無人機(jī)和GIS技術(shù)在河道巡查中的應(yīng)用

羊海東 ，鄒宏亮

（1.浙江省河海測(cè)繪院，浙江 杭州 310008；2.浙江省水利防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310020）

1 問題的提出

近年來，在浙江省政府實(shí)施“五水共治”戰(zhàn)略、全面實(shí)施“河長制”的大背景下，浙江省水利廳開展“無違建河道”創(chuàng)建工作。為了推進(jìn)無違建河道的創(chuàng)建，河道管理部門需要對(duì)河道進(jìn)行摸底調(diào)查、掌握違建信息，傳統(tǒng)調(diào)查方法主要有2種:①采用人工巡查方式進(jìn)行調(diào)查，需要投入大量的人力、物力、財(cái)力，且存在效率低下、實(shí)施周期長等問題，不能很好地達(dá)到預(yù)期目標(biāo)；②利用衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行調(diào)查，雖然具有效率高、覆蓋全面等特點(diǎn)，但由于河道曲折、范圍廣，衛(wèi)星遙感影像獲取成本高、更新不及時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中有一定限制。

隨著無人機(jī)技術(shù)日漸成熟，在低空數(shù)據(jù)采集方面作用越來越重要，能夠?yàn)榈涂招l(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和航空衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)提供有效的補(bǔ)充[1]。本文探討利用無人機(jī)技術(shù)進(jìn)行河道巡查，拍攝河道流域視頻和重點(diǎn)區(qū)域照片，根據(jù)河道管理范圍提取疑似違建信息，并基于GIS技術(shù)開發(fā)河道違建巡查系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)河道違建管理的信息化。

2 河道巡查中無人機(jī)數(shù)據(jù)采集與處理

2.1 無人機(jī)數(shù)據(jù)采集和處理

2.1.1 前期準(zhǔn)備

無人機(jī)數(shù)據(jù)采集前，需充分收集與巡查河道有關(guān)的地形圖、影像等資料數(shù)據(jù)，了解巡查區(qū)域河流走向、堤防（護(hù)岸）、地形地貌、氣象條件以及機(jī)場(chǎng)重要設(shè)施等情況，規(guī)劃巡查路線、根據(jù)氣象條件確定巡查日期。到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后，對(duì)可能影響飛行安全的危險(xiǎn)因素進(jìn)行排查，包括環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、人力風(fēng)險(xiǎn)、質(zhì)量及技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)[2]，標(biāo)注飛行航路上的高層建筑、電力線路，跨越的大型建筑、橋梁、高速公路、鐵路，尤其是電氣化高鐵，移動(dòng)通信塔等對(duì)數(shù)據(jù)鏈信號(hào)有干擾設(shè)施；以及探明有無機(jī)場(chǎng)、軍用設(shè)施等敏感區(qū)域。

2.1.2 視頻拍攝與處理

無人機(jī)進(jìn)行河道巡查拍攝時(shí)，盡量選取天氣晴朗時(shí)進(jìn)行，能見度5 km以上；飛行高度一般控制在相對(duì)高度50 ～150 m，以確保足夠分辨率，并具體根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)河流寬度進(jìn)行調(diào)整，保證覆蓋范圍；無人機(jī)飛行過程中，避免急轉(zhuǎn)彎和劇烈抖動(dòng)。視頻拍攝時(shí)，利用GPS等定位設(shè)備同步采集飛行路徑。

視頻成果使用非線性視頻編輯軟件如EDIUS、AfterEffects等，進(jìn)行部分剪輯，去除無關(guān)部分，保留主要航攝目標(biāo)部分。對(duì)原始素材進(jìn)行初剪、精剪完畢后，確認(rèn)視頻無遺漏，保證發(fā)布格式視頻的質(zhì)量，通過視頻能夠比較明顯的分清地物，在保證播放流暢的條件下提高清晰度與真實(shí)性。對(duì)排查到的疑似違法建筑物（判別方法見本文“2.2河道疑似違建信息判別和提取”）進(jìn)行視頻截取，并在視頻中對(duì)疑似違法建筑物進(jìn)行跟蹤標(biāo)注處理。

2.1.3 空中全景拍攝與處理

無人機(jī)對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行全景拍攝時(shí)，飛行高度依據(jù)實(shí)際航攝地點(diǎn)地形確定，保證覆蓋全部區(qū)域；相機(jī)航攝參數(shù)應(yīng)依據(jù)光線、天氣等環(huán)境進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，以畫面曝光均勻、無噪點(diǎn)、無焦距偏移為準(zhǔn)則，多幅影像航攝參數(shù)應(yīng)保持一致?，F(xiàn)場(chǎng)拍攝時(shí)，應(yīng)及時(shí)檢驗(yàn)航攝數(shù)據(jù)，若存有數(shù)據(jù)質(zhì)量不佳，應(yīng)重新調(diào)整航攝參數(shù)，直到符合要求為止。具體方法為:無人機(jī)穩(wěn)定在一定的高度上空懸停，操作人員注視監(jiān)控器，遵循每張平面照片至少30%的重合部分，拍攝5圈共33張照片，即前4圈為云臺(tái)向天空30°、水平0°、向地30°、向地60°三個(gè)方向，間隔45°自轉(zhuǎn)拍攝8張照片；最后云臺(tái)向地90°方向拍攝1張拍照。

使用Kolor AutopanoGiga、Pano2vr等軟件制作全景圖，再用Photoshop對(duì)全景照片進(jìn)行色溫、色調(diào)、曝光、對(duì)比度、陰影、亮光、飽和度等一系列參數(shù)的調(diào)整，使得全景圖的清晰度、色彩等達(dá)到較好的效果[3-4]。圖片拼接時(shí)應(yīng)對(duì)拼接結(jié)果進(jìn)行預(yù)覽和實(shí)時(shí)調(diào)整，要求無拼接縫、無重影等。對(duì)于無法拍攝到天頂部分，需要在地面對(duì)天空補(bǔ)拍，或后期找天空素材合成。

2.2 河道疑似違建信息判別和提取

2012年1月1日起施行的《浙江省河道管理?xiàng)l例》第十八條[5]對(duì)河道管理范圍作了明確要求。根據(jù)該要求，判別疑似違法建筑物可分為3類:一是現(xiàn)狀堤腳線清晰，以堤腳線為基準(zhǔn)，在堤腳線以內(nèi)的排查為疑似違法建筑物；二是現(xiàn)狀堤腳線無法判別的，臨河而建的建筑物視為疑似違法建筑物；三是現(xiàn)狀堤腳線無法判別的，臨河一定距離（一般是7 m）而建的獨(dú)立建筑物視為疑似違法建筑物。3種疑似違法建筑物類型見圖1。

圖 1 3 種疑似違法建筑物類型圖

對(duì)于疑似違法建筑物，根據(jù)視頻資料截取關(guān)鍵圖片，在圖片中劃出相關(guān)疑似違法建筑物，同時(shí)在Google Earth中提取相關(guān)坐標(biāo)信息，通過ArcGIS軟件進(jìn)行坐標(biāo)提取和面積計(jì)算，對(duì)疑似違法建筑物的坐落位置進(jìn)行調(diào)查，并填寫疑似違法建筑物信息表（見圖2），標(biāo)明違法信息名稱、位置描述信息、坐標(biāo)信息、面積、備注和位置圖。

圖2 疑似違法建筑物信息表示例圖

3 基于GIS的河道巡查系統(tǒng)開發(fā)

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)

河道巡查管理系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)軟硬件的支持下，基于GIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)河道疑似違建信息在地圖上的空間顯示，實(shí)現(xiàn)疑似違建對(duì)象屬性信息、視頻、全景成果統(tǒng)一管理和快速查詢、定位，有助于督查河道的拆違控違。系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，利用數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)巡查河道、疑似違建、飛行路徑等信息，網(wǎng)頁端采用JavaScript、JSON等技術(shù)進(jìn)行功能開發(fā)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)見圖3。

圖 3 系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)圖

河道巡查視頻與地圖聯(lián)動(dòng)是本系統(tǒng)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，即視頻中河道巡查到特定位置時(shí)，在地圖上能夠動(dòng)態(tài)定位，實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)更新。為實(shí)現(xiàn)視頻、地圖聯(lián)動(dòng)功能，需要對(duì)巡查視頻進(jìn)行地理空間位置解析，根據(jù)時(shí)間軸制作字幕文件，存儲(chǔ)地理空間位置信息。系統(tǒng)在播放河道巡查視頻時(shí)，利用流媒體插件Ckplayer的監(jiān)聽函數(shù)獲取當(dāng)前播放時(shí)間，讀取地理空間位置，動(dòng)態(tài)刷新地圖位置。監(jiān)聽函數(shù)關(guān)鍵代碼如下:

var xmlDoc = loadXML(strXml)；

var arr = parseXml(xmlDoc，t)；

if (t ＞ -1) {

CKobject._K_(‘nowTime’).innerHTML = ‘當(dāng)前播放的時(shí)間點(diǎn)是:’ + t + arr[0] + arr[1]；

DituRefresh(arr[0]，arr[1])；}；

系統(tǒng)基于Krpano進(jìn)行全景展示時(shí)，可利用Krpano與客戶端的相互調(diào)用機(jī)制，通過Krpano.call（“l(fā)oadscene（“+sceneName+”，null，MERGE）”）等接口，實(shí)現(xiàn)地圖位置與全景場(chǎng)景的聯(lián)動(dòng)。

3.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與展示

河道巡查系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫采用Microsoft SQL Server2008，GIS服務(wù)器為Super Map iServer8C。系統(tǒng)引用浙江天地圖的網(wǎng)絡(luò)切片服務(wù)作為地理底圖，可在矢量地圖與影像地圖間進(jìn)行切換，具備基礎(chǔ)地理信息操作功能。河道巡查成果展示功能具體包括:

（1）巡查河流完整無人機(jī)空中視頻，采用流媒體技術(shù)播放多旋翼無人機(jī)采集的沿河道上空線性采集的視頻，視角能清晰覆蓋河流兩岸及周圍規(guī)定范圍內(nèi)的建筑情況，直觀地反映河流概貌。

（2）河流定位功能，將河流的矢量圖形發(fā)布成網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)，采用GIS的空間分析功能，通過河流的名字查詢定位到河流圖形的具體位置。

（3）違章詳情查看，以表格形式展示河流的違章詳情，包括違章點(diǎn)列表、特征點(diǎn)坐標(biāo)、違章點(diǎn)二級(jí)定位，通過定位到的違章建筑標(biāo)記，可以打開違章段視頻、全景、圖片的展示界面。

系統(tǒng)界面見圖4。

圖 4 浙江省河道巡查管理系統(tǒng)圖

4 結(jié)論和展望

利用無人機(jī)技術(shù)高效、機(jī)動(dòng)靈活、低成本的優(yōu)點(diǎn)，獲取河道高清視頻和重點(diǎn)區(qū)域全景照片，開展疑似涉水違法建筑物排查，提取河道疑似違建對(duì)象的地理位置、特征坐標(biāo)、視頻、全景等數(shù)據(jù)，并基于GIS技術(shù)開發(fā)河道違建管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)疑似違建對(duì)象成果的信息化管理，為河道管理部門提供宏觀輔助決策支持。本技術(shù)相較于傳統(tǒng)方法，其效率有了很大的提升，在后續(xù)應(yīng)用中，若突破無人機(jī)性能限制，其效率還有進(jìn)一步提升的空間。此外，本技術(shù)已在浙江省級(jí)河道巡查中成功應(yīng)用，并得到河道管理部門、水政執(zhí)法部門的肯定，有助于開展“無違建河道”創(chuàng)建工作，值得進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。

目前，無人機(jī)技術(shù)已得到廣泛的發(fā)展和應(yīng)用，GIS技術(shù)也在各行各業(yè)發(fā)揮著積極的作用。兩者的結(jié)合，也能在水利行業(yè)更好地為防災(zāi)減災(zāi)、流域調(diào)查、水利工程管理等方面提供更加高效、快捷、優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，助力浙江省水利事業(yè)的發(fā)展。