無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)于河道采砂監(jiān)管中的應(yīng)用

摘? 要：非法河道采砂嚴(yán)重影響防洪、供水、航運(yùn)和水生態(tài)安全。傳統(tǒng)河道采砂監(jiān)管方法面臨著監(jiān)管區(qū)域廣、專職人員少、證據(jù)收集難等困難。文章提出一種基于無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)的采砂行為監(jiān)測(cè)方法，通過(guò)低空航拍測(cè)量快速獲取采砂區(qū)域影像，制作高精度影像和三維模型，確定疑似非法采砂點(diǎn)的位置、面積、堆沙量等信息，為河道采砂行為的監(jiān)測(cè)和管理提供一種新高效經(jīng)濟(jì)的技術(shù)手段。

關(guān)鍵詞：河道采砂監(jiān)管;無(wú)人機(jī);影像;三維模型

中圖分類號(hào)：TP79;P237? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）20-0042-05

Application of UAV Mapping Technology in River Sand Mining Supervision

FU Huasheng

（Fujian Provincial Investigation，Design & Research Institute of Water Conservancy & Hydropower，F(xiàn)uzhou? 350001，China）

Abstract：Illegal river sand mining seriously affects flood control，water supply，shipping and water ecological security. The traditional river sand mining supervision methods are faced with many difficulties，such as wide supervision area，few full-time staff and difficult evidence collection. In this paper，a monitoring method of sand mining behavior based on UAV mapping technology is proposed. Through low altitude aerial photogrammetry，the image of sand mining area can be quickly obtained，and the high-precision image and 3D model can be made to determine the location，area and sand accumulation of suspected illegal sand mining points，which provides a new efficient and economic technical means for the monitoring and management of river sand mining behavior.

Keywords：river sand mining supervision;UAV;image;3D model

0? 引? 言

河道采砂是指在河道管理范圍內(nèi)采挖砂、石、土等活動(dòng)。砂石作為工程建設(shè)中重要的建筑材料，隨著我國(guó)和福建省經(jīng)濟(jì)發(fā)展，其需求量逐漸增加，供需矛盾刺激了河道采砂業(yè)的發(fā)展。近年來(lái)未經(jīng)許可在河道管理范圍內(nèi)采砂、不按許可要求采砂、在禁采區(qū)或禁采期采砂、未經(jīng)批準(zhǔn)在河道管理范圍內(nèi)取土等非法采砂行為常有發(fā)生。河道采砂容易破壞河床、河堤和附屬水利設(shè)施，關(guān)系防洪和通航的安全，同時(shí)造成河水污染，水環(huán)境及水生物環(huán)境改變，影響飲水安全和河道生態(tài)環(huán)境。超范圍、超深度、超時(shí)限、超量的非法采砂對(duì)防洪、供水、航運(yùn)和水生態(tài)安全影響尤為嚴(yán)重，迫切需要對(duì)河道采砂進(jìn)行監(jiān)管，避免非法開(kāi)采。然而目前，河道采砂監(jiān)管工作主要是以執(zhí)法船只或車輛巡邏的方式進(jìn)行，面臨著監(jiān)管區(qū)域廣、專職人員少、證據(jù)收集難等困難，采砂現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常出現(xiàn)采砂量和采砂范圍難以控制等問(wèn)題，急需新的科學(xué)技術(shù)和監(jiān)管手段進(jìn)行河道采砂行為的監(jiān)測(cè)和管理，確保河道采砂行業(yè)的綠色發(fā)展，故福建省水利廳與本單位合作使用無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)輔助河道采砂管理。

無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)以無(wú)人機(jī)為載體，搭載數(shù)碼相機(jī)等設(shè)備快速獲取高分辨率數(shù)字影像和高精度定位數(shù)據(jù)，能夠快速生成數(shù)字高程模型、正射影像圖、數(shù)字地表模型、三維實(shí)景模型數(shù)據(jù)，現(xiàn)已廣泛用于國(guó)家重大工程建設(shè)、災(zāi)害應(yīng)急處理、國(guó)土、水利監(jiān)察等領(lǐng)域。相對(duì)于傳統(tǒng)人工或衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)手段，無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中起飛條件較低、裝配時(shí)間短，能夠快速獲取監(jiān)察區(qū)域的空間信息，具有高效率、低成本、高精度等優(yōu)勢(shì)，為山區(qū)等地形復(fù)雜區(qū)域的采砂監(jiān)管提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。為加強(qiáng)河道采砂監(jiān)管，提升采砂監(jiān)管技術(shù)水平，克服人工發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的不足，結(jié)合無(wú)人機(jī)與航空攝影測(cè)量技術(shù)，通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載數(shù)碼相機(jī)實(shí)時(shí)獲取監(jiān)測(cè)區(qū)域數(shù)字影像，利用攝影測(cè)量技術(shù)制作該區(qū)域數(shù)字正射影像圖及三維模型，并結(jié)合遙感數(shù)據(jù)分析確定疑似非法采砂點(diǎn)的信息，在保證監(jiān)測(cè)速度的同時(shí)保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精度，為早發(fā)現(xiàn)、早制止、早處置違法采砂活動(dòng)提供技術(shù)和數(shù)據(jù)支持。

1? 基于無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)的河道采砂監(jiān)測(cè)方法

作為一種新型測(cè)繪技術(shù)，無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)能在航拍過(guò)程中，記錄定位和飛機(jī)姿態(tài)信息，通過(guò)空中三角測(cè)量解算空間立體模型，建立影像與對(duì)應(yīng)目標(biāo)之間的幾何關(guān)系。隨著GPS輔助光束法平差技術(shù)的進(jìn)步，使得無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量可以實(shí)現(xiàn)在免像控的基礎(chǔ)上保證最終空三平差結(jié)果的精度，極大地減少了外業(yè)的工作量。對(duì)無(wú)人機(jī)遙感圖像即數(shù)字正射影像進(jìn)行判讀和解譯，并將所獲取到的采砂點(diǎn)及堆砂點(diǎn)的位置及相關(guān)證據(jù)提交給監(jiān)管部門，有助于監(jiān)管人員迅速到達(dá)采砂現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)察和處置。

在河道采砂監(jiān)管中，無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)的主要工作步驟為：

（1）前期準(zhǔn)備。依據(jù)管理部門公布的河道采砂計(jì)劃和區(qū)域，確定監(jiān)管河道范圍，確定可采區(qū)范圍及可采期時(shí)間，確定所屬區(qū)域的空域管控要求，辦理飛行備案。同時(shí)確定該區(qū)域的氣象條件，視飛行時(shí)間和情況確定無(wú)人機(jī)機(jī)型。考察河道區(qū)域地形條件，選擇平坦、堅(jiān)固、無(wú)遮擋的起降場(chǎng)地，制定飛行計(jì)劃。

（2）無(wú)人機(jī)外業(yè)測(cè)量。根據(jù)監(jiān)管河道范圍，按照飛行路線涉及范圍內(nèi)的建筑高度規(guī)劃航線高度，依據(jù)季節(jié)和風(fēng)向確定航線方位角。依據(jù)采沙場(chǎng)圖斑塊大小確定影像分辨率和影像重疊度，設(shè)置相機(jī)ISO值。飛行過(guò)程中確保RTK開(kāi)啟，關(guān)注RTK信號(hào)、圖傳信號(hào)、電池電量等信息，全程人工監(jiān)測(cè)，隨時(shí)人工干預(yù)確保安全飛行。飛行后檢查數(shù)據(jù)質(zhì)量。

（3）監(jiān)測(cè)區(qū)域正射影像和三維模型制作。將外業(yè)獲取的影像，利用PhotoScan、ContextCapture Center Master等軟件對(duì)無(wú)人機(jī)獲取的影像進(jìn)行空三加密生成數(shù)字正射影像，重建監(jiān)測(cè)河道區(qū)域內(nèi)的三維模型。

（4）非法采砂點(diǎn)解析。對(duì)內(nèi)業(yè)制作的正射影像和三維模型進(jìn)行解譯，確定采砂點(diǎn)及堆砂點(diǎn)。并測(cè)量采砂點(diǎn)的位置、面積、堆沙量等信息，確定疑似非法采砂點(diǎn)及堆砂點(diǎn)信息，交付相應(yīng)監(jiān)管部門，用于后續(xù)核查。

詳細(xì)流程如圖1所示。

2? 實(shí)施案例

2.1? 監(jiān)測(cè)河道概況

本文以福建省順昌縣無(wú)人機(jī)河道采砂監(jiān)察為例。順昌縣位處福建省西北部丘陵區(qū)，位于閩江上游富屯溪和金溪匯合處（東經(jīng)117°30′～118°14′，北緯26°39′～ 27°12′之間），境內(nèi)山巒起伏連綿，交通縱橫交錯(cuò)，河流錯(cuò)綜復(fù)雜，形成復(fù)雜的地形地貌，由于縣內(nèi)溪河遍布，點(diǎn)多面廣，常規(guī)巡查監(jiān)管難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)非法盜砂行為。順昌縣現(xiàn)有采砂河段主要集中于富屯溪-金溪流域，現(xiàn)有規(guī)劃中境內(nèi)富屯溪-金溪流域的河道采砂可采區(qū)有16個(gè)，位置如圖2所示。為了進(jìn)一步加強(qiáng)河道采砂監(jiān)管，整頓河道采砂秩序，打擊河道非法采砂行為，故采用無(wú)人機(jī)巡查等技術(shù)手段監(jiān)測(cè)河道采砂行為。

順昌縣內(nèi)監(jiān)管河道長(zhǎng)度為66千米，平均河寬約200米，平均海拔為120米，航飛區(qū)域內(nèi)高差為150米。為保證覆蓋全部河道及河岸周邊100米的監(jiān)管范圍，即設(shè)定以河道中心線左右外擴(kuò)250米為此次無(wú)人機(jī)飛行范圍，共計(jì)飛行面積約33平方千米。為保證監(jiān)管范圍內(nèi)采砂點(diǎn)及堆砂點(diǎn)的坐標(biāo)及面積測(cè)量精度，即要求成果數(shù)據(jù)精度滿足1：1 000航測(cè)成圖規(guī)范。

2.2? 監(jiān)測(cè)河道影像獲取及外業(yè)數(shù)據(jù)采集

考慮到該監(jiān)測(cè)河道的長(zhǎng)度和范圍，航攝無(wú)人機(jī)選用大疆精靈4 RTK。該設(shè)備為輕型多旋翼無(wú)人機(jī)，續(xù)航時(shí)間為30分鐘，圖傳距離達(dá)7千米，搭載的影像傳感器有效像素達(dá)到2 000萬(wàn)像素，可采集滿足采砂點(diǎn)監(jiān)測(cè)的高精度遙感影像數(shù)據(jù)。同時(shí)大疆精靈4 RTK搭載了多頻多系統(tǒng)高精度RTK GNSS，不僅支持實(shí)時(shí)差分定位技術(shù)，還記錄衛(wèi)星原始觀測(cè)值及相機(jī)曝光文件，支持動(dòng)態(tài)后處理技術(shù)，可生成厘米級(jí)精度的POS數(shù)據(jù)，可進(jìn)行高精度免相控航測(cè)任務(wù)。

此次監(jiān)察飛行依據(jù)飛行區(qū)域的特點(diǎn)，確定沿河流方向?yàn)闊o(wú)人機(jī)飛行方向，共設(shè)計(jì)6條航線，飛行高度為250米，地面分辨率為6.85厘米/像素，飛行速度為10米/秒，航向重疊率為80%，旁向重疊率為80%。

在外業(yè)飛行測(cè)量過(guò)程中，該測(cè)區(qū)使用兩臺(tái)精靈4 RTK作業(yè)，外業(yè)飛行兩天，共計(jì)44個(gè)架次，獲取無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)8 238張。

在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)均勻選取134個(gè)，不同地形地貌條件下的明顯地物特征點(diǎn)，分別按外業(yè)控制點(diǎn)精度要求量測(cè)其實(shí)地坐標(biāo)，用于內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)檢查。

2.3? 監(jiān)測(cè)河道影像及模型重建

2.3.1? 空三及測(cè)繪成果制作

航測(cè)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理使用ContextCapture Center Master軟件。

新建項(xiàng)目工程后，導(dǎo)入影像、POS數(shù)據(jù)及相機(jī)參數(shù)，設(shè)置平面坐標(biāo)系統(tǒng)（CGCS 2000）及高程系統(tǒng)（國(guó)家85高程），使用精準(zhǔn)POS選項(xiàng)進(jìn)行自動(dòng)空中三角測(cè)量?？杖Y(jié)束后，進(jìn)行重建工作，依次生產(chǎn)三維實(shí)景模型（OSGB格式）、DOM、DSM等測(cè)繪成果。

2.3.2? 快速影像拼接

快速影像拼接流程同常規(guī)正攝影像生產(chǎn)流程基本相同。為滿足數(shù)據(jù)快速處理的需求，需要在保證影像之間連續(xù)并存在重疊區(qū)域的前提下，對(duì)影像抽稀，加速計(jì)算速率，減少內(nèi)業(yè)生產(chǎn)時(shí)間，與此同時(shí)測(cè)繪成果精度也會(huì)顯著降低。

本次數(shù)據(jù)按照獲取時(shí)間分為四個(gè)測(cè)區(qū)進(jìn)行內(nèi)業(yè)處理獲取完成后，利用無(wú)人機(jī)自身記錄的POS數(shù)據(jù)，使用PhotoScan軟件完成。主要包括工程建立、影像導(dǎo)入、空三加密計(jì)算、DEM及DOM生成等步驟，最后將DOM成果導(dǎo)出。以其中一個(gè)測(cè)區(qū)為例：測(cè)區(qū)面積約8.5平方千米，抽稀后原始影像數(shù)量為954幅，在精度最低的要求下，空三時(shí)間為5分42秒，密集點(diǎn)云計(jì)算時(shí)間為19分0秒，DEM處理時(shí)間為29秒，DOM處理時(shí)間為18分5秒。按照上述作業(yè)時(shí)間計(jì)算，僅需1個(gè)小時(shí)即可獲取測(cè)區(qū)DEM及DOM數(shù)據(jù)。

2.3.3? 精度分析

在測(cè)區(qū)范圍均勻選取134個(gè)不同地形地貌條件下的明顯地物特征點(diǎn)，分別按外業(yè)控制點(diǎn)精度要求量測(cè)其實(shí)地坐標(biāo)作為檢查點(diǎn)。與此同時(shí)獲取按照上述兩套作業(yè)流程生產(chǎn)的測(cè)繪產(chǎn)品的圖解坐標(biāo)并分別與檢查點(diǎn)比較：常規(guī)航空攝影測(cè)量成果中獲取到內(nèi)業(yè)加密點(diǎn)對(duì)附近野外控制點(diǎn)的平面中誤差為0.17米，高程中誤差為0.22米，并對(duì)DOM影像數(shù)學(xué)精度進(jìn)行評(píng)價(jià)，成果質(zhì)量滿足CH/Z 3003—2010《低空數(shù)字航空攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范》精度要求;快速影像拼接由于時(shí)效性的原因，導(dǎo)致空三精度降低，內(nèi)業(yè)加密點(diǎn)對(duì)附近野外控制點(diǎn)的平面中誤差為0.43米，高程中誤差為1.23米，且影像邊緣存在扭曲、色彩失真、水面有空洞等問(wèn)題，成果質(zhì)量雖然不滿足CH/Z 3003—2010《低空數(shù)字航空攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范》精度要求，但是作為快速影像，能夠迅速地為河道采砂監(jiān)管及執(zhí)法服務(wù)迅速提供地理位置及執(zhí)法依據(jù)。

2.4? 正射影像圖解譯

制作快速影像圖的目的為河道采砂監(jiān)管及執(zhí)法服務(wù)。影像圖具有很強(qiáng)的時(shí)效性，通過(guò)影像解譯及人工判讀，能夠?qū)Σ缮包c(diǎn)及堆砂點(diǎn)等進(jìn)行準(zhǔn)確判別并確定其地理坐標(biāo)。通過(guò)與可采區(qū)范圍比對(duì)，可以判斷采砂點(diǎn)是否處于可采取區(qū)內(nèi)，以此來(lái)判斷是否為非法采砂點(diǎn);對(duì)于開(kāi)采區(qū)外的堆砂點(diǎn)也應(yīng)調(diào)查砂石來(lái)源，列為重點(diǎn)監(jiān)察對(duì)象。正射影像圖為河道采砂監(jiān)管提供重要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和決策分析依據(jù)，并為快速執(zhí)法提供證據(jù)。疊加可采區(qū)后的部分監(jiān)管河道正攝影像圖如圖3所示。

在圖3中，謨武（一）、謨武（二）2處可采區(qū)，分別位于影像圖的左側(cè)及中部河道。對(duì)上圖遙感影像進(jìn)行解譯，發(fā)現(xiàn)上述可采區(qū)內(nèi)均有采砂點(diǎn)及堆砂點(diǎn)各1處，禁采區(qū)內(nèi)采砂點(diǎn)1處，堆砂點(diǎn)1處。如圖4（a）所示，該處采砂船位于謨武（一）可采區(qū)的可采標(biāo)線內(nèi)，圖4（b）為該可區(qū)附近的堆砂點(diǎn);圖5（a）所示，該處位于可采區(qū)外，為疑似非法采砂點(diǎn)，圖5（b）為上述采砂點(diǎn)的岸上堆砂點(diǎn)。

2.5? 數(shù)字正射影像圖及三維模型的應(yīng)用

快速影像圖的主要作用是為快速執(zhí)法提供非法采砂點(diǎn)的地理坐標(biāo)，對(duì)于時(shí)效性要求很強(qiáng)，因而會(huì)出現(xiàn)部分不足：平面精度不高;無(wú)高程數(shù)據(jù);部分地區(qū)影響會(huì)出現(xiàn)扭曲;水面可能會(huì)出現(xiàn)無(wú)數(shù)據(jù)的漏洞等。數(shù)字正射影像圖及三維模型在解決上述問(wèn)題，并為后期河道采砂監(jiān)管提供有利的幫助：多次正攝影像圖疊加對(duì)比，可以用來(lái)分析當(dāng)前監(jiān)管力度下非法采砂的增長(zhǎng)趨勢(shì);三維模型可以提供三維信息，通過(guò)計(jì)算可以堆砂點(diǎn)的位置，占地面積，堆沙量等數(shù)據(jù)。如圖6所示，該處堆砂場(chǎng)占地面積為1 784平方米，堆沙量為2 792立方米。即使砂石被轉(zhuǎn)移，也可以依靠此次航測(cè)三維模型提供的數(shù)量，為非法采砂取證提供重要幫助。

2.6? 小結(jié)

通過(guò)這次無(wú)人機(jī)測(cè)繪，詳細(xì)結(jié)果如下：在可采區(qū)發(fā)現(xiàn)采砂點(diǎn)13處，堆砂點(diǎn)16處;在非可采區(qū)發(fā)現(xiàn)采砂點(diǎn)5處，堆砂點(diǎn)5處，詳細(xì)統(tǒng)計(jì)如表1所示。

3? 結(jié)? 論

本文主要討論了無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)在河道采砂監(jiān)管中的應(yīng)用，并以順昌縣為例，講述了各種測(cè)繪成果在河道監(jiān)管中的應(yīng)用，提供了一套完整的作業(yè)流程。無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)作為一種遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)技術(shù)，雖然有許多不足之處，但是用于河道采砂監(jiān)管能夠節(jié)省大量人力，同時(shí)獲取大量證據(jù)，提高監(jiān)管的技術(shù)水平。隨著信息化技術(shù)的進(jìn)步，無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)與地理信息系統(tǒng)等新技術(shù)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)河道采砂的實(shí)時(shí)監(jiān)管。

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作者簡(jiǎn)介：付化勝（1982.10—），男，漢族，江蘇銅山人，工程師，本科，研究方向：攝影測(cè)量及遙感、地理信息系統(tǒng)。