無人機遙感技術(shù)在河湖岸線監(jiān)管中的應(yīng)用研究

金晶　龐亞威　溫旋　王盟

摘? 要：針對目前河湖岸線監(jiān)管手段技術(shù)程度不高、監(jiān)管時效性低及覆蓋范圍不全等問題，文章提出引入無人機遙感技術(shù)，通過無人機三維傾斜攝影、遙感航攝等手段實時高效采集河湖岸線監(jiān)測數(shù)據(jù)，及時發(fā)現(xiàn)、判別，及統(tǒng)計上報涉河涉湖問題，全面、直觀地為河長巡河發(fā)現(xiàn)問題、解決問題提供決策依據(jù)，為河湖綜合治理提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：無人機遙感技術(shù);河湖岸線監(jiān)測;三維傾斜攝影

中圖分類號：V249.1? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）14-0175-02

Abstract： Aiming at the problems such as the low technical level of the river and lake shoreline monitoring means， the low timeliness of monitoring and the incomplete coverage， this paper proposes to introduce the remote sensing technology of unmanned aerial vehicle （UAV）. Through real-time and high-efficient data collection of river and lake shoreline monitoring by means of unmanned aerial vehicle 3D tilt photography and remote sensing aerial photography， we should timely discover， discriminate and calculatethe reported problems involving rivers and lakes， so as to provide decision-making basis for finding and solving problems in river patrol and provide technical support for river and lake comprehensive harness.

Keywords： remote sensing technology for unmanned aerial vehicles; river and lake shoreline monitoring; 3D tilt photography

引言

河湖岸線監(jiān)管是一項復雜的系統(tǒng)工程，目前，河湖岸線資源的利用還存在諸多無序開發(fā)和監(jiān)管不到位的問題。傳統(tǒng)的巡查監(jiān)管主要依靠人工，手段單一，對一些違規(guī)違法行為不能及時發(fā)現(xiàn)和處理，執(zhí)法周期長，執(zhí)行難度大。隨著無人機技術(shù)在各個領(lǐng)域的應(yīng)用推廣，及遙感技術(shù)的快速發(fā)展，無人機遙感技術(shù)在國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域發(fā)揮了越來越重要的作用。將其引入河湖岸線的日常監(jiān)測管理，不僅可以大大提高河湖岸線監(jiān)管效率，還可從人力和時間投入等方面降低河湖岸線監(jiān)測管理的成本，提高水域岸線等水生態(tài)空間的管控能力。

1 低空遙感技術(shù)概念及優(yōu)勢

無人機遙感技術(shù)是集先進的無人駕駛飛行器技術(shù)、遙感傳感器技術(shù)、遙測遙控技術(shù)、通訊技術(shù)、GPS差分定位技術(shù)和遙感應(yīng)用技術(shù)為一體的新型應(yīng)用技術(shù)[1]。通過將無人機搭載數(shù)碼相機、多光譜成像儀、三維激光掃描儀等設(shè)備，可執(zhí)行多目標任務(wù)。具有實時化、高分辨率、靈活機動、高性價比等優(yōu)勢。無人機遙感技術(shù)在生態(tài)環(huán)境保護、水利、自然災(zāi)害監(jiān)測與評估、測繪等領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用[2]。利用無人機遙感手段開展河湖岸線監(jiān)測，主要是通過三維傾斜攝影、正射航拍、航空視頻、紅外探測等方式獲取河湖岸線現(xiàn)狀的數(shù)據(jù)，并實施有效解譯，形成河湖岸線監(jiān)測管理成果。

2 無人機遙感監(jiān)測河湖岸線的內(nèi)容及方式

2.1 河湖水域岸線資源利用管理情況監(jiān)測

依法劃定河湖管理范圍，落實規(guī)劃岸線分區(qū)管理要求[3]。明確不同管理范圍內(nèi)涉河項目的合法合規(guī)性，對以各種名義侵占河道、圍墾湖泊、超標排污、非法采砂，亂占濫用岸線、破壞航道、電毒炸魚等違規(guī)違法行為進行梳理、分類，并根據(jù)管理范圍明確對應(yīng)的監(jiān)測清單。采用無人機傾斜攝影，建立河道實景三維模型，通過模型構(gòu)建和細節(jié)監(jiān)測觀察，對照清單排查河湖岸線管理中的各種問題，并通過無人機實時跟蹤問題整改進展。

2.2 污染物排放情況監(jiān)測

利用無人機航拍影像、紅外探測等方式，通過數(shù)據(jù)解譯，及時發(fā)現(xiàn)污染物排放問題，包括城鎮(zhèn)生活垃圾、雨污不分流，畜禽養(yǎng)殖糞便排放、農(nóng)業(yè)面污染源、船舶污染、危化品運輸、泄漏等造成的污染物排放。重點對排污口及其所在水域進行監(jiān)測。通過監(jiān)測視頻觀測及探測數(shù)據(jù)分析，整理并形成監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過成果記錄及管理、將發(fā)現(xiàn)的問題處置并報送河長辦。通過無人機定期巡查和突擊檢查，達到污水不出門的監(jiān)管目的。

2.3 整治行動、問題處理的落實及效果監(jiān)測

針對已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的問題，通過無人機航拍監(jiān)測處理進度和整治效果。如黑臭水體的治理、河道疏浚計劃的實施、非法建設(shè)碼頭等項目的拆除、生態(tài)長廊的保潔維護、綠化美化計劃的實施、地籍標志及警示標志等維護管理情況等。

3 無人機遙感河湖岸線監(jiān)測平臺設(shè)計

根據(jù)河湖岸線監(jiān)測范圍和精度要求確定監(jiān)測數(shù)據(jù)采集的方式及平臺，根據(jù)不同飛行器的特點，搭載各類相機、傳感器等數(shù)據(jù)采集設(shè)備，獲取監(jiān)測基礎(chǔ)資料。本研究以固定翼搭載普通視頻相機，對河湖岸線進行全覆蓋的視頻監(jiān)測，及以多旋翼搭載傾斜攝影相機，進行三維實景模型對比監(jiān)測，進行監(jiān)測平臺的設(shè)計。

3.1 無人機航拍影像監(jiān)測平臺構(gòu)建及應(yīng)用

固定翼無人機是指由動力裝置產(chǎn)生前進的推力或拉力，由機身的固定機翼產(chǎn)生升力，在大氣層內(nèi)飛行的重于空氣的航空器。固定翼無人機的速度快，升限高、續(xù)航航程遠時間長，攜行稍困難，適合航空視屏拍攝及較大面積測繪。對某一區(qū)域的河湖岸線開展日常監(jiān)測之前，需對監(jiān)測河道進行一次全線的基礎(chǔ)測繪，即使用其搭載高精度數(shù)碼相機，對監(jiān)測河道進行低空大比例尺圖像航拍，經(jīng)軟件處理形成河道測量矢量圖及正射影像圖，作為河道/工程監(jiān)測的基底圖，供監(jiān)測過程使用。此外，將固定翼無人機搭載高精度數(shù)碼攝像機，對被監(jiān)測范圍進行視頻拍攝。作為各級河長最直觀的巡河方式，代替監(jiān)測及巡河人員親臨現(xiàn)場，通過全覆蓋的視頻播放觀看河湖岸線真實外觀，發(fā)現(xiàn)違法、違章占用岸線資源的行為，及水體污染、垃圾排放、堆放等情況。以DF100+為例，應(yīng)用無人機航拍APP平臺進行航測任務(wù)規(guī)劃及飛行控制。飛行航高可設(shè)為120米，在無特殊天氣情況下，根據(jù)風力進行自動調(diào)節(jié)后，保持勻速飛行，正常情況下，可設(shè)定8m/s的速度進行監(jiān)測視頻拍攝;拍攝參數(shù)方面，鏡頭為FOV 94°20mm（35mm格式等效），視頻ISO（感光度）范圍為100-3200;將每塊電池作為一個飛行架次，每次可飛行4公里?？紤]到電池待機和圖傳質(zhì)量，每個架次飛行時間控制在17分鐘左右為宜。

3.2 三維傾斜攝影模型對比監(jiān)測平臺構(gòu)建及應(yīng)用

監(jiān)測平臺主要組成包括多旋翼無人機、APP、圖傳設(shè)備、電腦終端及影像傳感器等，其中無人機設(shè)備由飛行器、云臺、相機、遙控器、充電器、圖傳、智能飛行電池等構(gòu)成。多旋翼無人機是指多于3個軸以上的旋翼機，通過槳之間相對轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)拉力和扭矩，控制飛行器懸停、旋轉(zhuǎn)或航線飛行。多旋翼無人機承重大、飛行穩(wěn)定，速度可快可慢、好懸停，操縱簡單、成本較低，續(xù)航時間短。傾斜攝影時更方便采集各角度圖像，適合小范圍測繪。較之于固定翼飛機，多旋翼無人機可適當降低飛行高度，提高成像的清晰度，將其搭載五鏡頭傾斜攝影相機，可進行360度的航空拍攝和傾斜攝影測量，通過系統(tǒng)自帶軟件，根據(jù)監(jiān)測需要建立三維傾斜實景模型。首次監(jiān)測時，對監(jiān)測河道/工程進行一次全線的模型構(gòu)建，形成基底模型。后期監(jiān)測時，只需針對河道重要部位、水工建筑物、及發(fā)現(xiàn)問題的區(qū)域等進行局部拍攝和建模。通過模型細節(jié)的觀測，發(fā)現(xiàn)河湖岸線管理中新增的問題，并對已發(fā)現(xiàn)的問題進行跟蹤監(jiān)測和進展情況對比分析。

飛行監(jiān)測按航線設(shè)計、航攝飛行、質(zhì)量檢查、補飛與重飛、像控測量、影像處理等步驟開展[4]。以大疆M600Pro為例，根據(jù)河湖岸線監(jiān)測管理工作需要，設(shè)定監(jiān)測飛行及拍攝等技術(shù)指標。（1）飛行一般可設(shè)定航高150米，速度8m/s，在無特殊天氣情況下，根據(jù)風力自動調(diào)節(jié)并保持勻速飛行;（2）拍攝分辨率為2400萬像素。相片像幅為4000cm*6000cm;（3）地面影像分辨率優(yōu)于3cm，構(gòu)筑物基頂部高差精度和其他特征平面精度不低于5cm;（4）數(shù)據(jù)采集效率指標方面，受電池續(xù)航能力限制，設(shè)備1個架次作業(yè)時長0.5小時。飛行控制器安全控制范圍，即作業(yè)半徑為1km，單次飛行作業(yè)面0.2km2;（5）對河道的監(jiān)測一般是沿河道中心線向兩側(cè)各延伸150m的帶狀測區(qū)，單項監(jiān)測帶寬300m。排除特殊天氣，綜合考慮作業(yè)對光線的要求，及飛機往返、起降準備及電池更換等時間消耗，每個工日單架飛機可安排8-10個架次作業(yè)。

3.3 低空遙感監(jiān)測的質(zhì)量控制

3.3.1 低空遙感采集控制

根據(jù)監(jiān)測任務(wù)具體要求，分析并圈定調(diào)查區(qū)域，在了解任務(wù)區(qū)域基本地理信息、天氣及航空管制情況后，制定飛行方案， 確定起降點、航線、飛行高度和飛行架次等。根據(jù)飛行方案、區(qū)域地形、地質(zhì)條件、航程、載荷和經(jīng)費等要求，對無人機系統(tǒng)的參數(shù)進行酌情調(diào)整和確定。由于無人機機體小、重量輕， 在空中易受到氣流干擾，需根據(jù)影像精度要求、航速、飛行高度和相機參數(shù)等確定合理的相機拍攝時間間隔， 從而獲取滿足數(shù)據(jù)處理要求的重疊影像。為保證河湖岸線監(jiān)測影像的質(zhì)量， 要求其影像航向重疊度控制在70%～85%、旁向重疊度控制在35%～60%。對于水工建筑物上方及周邊存在高壓線等影響因素，為避免高壓線磁場對無人機無線電的影響，飛行高度應(yīng)相應(yīng)作出調(diào)整。

3.3.2 補測、修測

針對航拍無法直接發(fā)現(xiàn)的區(qū)域，如河湖排污口、污水車等，或視頻巡河發(fā)現(xiàn)的需具體調(diào)查的問題，可安排外業(yè)人員利用測繪儀器，手持終端設(shè)備，GPS設(shè)備等進行針對性的實地勘察、核查、補充或修正測量。此外，使用多旋翼無人機搭載普通相機進行鎖定位置的近距離拍照取證，及跟蹤監(jiān)測，也可通過肉眼觀測到現(xiàn)場調(diào)查無法到達的位置。將定期遙感監(jiān)測、人工取樣監(jiān)測和站網(wǎng)自動監(jiān)測相結(jié)合，加強河湖主要交匯處、重要水功能區(qū)和入河湖排污口等重點區(qū)域的岸線資源監(jiān)測。

4 結(jié)束語

本研究將無人機低空遙感技術(shù)引入河湖岸線的日常監(jiān)測管理，充分應(yīng)用無人機遙感技術(shù)、計算機數(shù)據(jù)處理、無線和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等科技手段，實現(xiàn)對河湖岸線工程高精度實時監(jiān)測，可以達到及時、準確、全面獲取河湖岸線監(jiān)管信息的目的，改善傳統(tǒng)監(jiān)管模式信息獲取不及時、監(jiān)測覆蓋面窄和工作效率低的問題。該技術(shù)在河湖岸線日常管理中的應(yīng)用和推廣，將大大提高河湖岸線監(jiān)管工作的覆蓋面和實效性，監(jiān)測過程中產(chǎn)生的視頻和三維模型數(shù)據(jù)，經(jīng)獲取、管理和存儲，也將為監(jiān)管信息提供良好的可追溯性，為輔助各級河長履職盡責，推動河長制工作從“全面建立”走向“長效管理”提供良好的技術(shù)支撐。

參考文獻：

[1]饒帥雄.利用UASMaster對無人機航空影像數(shù)據(jù)進行正射影像制作方法的研究[J].測繪通報，2015（50）：216-218.

[2]林順海，陳峰，趙國慶，等.基于“河長制”下無人機遙感技術(shù)的應(yīng)用探討[J].浙江水利科技，2017（4）：21-23.

[3]中共中央辦公廳，國務(wù)院辦公廳.關(guān)于全面推行河長制的意見[EB/OL].2016-12-11.新華社.http：//www.mwr.gov.cn/ztpd/gzzt/hzz/zyjs/201708/t20170811_973312.html.

[4]楊愛玲，孫汝岳，徐開明.基于固定翼無人機航攝影像獲取及應(yīng)用探討[J].測繪與空間地理信息，2010，33（5）：160-162.