基于無人機(jī)測(cè)繪數(shù)據(jù)的河道水環(huán)境治理應(yīng)用研究

陳國(guó)麗，林文潔，姚雨彤，陶慧華，文定夢(mèng)

(1.南寧市水利局，廣西 南寧 530000;2.南寧市水土保持分站，廣西 南寧 530000;3.南寧市水資源管理服務(wù)中心，廣西 南寧 530000;4.廣州中科云圖智能科技有限公司，廣東 廣州 510000)

我國(guó)地域遼闊，水資源豐富，但是隨著人類活動(dòng)范圍的不斷擴(kuò)大，河流、湖泊以及沿海等地的水污染問題日益突出，因此，我國(guó)提出了一系列水資源保護(hù)政策和措施，其中監(jiān)測(cè)技術(shù)作為水污染處理的一項(xiàng)重要技術(shù)，得到了一定的研究和發(fā)展[1- 2]。

河道作為城市的基礎(chǔ)市政工程建設(shè)項(xiàng)目，具有防洪、抗旱和休閑等優(yōu)點(diǎn)，但是城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展給河道水環(huán)境帶來巨大挑戰(zhàn)[3]，主要的污染來源有淤積、工業(yè)廢水和城市垃圾等。針對(duì)河道水污染問題，傳統(tǒng)的治理手段主要有自然修復(fù)和微生物治理法等[4]。傳統(tǒng)的治理手段短期內(nèi)效果較為明顯，但是后繼乏力，且重在水質(zhì)提升而監(jiān)測(cè)效果較差[5]。因此，本文將根據(jù)河道水環(huán)境的治理及監(jiān)測(cè)重點(diǎn)，通過無人機(jī)梯級(jí)測(cè)繪技術(shù)將大范圍及復(fù)雜流域的河道測(cè)繪問題進(jìn)行簡(jiǎn)化，形成一套完整的監(jiān)測(cè)體系，進(jìn)而輸出監(jiān)測(cè)成果及提出預(yù)防和治理措施。

無人機(jī)梯級(jí)測(cè)繪需要對(duì)河道相關(guān)資料進(jìn)行分類和分層次整理，進(jìn)而采取分類測(cè)繪和分類輸出成果，從而有針對(duì)性地進(jìn)行河道治理[6- 7]。當(dāng)下無人機(jī)定點(diǎn)和定位測(cè)繪技術(shù)已經(jīng)較為成熟，但是針對(duì)河道特點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行分層測(cè)繪還存在一些難點(diǎn)[8]，因此，本文主要目的是研究無人機(jī)分層測(cè)繪技術(shù)，并結(jié)合實(shí)際測(cè)繪項(xiàng)目進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證，以便為河道水環(huán)境預(yù)防和治理提供更優(yōu)選擇。

1 測(cè)繪設(shè)備及測(cè)繪技術(shù)

1.1 測(cè)繪設(shè)備

本研究采用的測(cè)繪設(shè)備為TrimbleUX5無人機(jī)，它由硬件、外業(yè)和內(nèi)業(yè)3個(gè)系統(tǒng)組成，同時(shí)具有飛行穩(wěn)定、對(duì)天氣依賴性小、軟硬件兼容性好、先進(jìn)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和直觀的操作流程等優(yōu)勢(shì)，無人機(jī)測(cè)繪現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物圖如圖1所示。結(jié)合EPS數(shù)據(jù)處理軟件，為提供準(zhǔn)確的測(cè)繪數(shù)據(jù)提供了有利保障，測(cè)繪的流程如圖2所示。

圖1 無人機(jī)測(cè)繪現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物圖

圖2 無人機(jī)測(cè)繪流程圖

1.2 梯級(jí)測(cè)繪技術(shù)

本研究采用的無人機(jī)梯級(jí)測(cè)繪技術(shù)需要3個(gè)輔助技術(shù)配合，即傾斜攝影、無人機(jī)遙感影像合成和地圖配準(zhǔn)3項(xiàng)技術(shù)，技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)參考城市測(cè)量規(guī)范，通過Pix4Dmapper進(jìn)行測(cè)量影像的合成。所運(yùn)用的算法為點(diǎn)云成像算法，測(cè)繪具體實(shí)施方式為：①設(shè)定邊界條件。對(duì)測(cè)量范圍內(nèi)的待測(cè)點(diǎn)根據(jù)測(cè)繪需求劃分層次，如可將河道兩側(cè)建筑物劃分為民用、商用或市政建筑。②劃分水污染層次。將水污染分為點(diǎn)源和面源兩類污染或者生活、農(nóng)業(yè)和工業(yè)三類污染，然后分別對(duì)劃分的層次進(jìn)行測(cè)量。③測(cè)繪點(diǎn)位坐標(biāo)建立。對(duì)不同層次和不同的測(cè)繪對(duì)象分別進(jìn)行定位，便于無人機(jī)進(jìn)行點(diǎn)位抓取和路線規(guī)劃，并通過坐標(biāo)和點(diǎn)位進(jìn)行測(cè)繪工作[9- 10]。測(cè)繪區(qū)域部分檢測(cè)點(diǎn)平面和高程測(cè)繪精度見表1—2。

表1 部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面精度

通過梯級(jí)測(cè)繪，能將劃分的不同層次或不同類別測(cè)繪結(jié)果進(jìn)行輸出，如圖3所示。然后將各層次或各類別測(cè)繪成果通過Pix4Dmapper進(jìn)行成果疊加得到最終的測(cè)繪成果，由于測(cè)量元素獨(dú)立，各層次測(cè)繪成果獨(dú)立，因此最后的疊加結(jié)果精度高且清晰。

表2 部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)高程精度

圖3 測(cè)繪成果疊加圖

2 應(yīng)用案例及分析

2.1 工程概況

為了驗(yàn)證無人機(jī)梯級(jí)測(cè)繪技術(shù)在河道水環(huán)境治理中的應(yīng)用效果，本次以某市河道水環(huán)境監(jiān)測(cè)及治理項(xiàng)目為背景，該河道屬于市級(jí)控制的一級(jí)支流，河道兩岸房屋較多，排污設(shè)施等較為復(fù)雜，水環(huán)境污染較為嚴(yán)重，該河道某段實(shí)物圖如圖4所示，從圖中可以看出，河道該段周邊主要是工業(yè)園區(qū)，水質(zhì)遭到嚴(yán)重污染，主要污染來源是工業(yè)污水，且水體存在富營(yíng)養(yǎng)化等問題。該治理項(xiàng)目主要是為了識(shí)別河道及其周邊水污染狀況，以確定具體需要治理的區(qū)域，明確污染情況對(duì)周邊造成的影響，為治理工作的開展提供保障。

測(cè)繪工作開展時(shí)無人機(jī)飛行方向?yàn)槲鞅敝翓|南，根據(jù)地形、污染情況和續(xù)航時(shí)間等情況劃分點(diǎn)位和區(qū)域，本次測(cè)繪無人機(jī)的相機(jī)型號(hào)為索尼NEX5，焦距為15mm，整個(gè)測(cè)繪工作共設(shè)置了27條航線，需要拍攝400多張影像圖，航向和旁向的重合度都是80%，滿足相關(guān)規(guī)范要求；本次測(cè)繪無人機(jī)的最低飛行高度為200m，最高飛行高度為220m，也滿足相關(guān)規(guī)范要求。

圖4 某段河道測(cè)繪實(shí)物圖

2.2 無人機(jī)測(cè)繪數(shù)據(jù)處理

通過UASmaster軟件對(duì)無人機(jī)測(cè)繪數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，該軟件具有十分簡(jiǎn)單和直觀的處理流程，從而獲得測(cè)繪影像和模型等測(cè)繪成果，數(shù)據(jù)的后處理主要分為以下幾步：①預(yù)處理。首先在軟件初始界面里創(chuàng)建一個(gè)新的工程，導(dǎo)入測(cè)繪數(shù)據(jù)，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行糾正等預(yù)處理工作。②空三加密和平差。通過軟件對(duì)數(shù)據(jù)空三加密處理，主要是為了得到重合影像的連接點(diǎn)，進(jìn)而獲得不同影像的相對(duì)位置；然后自動(dòng)進(jìn)行平差計(jì)算，達(dá)到有效的連接點(diǎn)能匹配影像效果較差的區(qū)域。③像控點(diǎn)測(cè)量。通過軟件中的像控點(diǎn)對(duì)上述成果繼續(xù)進(jìn)行校正[11- 14]。

2.3 測(cè)繪結(jié)果分析

通過將排污口等污染點(diǎn)源的坐標(biāo)、高度、角度、影像數(shù)據(jù)和灰度矩陣等測(cè)繪數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，并將不同點(diǎn)污染的測(cè)繪結(jié)果進(jìn)行識(shí)別和差異化處理。通過顏色深淺差異表示污染的程度，顏色越深表示污染程度越嚴(yán)重，顏色越淺表示污染程度越輕；通過點(diǎn)位的大小表示污染物的排放量和影響范圍，點(diǎn)位越大表示污染物的排放量和影響范圍越大，點(diǎn)位越小表示污染物的排放量和影響范圍越小。

相對(duì)于點(diǎn)源測(cè)繪，面源測(cè)繪工作相對(duì)較為復(fù)雜，因?yàn)槊嬖礇]有特定的點(diǎn)位和半徑，但是由于面源的污染主要是農(nóng)業(yè)污染，如種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)等造成的，污染物通過各處的支流或者水渠統(tǒng)一匯入到河道中，其污染物分布范圍較廣，覆蓋面積較大，污染的情況更加復(fù)雜。對(duì)于面源測(cè)繪工作，首先要確認(rèn)測(cè)繪的半徑，然后沿測(cè)繪范圍邊界進(jìn)行初步測(cè)繪，進(jìn)而確定主要的測(cè)繪區(qū)域，最后，對(duì)識(shí)別出的重點(diǎn)測(cè)繪區(qū)域進(jìn)行交叉測(cè)量，通過加權(quán)線性內(nèi)插法將測(cè)繪的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。本項(xiàng)目的綜合測(cè)繪成果如圖5所示，從圖中可以清晰地看到不同顏色深淺或不同大小的測(cè)繪點(diǎn)位，從而清晰地判別污染情況，進(jìn)而有針對(duì)性地進(jìn)行后期的治理工作，進(jìn)而表明該測(cè)繪技術(shù)具有顯著的優(yōu)勢(shì)和效果。

圖5 梯級(jí)測(cè)繪成果展示

3 結(jié)語

本文對(duì)無人機(jī)梯級(jí)測(cè)繪技術(shù)在河道水環(huán)境治理中的作用進(jìn)行研究，得到如下結(jié)論：

(1)無人機(jī)梯級(jí)測(cè)繪技術(shù)能將測(cè)繪河道進(jìn)行類別和層次的劃分，便于突出測(cè)繪工作的重點(diǎn)和精度。

(2)無人機(jī)能準(zhǔn)確識(shí)別水環(huán)境污染情況，還能分別抓取點(diǎn)源和面源污染的測(cè)繪要素，最終輸出測(cè)繪成果。

(3)通過UASmaster軟件對(duì)不同層次和類別的測(cè)繪成果進(jìn)行疊加處理，得到綜合測(cè)繪成果，便于聯(lián)合分析和綜合研究。

(4)研究成果河道為我國(guó)河道污染源治理工作提供了一定思路，但現(xiàn)有無人機(jī)技術(shù)三維立體化實(shí)景展示效果較差，仍需要進(jìn)一步深入研究。