科研管理 ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２－２４６９．２０１７．０６．０２７ 水利规划与设计 ２０１７年第６期 无人机遥感技术在水土保持监测中的应用 孙 洋 （辽宁禹盛生态环境工程技术服务有限公司，辽宁朝阳１２２０００） 摘要：对于水土保持监测技术，传统的监测方法已经在某种程度上与时代脱轨，基于现代水土监测技术对时效 性、针对性、系统性的要求逐步提高，文章引入无人机遥感技术进行水利工程实时监控，介绍了该技术的使用流 程及特点，对朝阳地区水电工程的实际使用效果进行分析，得出了一系列研究成果，弥补了传统监测技术精度 低、安全性差、区域局限性等问题，促进了水土保持监测体系朝着高效率、低成本、自动化的方向发展。 关键词：无人机；遥感技术；水土保持；监测 中图分类号：Ｓ１５７ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２—２４６９（２０１７）０６—００８９—０４ １传统监测技术的不足 水土保持监测技术是基于预防水土流失及维持 生态稳定的层面，采取、大地监测技术及计算机三 维出图等现代化技术措施，将水土流失区域、灾害 等级、影响程度、治理对策等作为研究对象，对其 实施系统性、全面性的实时监测与评价，在水土保 持的监管与整治的平台之上，对水土保持的问题给 出了强有力的技术支持…。水土流失对生态环境的 统、全面，不能与小康社会生态文明、自然环境健 康可持续发展相一致。其二，基本仪器由人工操 作，数据收集效率低、精度低且对于动态化监测不 能有效记录。整体来看，监测技术落后仍然是最为 根本的问题，水土保持监测数据采集技术亟待 更新。 （３）监测自动化需进一步加强 结合信息技术的发展将传统监测技术进行改 进，有目标、有规划地研发自动化监测工具，将监 测自动化进一步加强。 危害不言而喻，而传统监测技术成本高、效率低、 受区域，因此，如何实时、高效、全面地监测 在此种情况下，无人机遥感手段作为现代化新 水土流失的动态，是传统监测技术急需突破的 瓶颈。 生事物，具有准确收集数据信息、对信息处理之后 形成动态监测图像的功能，并逐渐成为水土流失监 测的重要手段。该技术具备自动化程度高、成本 低、效率高等特点，已经发展成国内外学者的一线 研究问题。张玉茜 ］，牛君瑜，孙超江 等初步探 讨了无人机遥感技术在结构方面的成分及具备的优 我国地质条件复杂多样，气候条件差异较大以 及区域经济发展不平衡，造成水土流失现象层出不 穷，上升为生态保护的关键性问题。而水土保持监 测技术存在诸多缺陷，严重制约了监测工作的 进展。 势；姜德文 以探讨传统监测技术的缺陷为基点， 研究了无人机遥感技术在工程方面对水土流失的监 管；陈知送 ］，王志良 等研究了无人机遥感技术 在工程建设中对涵养水土结构的评估，为结构验收 提供了技术支撑。 虽然无人机遥感系统现已逐渐实现从试验阶段 （１）监测区域有限 采用人工调查的方式进行监测已经不能适应时 代的发展，此方式受区域性影响大，只适用于小区 域的监测，人为因素占有重要部分，且其监测精度 达不到规范要求，不能准确实施动态监测。用于大 区域监测作业时，由于人手短缺而不能合理分配， 到工程使用阶段的转化，但是技术仍不够完善，没 有形成完整的监测体系。因此，本文选用朝阳地区 收稿日期：２０１６－１１・０４ 对于监测区内高危地带的监测，无法通过人力来采 集数据。 （２）数据采集方法需进一步改进 其一，缺少项目研究经费，监测内容不够系 作者简介：孙洋（１９８２年一），女，工程师。 ・８９・ ２０１７年第６期 水利规划与设计 科研管理 水利项目为背景，利用无人机遥感技术成功收集了 研究区内的试验数据，系统、全面地研究了监测的 形成三维图形。整体结构集飞行器、遥感技术、计 算机技术于一体，在系统优化层面表现出显著的优 点，其显著性特点为： （１）精度高 无人机在地表数据收集时，一般在５０～１０００ｍ 范围内飞行，此时的航拍精度为０．１～０．５ｍ。 （２）成本低及实用性强 各部分，填补了传统监测技术精度低、安全性差、 区域局限性等漏洞，促进了水土保持监测体系朝着 高效率、低成本、自动化的方向发展。 ２无人机遥感技术概述 ２．１ 无人机遥感技术基本概念 无人机遥感（Ｕｎｍａｎｎｅｄ Ａｅｒｉａｌ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｒｅｍｏｔｅ Ｓｅｎｓｉｎｇ）是结合无人飞行技术、ＧＰＳ及计算机技术等 一无人机身形矫健，作业时灵活自如，不受航线 的制约，对气候适应性较强。其工作时，低空飞行， 受雨雪等天气影响小，机身及拍摄设备造价低廉。 （３）灵活及安全性 系列先进技术，准确迅速的收集地形地貌、生态环 境等原始数据信息，完成信息整理及分析的技术。采 用不同功能的传感器，利用无人机来搜集对应项目的 原始数据。现阶段，无人机遥感技术已经渗透到水利 不需要特定的升降平台，起升快，操作简单； 对气候天气要求较低，能够在严寒、酷暑条件下作 业，即使遇到突发状况也不至于造成人员的伤亡。 工程的各个方面。图１为无人机及其遥感设备。 （４）拍摄角度广泛及分辨率高 无人机飞行自如，拥有竖向及斜向的拍摄能 力，既能对监测区进行竖直拍摄收集平面原始数 据，也能对复杂结构进行斜向拍摄收集高精度的细 部结构影像数据，有效解决了复杂结构相互覆盖影 ■ 图１ 无人机及其遥感设备 响的问题。能够全面详细地整合全部影像信息，获 得较为完整的监测图。 ２．３ 无人机遥感技术工作流程 ２．２无人机遥感技术的特点 无人机在航拍作业时，需要经历四个阶段：前 无人机遥感技术借助低速无人驾驶飞机，运用 先进的航拍技术收集地表数据信息，经计算机处理 期准备阶段、外业操作阶段、数据处理阶段、形成 最终结果阶段。具体流程图如图２所示。 图２ 无人机遥感技术工作流程示意图 ・９０・ 科研管理 水利规划与设计 ２０１７年第６期 ３ 无人机遥感技术在水土保持监测中的应用 ３．１水土保持监测内容 按照《水土保持监测技术规程》（ＳＬ２７７—２００２） 的规定，监测工作的主要为： （１）水土流失影响因子监测 关键对水文及气候因素进行监测；工程规划区 域、对土体的扰动情况、开挖深度等；土石方堆积 后土体的位移情况、变形特性；物种丰富程度，水 土防护结构的数量及质量。 （２）水土流失状况与危害监测 关键对土石方堆放场地、河流边坡、坝体斜坡 等部位进行水土流失范围、程度，滑坡的可能性大 小，对场地附近形成的影响进行监测。 （３）水土流失防治与效果监测 图４航测数据处理流程图 水土保持治理项目（边坡防护、栽种植被、垦 荒造林）的规模与程度；植被的生存状况、成活率 及覆盖率；坝体防护结构的安全性、可靠性及正常 果，极大的加快了监测工作效率。处理流程如图４ 所示。 ４成果应用分析 根据对朝阳地区水电工程的监测，将获取的图 像信息及研究结果进行推广应用： （１）水土流失动态变化监测 运行；各种治理水土流失结构的防治成效等。 ３．２ 无人机遥感技术的应用 （Ｉ）无人机监测方案设计 将朝阳地区水电工程的施工图及朝阳地区地貌 作为根本，确定航拍监测体系。其中有飞行路线、 高度，拍摄空域间隔等一系列指标。图３为无人机 遥感技术监测成像图。 结合工程平面图及三维图形，制定出该工程区 域线，准确统计出扰动部位的面积； 将原始数据经计算机翻译，得出植被覆盖程 度，分析ＤＥＭ数据特征，按照规范制定的评价标 准，确定土壤侵蚀等级； 利用插值法处理土石方堆放场地的控制点，得 到ＤＥＭ，与工程实际地貌结合，推算施工期间场 地的堆放量。 （２）水土保持措施监测 通过原始数据的分析，准确计算工程区域内为 保持水土而栽种的植被面积，评价植被的覆盖 程度 。 （３）水土保持效益监测 联系传统监测方法，运用航拍数据，分析该工 程水土流失治理率、植被覆盖率、拦渣率等评价 指标。 图３ 无人机遥感技术监测成像图 （４）水土保持项目验收评估 通过原始数据分析，评价水土保护结构的核查 率；利用监测前后实施效果的数据，输出监测成 果，建立数据库，计算验收结果 。 （５）其他 （２）航测数据处理 作者经过对多数摄影处理软件的对比，优选出 在ＥＲＤＡＳ软件基础上的ＬＰＳ（Ｌｅｉｅａ Ｐｈｏｔｏｇｒａｍｍｅｔｒｙ— Ｓｕｉｔｅ）选项，对数据进行最终的处理。因为ＬＰＳ不 需要复杂的步骤、只需输入数据即可自行计算结 结合ＤＥＭ数据完善施工区域的平面图，扩 ．９１・ ２０１７年第６期 水利规划与设计 科研管理 大比例尺，使更加详细的体现出该工程对水土 流失的监管以及现存的问题。其流程图如图５ 所示。 传统监测技术精度低、安全性差、区域局限性 等问题，促进了水土保持监测体系朝着高效率、 低成本、自动化的方向发展。 参考文献 ［１］李世泉，王岩松．东北黑土区水土保持监测技术（第１版）［Ｍ］． 北京：水利水电出版社，２００８． ［２］张玉茜．无人机摄影测量技术在水土保持学科的应用［Ｊ］．科技 资讯，２０１３（２０）：１９１－１９２． 图５研究区三维模型流程图 ［３］牛君瑜，孙超江．无人机技术在水利领域应用的探讨［Ｊ］．河海 水利，２０１３（０５）：５５—５８． ５ 结语 随着信息化的快速发展，水土保持监测技术 也不断前进，一方面要追求高效率，另一方面 逐渐向低成本、高精度的方向靠拢。无人机遥 感技术作为信息化时代中的新生一员，已成功 运用到水利工程领域，有效地拓宽了现有的监 ［４］姜德文．高分遥感和无人机技术在水土保持监管中的应用［Ｊ］． 水利信息化，２０１３（１６）：４５－４９． ［５］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（０２）：４３・４６． ［６］王志良，付贵增，韦立伟．无人机低空遥感技术在线状工程水 土保持监测中的应用探讨［Ｊ］．中国水土保持科学，２０１５，１３ （０４）：１０９－１１３． ［７］高素丽．辽河流域河道生态工程建设方案［Ｊ］．水土保持应用技 术，２０１１（０６）：３５—３８． ［８］李学森．凌河流域水资源现状及保护措施［Ｊ］．水土保持应用技 术，２０１５（０３）：３６．３７． 测方法，提高了经济与社会效益。通过本文研 究可知，无人机遥感技术在一定程度上弥补了 （上接第８８页）临界水力坡降对于工程的防渗设计 具有重要意义。通过上述三种试验法得到了不同应 术难度极高的建筑工程，坝基岩体渗透特性和变形 特性关系到大坝的长期稳定。本文从现场试验、原 位试验和高压试验三种方法人手，模拟了不同应力 力状态下的渗透变形特性和临界水力坡降。围压应 力越大，产生渗透变形所需水压力越大，临界水力 环境下软弱坝基的渗透特性，确定了各种方法下的 坡降也就越大，反之越小。为防止软弱坝基发生流 砂渗流破坏，建议采用较小临界水力坡降，即现场 试验结果；而在设计防治坝基管涌渗流破坏时，建 议采用原位试验结果。 临界水力坡降，并根据渗透变形特性提出了几点建 议，对工程的建设和长期稳定提供了一定的基础 数据。 参考文献 ［１］杨建，张天瑞，何永凡．升钟水库高心墙土石坝软弱岩基的处 理［Ｊ］．水利水电技术，１９９１（０９）：３９－４３． 针对坝基岩体主要以砂岩、泥岩、砂质泥岩等 为主，且土层较厚，存在风化带，作者认为可以采 取以下措施来加固防渗：（１）利用沙井预压技术在 软土层中设计砂井，砂井采用水射法进行造孔后， ［２］刘善利，赵坚，沈振中．拉西瓦水电站坝基软弱断层的渗流及 防渗［Ｊ］．水利水电科技进展，２００７，２７（０４）：５５・５９． ［３］严泽强．浅谈水工建筑物的地基加固防渗技术［Ｊ］．科技与企 业，２０１４（０２）：２００—２００． 清除孔内的一些堆积物，并在孔内灌注洁净度较高 的良性中砂、粗砂等材质。（２）利用冲击振实技术 对地基进行加固密实，此方法施工简单，效率高， 已在水利水电工程建设当中广泛应用。（３）进行岩 基灌浆，在坝基内形成防渗防渗帷幕带，降低坝基 渗透性至性３Ｌｕ以下。 ［４］张玉，赵海斌，徐卫亚，等．某水电站坝基挠曲破碎带工程力学 特性试验研究［Ｊ］．岩土力学，２０１３（１２）． ［５］朱信波，黄赛，刘培培．金沙江金沙水电站坝基岩体渗透性分 析［Ｊ］．甘肃水利水电技术，２０１５，５１（Ｏ１）：３７—４１． ４ 结论 在复杂地质条件区修建水利水电工程是一项技 －［６］冯树荣，赵海斌，蒋中明，等 向家坝水电站左岸坝基破碎岩体 渗透变形特性试验研究［Ｊ］ 岩土工程学报，２０１２，３４（０４）： ６００—６０５． ９２．
