胡云华, 许海超, 曲双锋, 游 翔, 秦 伟

(1.中国水利水电科学研究院 水利部 水土保持生态工程技术研究中心, 北京 100048; 2.成都市水利水保监测中心, 成都 610000; 3.四川省水土保持生态环境监测总站, 成都 610000)

遥感技术能够快速发现生产建设项目扰动，较为准确地识别扰动范围，在生产建设项目监管工作中的应用越来越广泛[1-2]。2015年水利部印发的《生产建设项目水土保持信息化监管技术规定(试行)》将生产建设项目水土保持信息化监管分为区域监管和项目监管两种模式。相较于区域监管是针对流域、省、市、县或者某功能区等一定区域范围开展监管工作[3]，项目监管针对某个具体项目进行监管，实现项目位置、范围、措施布局的精细化空间化管理[4]，是进一步强化生产建设项目水土保持监管的有效形式。在技术手段上，项目监管在常规卫星遥感技术手段基础上，还需要结合无人机遥感技术手段，提高监管数据精度和丰富度。目前全国省、市、县各级区域监管工作已建立了相对成熟的技术路线，但项目监管工作流程和技术模式仍需探索和总结。

无人机摄影测绘技术目前已广泛应用于水土保持监管和监测等工作[5-8]，但主要以常规航空摄影测量为主。倾斜摄影测量技术(Oblique Photography Technique)是近年来发展起来的新兴测绘技术，相较于传统航测方式，可以更加高效地获取更为丰富的真实地面场景信息[9-10]。本研究以成都市为研究区，利用无人机倾斜摄影测量技术开展多个生产建设项目的水土保持项目监管信息提取试验，总结工作技术流程和应用实例，为重点项目水土保持精细化监管工作提供参考。

1 研究区域与方法

1.1 研究区概况

成都市作为四川省省会，地理位置介于东经102°54′—104°53′，北纬30°05′—31°26′，是全国15个副省级城市之一和西部地区中心城市，生产建设项目数量多、分布广，监管难度相对较高，仅依靠传统手段无法满足高效、精准监管的现实需要。按照水利部水土保持信息化监管的统一安排和部署，四川省2018年在成都市率先启动了生产建设项目“天地一体化”监管，并注重技术创新，通过3年的连续实施，取得了方案编报率显著提升、疑似违法违规施工项目明显减少、水土保持补偿费征收额有效增加等良好成效[11]。

1.2 技术概述

摄影测量是经过摄影，将三维的物理世界转变为二维影像，再由二维影像获取三维空间数据的技术[12]。倾斜摄影测量是通过集成在5个方向上的摄像机在一个位置采集垂直、4个倾斜共5个角度的影像，可以提高摄影测量和三维建模工作的效率。无人机具有成本低廉、操控性好、空域限制小等优点[13]，无人机倾斜摄影测量是3种技术的有机结合，相较于传统摄影测量：一是信息获取更丰富，传统摄影主要获取实体顶部纹理，而倾斜摄影技术能够同时获取侧面纹理，且倾斜摄影方式更加接近人眼观察模式，可以增加三维数据所带来的真实感。二是支持三维量测，可获取带定位信息的高重叠度影像，利用实景三维建模软件还原地表真实的场景，实现空间量测。三是综合成本低，通过一次航飞可以同时制作高精度数字正射影像(DOM)、数字表面模型(DSM)、数字线划图(DLG)、实景三维模型等数据成果，在内业即可完成大部分测量工作，获取等量信息的综合成本更低。

1.3 监管指标与提取方法

按照《生产建设项目水土保持信息化监管技术规定(试行)》，结合无人机倾斜摄影测量技术优势和成果特征，对项目监管指标及其对应信息获取的方法归纳见表1。

表1 项目监管指标及其无人机倾斜摄影测量信息获取方法

1.4 技术流程

参考《生产建设项目水土保持信息化监管技术规定(试行)》，设计了一套利用无人机倾斜摄影测量技术开展生产建设项目水土保持信息化监管指标提取的技术流程，主要包括资料收集和预处理、无人机倾斜摄影测量、合规性详查3个阶段，具体流程见图1。

图1 无人机倾斜摄影测量技术项目监管流程

在资料收集和预处理阶段，收集监管项目的水土保持方案书、批复文件、防治责任范围图、水土保持措施布局图等资料；利用方案中的坐标信息完成资料的矢量化处理，并套合遥感影像初步判定合规性。在无人机摄影测量阶段，根据合规性预判结果，进行无人机飞行规划设计，获取航摄数据和控制点资料；利用建模软件，完成项目DOM，DSM和实景三维模型的创建。在合规性详查阶段，根据DOM，DSM和实景三维模型成果，套合项目方案资料，对项目监管各项指标进行提取、识别和判定，为项目监管提供数据支撑。

2 应用实例

为验证监管指标提取方法和监管工作技术流程，在成都市范围内随机选取了7处在建生产建设项目，对项目方案等资料进行了收集和整理，并利用近期2 m数字正射影像对项目水土保持措施布局和疑似违规范围进行了分析，制定了无人机航飞的方案。航飞使用大疆经纬M300 RTK测绘专用无人机，具体参数和配件信息详见表2。该无人机集成了RTK模块，已有测试结果表明，采用该设备免像控方案采集的影像，其平面精度满足1∶500地形图要求[14]。

表2 试验无人机和传感器主要参数信息

航飞工作完成后，使用赛尔航测助手软件完成架次清理和拷贝、照片筛选、适配建模软件等数据预处理操作。预处理完成后使用ContextCapture Center Master软件开展各架次DOM，DSM和实景三维模型数据生产。航飞总面积1.339 km2，航飞高度115～120 m，航向重叠度80%，旁向重叠度50%。根据倾斜相机的像素参数，结合航拍时的镜头焦距和相对航高信息，经解算后获取的正射影像地面分辨率为1.3～1.8 cm。利用ArcGIS和Acute3D Viewer软件分别对各项目开展二维和三维量测，提取各项目监管指标信息，将各项目典型指标提取示例总结如下。

2.1 扰动特征提取

在DOM和实景三维模型上可以准确识别项目扰动特征，以航飞的新都区某房地产项目为例，在实景三维模型上，该项目扰动主要表现为推堆土、施工、表土堆放等特征，因此将项目扰动类型判定为“其他扰动地块”(图2A)。以航飞的简阳市某弃渣场为例，在实景三维模型上，可以提取渣体、挡墙、排水沟、沉砂池等特征，因此将项目扰动类型判定为“弃渣场”(图2B)。通过识别项目现场围栏、表土开挖等几何特征，可以提取出项目的扰动边界范围，经计算，两个项目扰动面积分别为7.6，2.1 hm2。

图2 项目扰动特征提取示例

2.2 建设状态识别

在DOM和实景三维模型上可以准确识别项目所处的施工阶段，以航飞的新都区某道路项目为例，该项目在影像上反映为裸地、草被或灌木等土地利用特征，无新增堆挖掘痕迹，建设状态判定为“停工”(图3A)。以航飞的简阳市某房地产项目为例，该项目现场推堆掘痕迹明显，地表原始覆盖被破坏，现场有施工设备和建筑材料堆放，建设状态判定为“施工”(图3B)。以航飞的简阳市某加工制造类项目为例，该项目现场项目建设工作已完成，绿化等配套设施已完工，建设状态判定为“完工”(图3C)。

图3 项目建设状态识别示例

2.3 扰动合规性判定

基于扰动特征提取结果，套合项目防治责任范围资料，利用空间叠加分析方法，可以对项目合规性进行判定。以航飞的新都区某房地产项目为例，项目扰动范围基本均位于项目批复的防治责任范围内，扰动面积为7.6 hm2，小于批复的防治责任范围面积7.8 hm2，扰动合规性判定为“合规”(图4A)。以航飞的简阳市某房地产项目为例，项目扰动范围局部超出了项目批复的防治责任范围，扰动面积为4.33 hm2，批复的防治责任范围面积为4 hm2，扰动合规性判定为 “超出防治责任范围边界”(图4B)。

图4 扰动合规性判定示例

2.4 水土保持方案落实情况评价

根据项目水土保持设计方案，对照实景三维成果，可以对项目水土保持方案变更情况、取(弃)土场选址及防护情况、水土保持措施落实情况等进行评价。以航飞的简阳市某弃渣场为例，基于实景三维模型，采用空间长度、面积、体积量算方法，可以对项目水土保持方案中规定的各项指标进行评价(图5)，评价结果见表3。

注：上图设计方案来源于项目水土保持方案[15]。图5 弃土场设计方案与三维模型比对示例

表3 水土保持方案落实情况评价结果示例

2.5 其他水土保持风险或违规行为提取

基于建立的实景三维模型成果，可以对项目范围进行高精度全面检视，利用空间量测方法提取项目高陡边坡、开挖场地等重点部位范围、坡度、坡长、水土流失危害面积等参数信息，判定项目是否存在其他水土保持风险或违规行为。如本研究通过提取发现，简阳市某房地产项目存在较大开挖坡面无防护措施，未按项目水土保持方案“坡面应布设径流排导工程，防止引发崩塌、滑坡等灾害”要求(图6A)。新都区某房地产项目，不满足项目方案中“对临时堆土进行拦挡、苫盖，布设排水沟和沉砂池”等措施要求(图6B)。

图6 其他水土保持风险或违规行为提取示例

3 结 论

综上，无人机倾斜摄影测量技术作为当前新兴的摄影测量技术，在生产建设项目水土保持信息化监管工作中具备较好的适用性。通过资料收集和预处理、无人机倾斜摄影测量、合规性详查等作业工序，可以完成生产建设项目扰动特征、建设状态、扰动合规性、水土保持方案变更情况、表土和取(弃)土场选址及防护情况、水土保持措施落实情况、其他水土保持风险或违规行为识别等大部分监管指标的提取，且具备信息获取丰富、实现真三维量测、综合成本低等优势，相较于传统生产建设项目监管技术手段，具有监管信息提取成本更低、效率更高、比对方式更灵活等优点，在生产建设项目监管工作中具备广阔的应用前景。但目前该技术也面临着设备成本偏高，便携度略低，受空域限制等不足，是进一步推广应用需着力解决的问题。