无人机在坡耕地现场复核中的应用

谢增武，吴靖，姜传勇，余双，梁永坚，莫学海，曾志文

（广西水利电力勘测设计研究院，南宁530023）

珠江流域坡耕地面积大，分布集中，是珠江流域水土流失的主要策源地。珠江流域的坡耕地，主要是由于人口增加，环境容量承载不了增加的人口，导致群众垦荒扩种，逐步演替形成的[1]。广西大部分地区属于珠江流域，地形以山地、丘陵为主，地形起伏，地少人多，坡耕地广泛分布，坡耕地在我区农业生产，特别是贫困山区粮食生产中有着重要的作用[2]。坡耕地水土流失直接经济损失包括养分流失损失、水分流失损失和泥沙流失损失；间接经济损失包括水土流失引起土壤肥力和作物产量降低的损失，泥沙淤积水库引起水库蓄水和灌溉能力下降的损失，泥沙冲淹农田引起弃耕的损失等[3-4]。对坡耕地进行改造治理，不仅对于当地水土流失治理、粮食生产等有直接的经济效益，而且对区域生态安全、生态文明建设有重要贡献。

无人机遥感系统凭借其运载便利、灵活性高、作业周期短、影像数据分辨率高等优势，在各领域遥感监测中得到越来越多的应用[5-6]。高分辨率低空无人机遥感影像在表达地物几何、纹理、拓扑关系等特征参量方面更加细致，增强了对地物类型的识别能力，使得地类分布信息的提取更加快捷、细致[7-8]。水土保持相关的各种土地利用类型，如经果林、水保林、坡耕地等，在高分辨率遥感影像中具有明显特征，利用无人机遥感系统获取高分辨率遥感影，作为卫星影像的有效补充，在水土保持行业及其他相关领域有很大的应用潜力[9]，近年来越来越广泛地应用于水土保持重点工程建设的各个环节。随着政府就“转变职能、简政放权”提出一系列具体要求，以及近年来水土保持工程建设作为生态文明建设的内容和抓手，越来越得到各级政府重视，工程规模不断加大，实施范围不断扩展。近年来水利部大力推行“图斑精细化”监管手段，采用天地一体化动态核查，以图斑为单元进行核查，准确核实水土保持重点工程建设进度、措施数量、任务完成情况和实施效果。本文重点研究无人机在广西百色市田阳县2017年坡耕地水土流失综合治理工程中开展“图斑精细化”外业抽查，检查年度工程建设管理情况中的应用。

1 研究区概况

田阳县坡耕地土壤流失严重，据估算，坡耕地土壤流失量占当地土壤流失总量的30%以上，而且大部分坡耕地未采取过任何治理措施。这些坡耕地长期跑水、跑肥、跑土，广种薄收，若受干旱影响，产量更低，大大制约了项目区特色产业和农业经济发展。田阳县2017年列入规划安排实施坡耕地综合治理工程位于田阳县20万亩现代农林生态扶贫产业核心示范区内，示范区是根据自治区党委部署把田阳县打造为“四个示范区”（特色产业示范区、扶贫开发示范区、乡村生态休闲旅游示范区、文明村风和谐乡村示范区），打造成集现代农业、立体开发、绿色生态、旅游观光、扶贫联动、规模经营、集约发展、多措并举的三次产业融合发展的核心示范区。

项目区现有耕地面积1 054.44 hm2，其中坡耕地面积882.2 hm2，约占耕地面积的84%。本区地处云贵高原南部边缘地带，地势由西北向东南倾斜，山多地少，属中低山地貌，高程为400～900 m。山坡自然坡角在5°～45°之间，局部较缓。项目区属亚热带季风气候，特点是夏天长，冬天短，四季不甚分明，光照充足，雨量充沛，温暖湿润。土壤成分主要为红壤土，质地及熟化程度较好，是田阳县主要的甘蔗、玉米产区之一。

2 无人机航拍数据获取

本次采用大疆精灵Phantom4 pro无人机，于2017年12月27日中午进行，当天天气晴朗无风，适宜于无人机飞行，影像获取时间选择正午，以避免太阳高度角所引起的阴影对后期正射影像造成影像，设定航程高为120 m，像素为1 080 P，相机各项参数设置适当以保证地物成像清晰，航向重叠度70%，侧向重叠度40%，以获取足够的影像重叠用于航带拼接[10]。

3 监督检查技术方案

本文以“3S”技术为主要手段，采用遥感解译和现场调查相结合的方法，利用1∶5万高分辨率遥感影像结合无人机影像，对项目区土地利用现状、田间道路、水柜等水土保持措施布设，并根据数字正射影像图、DEM成果，采取综合评价法，准确分析项目区工程建设管理现状。

主要工作步骤和技术路线为：

（1）资料准备。根据项目区实际条件，全面收集研究区内1∶5万DOM影像数据、30 m分辨率DEM数据、气象水文、土地利用等基础数据；以及《全国坡耕地水土流失综合治理工程广西壮族自治区专项建设方案（2017～2020年）》、《田阳县2017年坡耕地水土流失综合治理工程实施方案》中项目区水土保持工程措施具体布设信息。

（2）无人机影像软硬件工作环境的搭建。硬件设备主要包括高配置计算机工作站，无人机设备等，软件包括Pix4Dmapper软件、Arcgis软件等。Pix4Dmapper软件系统能够实现自动空中三角测量、DEM与正射影像图自动生成，能够快速、高效地处理无人机低空遥感影像数据。

（3）外业调查、影像匹配及数据预处理。在软硬件工作环境的支持下，以国家水土保持重点工程相关技术标准为依据，对无人机影像进行预处理，主要包括影像匹配、外业控制点测量、空中三角测量制作等。

（4）DEM、DOM制作，在空三解算完毕后，Pix4Dmapper软件系统根据匹配的同名点和影像方位，计算出对应的地面离散点坐标，然后由地面离散点生成DEM。虽然软件系统实现了自动匹配，但由于现实地物的复杂性（如水体、树木、阴影）以及人工地物的影响，在实际生产中为了提高DEM的精度，采用人工判断外加和Pix4Dmapper软件系统自动解译成果相结合的方法，最终形成DOM、DEM、土地利用现状图。

（5）对比分析。利用生成的DOM、DEM、土地利用现状图，利用Arcgis软件准确分析这些图斑实际实施的措施类型、数量（面积、范围），对照项目区水土保持措施设计图，与抽查图斑的措施类型、边界、范围进行对比分析，核实措施设计和实际实施情况，并做出结论。

4 复核情况分析

采用无人机进行正射摄影测量，能够到国家水土保持重点工程措施现场进行低空航摄，由此获取水土保持工程措施的影像信息，并通过计算机视觉算法对该工程措施进行精细的三维建模。重建出的高真实度的三维模型，有助于实现水土保持措施项目的可视化查询、管理和决策支持，图1为本次利用无人机建立的项目区三维模型图。

经核查，田阳县2017年度坡耕地水土流失综合治理工程项目区边界及图版抽查均位于实施方案设计范围内见图2，图3。

其中：田阳县2017年度坡耕地水土流失综合治理工程实施方案与规划阶段相比较（红线范围为规划阶段范围，黑线范围为实施方案范围）图斑号1-39完全位于规划范围内，实施方案阶段增加图斑号40～49，坡改梯治理面积由301.62 hm2增加至305.59 hm2；实施方案与现场抽查对比实施范围均位于头塘镇的联坡村和三雷林场，经对比，项目区边界及图版抽查均位于实施方案设计范围内。

图1 田阳县2017年度坡耕地水土流失综合治理工程现场三维影像

图2 项目区规划范围与实施方案范围对比

5 结语

（1）近年来，国家加大了水土保持基础设施与能力建设方面的投入，广西壮族自治区各级人民政府按照水利部总体方案开展水土保持监督管理能力建设，虽然我区水土保持监管能力有了很大的提升，但是随着经济发展以及国家不断加大在国家水土保持重点工程建设方面的投资，总体看国家水土保持重点工程监管能力发展水平目前还不能完全与之适应。

图3 项目区图斑抽查范围与实施方案范围对比

（2）本文对利用无人机，开展“图斑精细化”外业抽查，检查年度工程建设管理情况中的应用进行了研究，结果表明利用无人机结合地理信息系统（GIS）、全球定位系统（GPS）在水土保持监督检查的中有效结合，提高了现场复核的准确度并极大地提升了效率。

（3）无人机技术通过采用先进的定位技术，嵌入精确的地理信息、更丰富的影像信息、更高级的用户体验，极大地扩展了遥感影像的应用领域，无人机技术作为新兴监督检查手段可以作为水土保持监督管理的有效补充，在水土保持行业及其他涉及到野外作业的相关领域都有很大的应用潜力。