土壤侵蚀模数(吨/km2·a)；
Tik为第k预测时段、第i预测单元的预测时段长(a)。
2.1 水土流失防治责任范围确定
水土流失防治责任范围的含义是依据法律法规的规定和水土保持方案开发建设单位或个人生产建设行为可能造成水土流失而必须采取有效措施进行预防和治理的范围，即应承担水土流失防治义务与责任的范围。在建设过程中工程所处的阶段不同，防治责任范围也不同。设计阶段是根据设计资料合理界定水土流失防治责任范围，为建设单位报请批复时采用，而在施工阶段由于材料质量、地质条件和施工组织的变化，导致水土流失防治责任范围的变化[10]。因此，科学、快速地界定水土流失防治责任范围在生产建设过程中是必然要求。本文以四川省某在建公路弃渣场为研究对象，通过获取弃渣场不同时间点的DEM和DOM数据，在地理信息系统平台上，甄别基于时间序列的弃渣场地表扰动面积和弃渣量变化，为量化水土流失防治责任范围提供基础依据。该弃渣场弃渣量动态监测情况如图2所示，2020年4月，尚未开始堆渣；
2020年5月，堆渣扰动面积2.25hm2，堆渣量较小，不足1万m3；
2020年8月，堆渣扰动面积达到2.55hm2，已有堆渣约7万m3。根据设计文件，该渣场防治责任范围为3.87hm2，渣场实施期间，施工扰动的地表均控制在防治责任范围内。
(a)2020年4月 (b)2020年5月
2.2 水土流失量定量计算
在进行弃渣场土壤流失量计算中，受渣场各坡面坡度不均等因素影响，需要将单个弃渣场划定为不同的计算单元进行计算，传统量算方式很难实现。本研究基于无人机低空遥感影像，获取弃渣场自身侵蚀要素和环境信息，运用地理信息系统强大的数据挖掘功能，用积分法测算施工期间弃渣场土壤流失量。以四川省某在建高速公路施工期某处弃渣场作为研究对象，该渣场为一处沟道型弃渣场，土石质堆渣体，渣面裸露，正在进行堆渣，渣体下方设置有挡墙。本文以2019年某次低空遥感影像为基础，假定该弃渣场在2019年内的弃渣量、堆渣形态未发生变化，通过提取渣场外环境要素和堆渣体本身水土流失要素，以渣面面积1 m2作为网格计算单元进行积分运算，对弃渣场土壤流失情况进行为期一年的逐月模拟，得到的土壤流失量结果(表2)。
表2 某弃渣场2019年土壤流失量逐月模拟表
通过叠加逐月水土流失量预测结果，得到该渣场年内土壤流失总量为614.69 t，年均土壤侵蚀模数11480 t/km2·a。由于无法在施工期渣场表面实施地面观测，则选取了该渣场附近一处新近堆渣完毕的弃渣场作对比研究，使用测钎法测定土壤流失量，经过半年观测，测定结果表明，临近弃渣场在弃渣逐步稳定、初步实施坡面覆盖等措施情况下，其土壤侵蚀量约为9000 t/km2·a。因此，根据对比观测结果可以初步判定，使用积分法判定施工期弃渣场土壤流失量，与地面观测指标值相一致，其结果具有一定可信度，该方法可快速且较为准确地获取测定施工期弃渣场水土流失量。以上研究表明，运用无人机建模和数据挖掘技术可以实现征占地、弃渣场水土流失防治责任范围及堆渣量的适时量化，具有快速、直观的优点；
对弃渣场土壤流失量的信息化研究，可实现流失量的适时量化，解决了长期以来困扰生产建设项目土壤流失量难以量化、差异较大的问题，具有直观、快速、准确等优点。该部分研究工作有效测算了水土流失影响因素和水土流失状况中用传统观测方法无法量化的因子，在实施中具有较强可操作性。
2.3 水土流失危害应用研究
公路建设水土流失危害主要表现为弃渣场堆渣体对周边居民点、道路、管线等基础设施可能造成的掩埋。因此，合理判定弃渣场安全防护范围，充分预留防护距离，对安全防护范围内的风险点进行拆除或者迁建，保障基础设施安全，确保弃渣场选址合理可行，是水土流失防治工作的重中之重。
从既有公路水土保持工作实施情况来看，弃渣场选址是公路水土保持工作的核心问题之一，选址不当则可能造成重大的灾害。但是，如何界定弃渣场周边哪些区域内堆放弃渣场可能产生重大影响，尚没有统一的标准，仅在《水利水电工程水保技术规范》(SL 575—2012)对安全防护距离提出参考，如表3所示。
表3 弃渣场与保护对象之间的安全防护距离
由于弃渣场自身堆渣组分不同，所处外环境差异较大，各种类型渣场可能产生的滑移和影响差异较大。本文基于袁普金等[11]在统计分析弃渣失稳后可能产生的滑移距离基础上，以某在建高速一处弃渣场为研究对象，模拟了不同堆渣量下的安全防护距离。该弃渣场为一处沟道型渣场，设计堆渣量为120万m3，最大堆高25.5m，平均堆高11m，占地11.89hm2。根据《水土保持工程设计规范》(GB 51018—2014)和施工图设计文件，该渣场为3级弃渣场，挡墙防护等级为3级，防洪标准3级。渣场采用重力式挡土墙，墙高10m，基础埋置于中风化基岩，埋置深度不小于2m。参考袁普金等人使用历史发生频率选址法确立的渣场安全距离测算标准，对于V≤5.0×105m3的弃渣场(5级弃渣场)宜取2.78倍落差(2.78H)的安全距离，对于5.0×105m3 本文借鉴相关规定和历史发生频率选址法的成果，引入流域的思路，在对沟道汇流特征仿真模拟基础上，基于高精度三维地形数据，计算得到不同安全距离下沟道型弃渣场可能发生水土流失危害的范围，用于快速识别和量化受胁迫区域内居民点、道路等基础设施及耕地、林地等受影响的各项因素，从而精准指导弃渣场安全防护决策。目前，该渣场已堆放约60万m3，最大堆高约25.5m，占地5.24hm2，渣场两侧缺乏必要的排水设施。根据参考划定的安全防护距离与历史发生频率选址法确立的渣场安全距离测算标准，进行了以下研究：以渣场某一期遥感影像为基础，堆渣量不断增大，弃渣场等级逐渐提高，分别测算堆渣量在50万m3以下、60万m3、120万m3的安全防护距离。在ArcGis平台空间分析支持下，以渣脚线为起算点，进行汇流模拟，得到不同弃渣量下的安全防护范围，如图3所示。 (a)2H (b)2.78H 图3分别为2倍、2.78倍、5.88倍和7.14倍最大堆高下的安全防护范围。根据该渣场等级判定其安全防护距离，在达到设计堆渣量120万m3情况下，宜采用渣场最大堆高的7.14倍作为渣场下方的安全防护范围[图3(d)]，紫红色区域表示渣场下方分布有居民点，安全风险较高，是重点防控对象，应纳入弃渣场征拆； 笔者先后在四川省内多条公路水土保持事中事后工作中开展了信息化监测研究，获取了翔实的基础资料，形成了公路水土保持信息采集技术支撑体系，快速、直观、全面地掌握公路建设过程中水土保持信息，为保障公路建设的合法合规性提供了科学依据。通过信息化技术的应用研究，解决了水土流失传统监测手段难以量化的难题，对于指导现场施工、界定工程征拆范围和降低水土流失风险起到重要支撑作用。对运营期公路水土保持措施效果跟踪的研究成果，为公路水土保持措施优化起到示范作用，契合新时期公路建设的绿色、智慧发展方向，为科学开展公路水土保持工作，评估建设成效提供有力理论和技术支撑。
由于实际施工中土石方得以优化，渣场弃渣量减小，目前渣场等级降低为4级弃渣场，可按最大堆高的5.88倍距离作为安全防护距范围[图3(c)]。以上研究表明，本研究对安全防护距离和防护范围的界定提供了可行有效的划定办法，为准确甄别弃渣场潜在威胁对象提供了科学依据，直观形象服务于安全管理决策。
