無人機航測技術(shù)在河道采砂及生態(tài)治理工程中的應(yīng)用

許龍星，張兵兵，韓 振

（宏大爆破工程集團有限責任公司，廣東 廣州 510623）

無人機航測具有速度快、精度較高、數(shù)據(jù)處理流程簡單等優(yōu)勢，相比于傳統(tǒng)的RTK、全站儀，顯著提高了工作效率和降低了勞動強度，已成功應(yīng)用在城市測繪[1-2]、露天礦山測量、河道測繪、土地勘查、森林植被復綠統(tǒng)計[3-6]等方面，取得了較好的應(yīng)用效果。目前針對河道治理問題，許多專家學者進行了很多有價值的研究工作。楊玉川[7]分析了無人機在工程全生命周期中的優(yōu)勢及應(yīng)用前景，實現(xiàn)了勘查、施工監(jiān)管及成果展示等目的。李濤等[8-9]將無人機航測用于河道邊界測定，快速準確地獲取了邊界信息，很大程度避免了糾紛事件。陳橋驛[10]認為河道水環(huán)境影響因素多，涉及范圍廣，無人機航測可應(yīng)用在水污染處理、生態(tài)修復等領(lǐng)域，為科學診斷河道難題提供了參考。洪運富[11]采用無人機實現(xiàn)了河道污染源的監(jiān)控，確定了其分布范圍及狀態(tài)，有助于分析水源質(zhì)量的好壞與消除污染來源。劉建良[12]針對河道資源工程量和洪水等安全問題，采用無人機航測技術(shù)較快地估算了河道資源量及預防了安全隱患的發(fā)生。

目前無人機航測技術(shù)在河道領(lǐng)域的研究與應(yīng)用，大多是針對河道的隱患治理方面，而河道內(nèi)儲存著大量的砂石資源，如何在有效開采資源的同時，實現(xiàn)河道生態(tài)治理，相關(guān)研究較少。為此，以大沙河生態(tài)治理為背景，采用無人機航測技術(shù)進行河道采砂與生態(tài)治理的協(xié)同作業(yè)。

1 大沙河河道治理工程現(xiàn)狀

大沙河河道治理工程是河北省邢臺市的重點項目，治理區(qū)域的河道寬度為1.5 km，長度約為10 km，覆蓋范圍較大。在每年7 月和8 月的汛期，河道區(qū)域受上流水體不斷沖刷，并攜帶大量的不同規(guī)格的砂石，最終在河道內(nèi)淤積，使得河床不斷抬高，蓄水能力明顯下降，對于河床的穩(wěn)定性及蓄水能力提出了較大的考驗?；谶@一現(xiàn)狀，首先采出部分砂石，提高河道蓄水能力；同時進行護坡、復綠等工作，計劃建成休閑、旅游觀光為一體的市民休閑場所。通過現(xiàn)場勘查調(diào)研，認為本工程的重難點主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1）河道范圍過大，如何快速有效了解河道的整體情況是前提。傳統(tǒng)的RTK、全站儀等需要人工進行現(xiàn)場測點，耗時太長，且由于河道內(nèi)砂石堆積情況復雜，存在較多的砂石堆，人員難以有效測量。砂石間的空隙較大，存在不斷滑落的現(xiàn)象，貿(mào)然登上石堆測量，難以保證測量人員的生命安全。

2）河道內(nèi)砂石儲量大，在進行前期規(guī)劃設(shè)計時，需要有效估算工程量大??；而河道在汛期時禁止開采，工期短，導致前期開采工程量較大，對生產(chǎn)計劃的有效執(zhí)行提出了考驗。此外，砂石的規(guī)格差異性較大，在挖運及篩選階段，需要保證不同區(qū)域的砂石在規(guī)格上較為一致，故需要高效的現(xiàn)場調(diào)度監(jiān)管。

3）河道內(nèi)砂石的分布區(qū)域難以有效確定，且缺乏統(tǒng)一規(guī)劃和統(tǒng)一組織，前期任意開采、任意堆放棄料現(xiàn)象較多，影響了河道行洪，同時反復開采使河道植被遭受嚴重破壞；盜采及民采現(xiàn)象十分嚴重，對施工與現(xiàn)場管理提出了較大的挑戰(zhàn)。既存在填方區(qū)域，也存在挖方區(qū)域，如何有效確定這些區(qū)域，進而安排車輛及時施工，將河道平整到設(shè)計標準，是河道生態(tài)治理的重要方面。

2 無人機航測的外業(yè)作業(yè)及內(nèi)業(yè)處理

隨著無人機航測技術(shù)的不斷發(fā)展，其為非接觸性測量，航測耗時短、操作簡單易行、可視化效果好、精度較高，可有效生成河道的三維模型及現(xiàn)狀圖，為河道治理提供了新的思路?；诖笊澈雍拥乐卫黼y度較大的現(xiàn)狀，在河道采砂及生態(tài)治理階段采用了無人機航測技術(shù)。本次航測采用的是華鷂P310 型輕小型無人機搭載單鏡頭高清數(shù)碼相機，需要在前期進行一定的準備工作，即外業(yè)作業(yè)。在此基礎(chǔ)上，收集得到的航測數(shù)據(jù)，進行航測數(shù)據(jù)的內(nèi)業(yè)處理，進而得到航測成果。無人機航測流程圖如圖1。

圖1 無人機航測流程圖

2.1 外業(yè)作業(yè)流程

外業(yè)作業(yè)階段，首先需要勘查地形與分析河道的現(xiàn)狀圖，從而進行像控點布置。按照每3 km2布置5 個點的原則，結(jié)合河道高程落差的變化，最終制定了像控點布置方案[13]，像控點布置及航線規(guī)劃如圖2。像控點坐標測定時，采用RTK 對像控布中心位置連續(xù)測量10 次，匯總整理后，用于飛行計劃制定及后期圖像精度的校核。

圖2 像控點布置及航線規(guī)劃

在飛行航線規(guī)劃階段，首先將像控點坐標導入地面站軟件，在做像控點規(guī)劃時，考慮到了地形的影響，同時在現(xiàn)場布置像控點時也根據(jù)現(xiàn)場實際地形進行了些許調(diào)整，盡量做到高程控制和平面控制。確保覆蓋河道治理區(qū)域和滿足飛行安全要求，此次航測的相對航高為200 m，旁向重疊率為75%，航向重疊率為70%，航測地形圖比例尺設(shè)定為1∶1 000。現(xiàn)場實施飛行前，必須進行飛前檢查，包括機務(wù)檢查、常規(guī)檢查與航電檢查，采用筆記本實時監(jiān)控無人機的飛行狀態(tài)，確保安全飛行。根據(jù)河道范圍及電池的飛行效率，共布置了6 個架次，每次航測結(jié)束時，及時回收航測數(shù)據(jù)，包括POS 數(shù)據(jù)、移動站數(shù)據(jù)、基站數(shù)據(jù)、航拍照片。

2.2 內(nèi)業(yè)處理

選擇晴天且風力較小的時候進行河道航測，6個架次共獲取了1 580 張高清帶有色彩信息的相片，首選將獲取的航測數(shù)據(jù)按照格式要求分次合并，輸入至PPS 后處理軟件進行一鍵解算，將結(jié)算后的航測數(shù)據(jù)按照Pix4D 軟件的要求輸入。對Pix4D 軟件而言，航測數(shù)據(jù)的處理共分為3 個步驟，即初始化處理、點云及紋理、DSM 和正射影像圖及指數(shù)。

在初始化處理階段，首先進行無控制點生成影像，運行完成后，導入像控點坐標，在生成的模型中找到對應(yīng)的像控點進行刺點，用于分析航測精度。刺點結(jié)束后，重新優(yōu)化運行一段時間則可生成相應(yīng)的質(zhì)量報告，并得到像控點的誤差范圍。同時，河道內(nèi)布置了一些特征鮮明的檢查點，進行精度對比后發(fā)現(xiàn)，平均中誤差在0.15 m 左右，高程差較小，可以發(fā)現(xiàn)像控點匹配情況較好，在精度分析中，通過現(xiàn)場選取的一些檢查點和像控點誤差情況，綜合分析認為滿足航測1：1 000 的要求。

生成的河道正射影像和三維數(shù)字模型，自帶三維坐標，可較好地反映河道現(xiàn)狀。同時，通過設(shè)置也生成了等高線間距為2 m 的河道二維現(xiàn)狀圖；將得到的正射影像輸入到Global Mapper 軟件中進行高程顯示，清晰地顯示河道內(nèi)砂石堆場分布及高度信息，有利于指導砂石堆場及時整治和裝運工作。

3 航測成果的應(yīng)用

航測得到的正射影像、三維數(shù)字表面模型及數(shù)字線劃圖可應(yīng)用在分析河道的地形地貌信息、生態(tài)環(huán)境、砂石積聚地、水源方向及水坑范圍、生產(chǎn)計劃規(guī)劃設(shè)計及潛在安全隱患來源等方面。

3.1 河道境界圈定及生態(tài)環(huán)境普查

航測得到的河道三維模型，包含了河道內(nèi)砂石資源分布狀態(tài)、道路走向分布、植被生長狀態(tài)、建構(gòu)筑物分布區(qū)域、水坑分布等信息，自帶三維坐標可較好地對區(qū)域進行定位，三維可視化效果好?？杉皶r了解河道的開采現(xiàn)狀，確定河道砂石資源的開采境界，防止出現(xiàn)越界開采，造成資源的不必要浪費。根據(jù)生產(chǎn)需要，進行定期的航測，可及時更新河道開采狀態(tài)，降低安全隱患，極大地節(jié)省了測量周期。在生態(tài)環(huán)境普查方面，主要集中在植被生長范圍及河道污染源存在情況；通過無人機航測得出的模型及高清圖像信息來看，河道內(nèi)植被高度較小，分布范圍與河道內(nèi)水源的分布有著密切的關(guān)系。同時，發(fā)現(xiàn)河道內(nèi)存在村民占用河道資源種植農(nóng)作物，一定程度上阻礙了河道的通行能力，造成了河道阻塞。河道內(nèi)也存在一些建構(gòu)筑物及臨時砂石篩選廠，存在排放的人工垃圾，可能會對河道造成污染。無人機航測確定了植被生長范圍及河道污染源存在情況，為河道周邊復綠及河道環(huán)境治理奠定了基礎(chǔ)。

現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)，河道內(nèi)分布著眾多的水坑，且分布位置并不確定，而水坑分布范圍若依靠人工測量，則導致勞動強度過大，一定程度上制約了生產(chǎn)有序進行。通過查看三維模型，可清晰地了解水坑分布狀態(tài)，利用Pix4D 軟件中的量測功能，可有效確定水坑的長度、寬度、面積及體積大小，進而參考設(shè)計方案，確定水坑處是填方區(qū)還是挖方區(qū)以及具體的工程量，為后期河道平整奠定基礎(chǔ)。

3.2 砂石資源儲量的估算

河道三維模型較好地顯示了砂石資源的分布情況，為后期安排車輛進行集中挖裝提供了條件，可較好地提高工作效率，避免了車輛的窩工現(xiàn)象。運用Pix4D 軟件中的工程量計算功能，通過圈定一定范圍的砂石積聚位置，則可快速地估算出該區(qū)域的儲量，相比較于傳統(tǒng)基于CAD 的三角網(wǎng)算法，極大地降低了計算量和人工勞動強度。砂石存在分布不均勻的情況，采用無人機的測量數(shù)據(jù)可較好估算砂石資源儲量，按照5 m 的設(shè)計開挖深度，設(shè)計院給出的估算儲量為3 293.9 萬m3，無人機的測量數(shù)據(jù)得到的估算儲量為3 458.6 萬m3，兩者誤差僅為5%，故認為其儲量估算具備一定的可行性。無人機航測估算得到的工程量有利于合理配置車輛作業(yè)和保證車輛的高強度精準化施工，加快了河道隱患資源的有效開采，為河道淤積治理工作提供了便利。

3.3 采砂生產(chǎn)計劃的制定與安全監(jiān)管

依據(jù)航測成果分析河道內(nèi)運輸?shù)缆返姆植紶顟B(tài)，按照施工要求不斷優(yōu)化道路布置。確定合理的運輸路線，有助于減少車輛運距，提高了運輸效率，保證砂石資源的及時高效挖裝。將治理區(qū)域劃分為多個采區(qū)，通過砂石資源儲量的估算，進而制定生產(chǎn)規(guī)劃，按5 m 的設(shè)計開挖深度進行分區(qū)域施工，結(jié)合無人機航測得到的高程點數(shù)據(jù)，可在CAD 中作出相應(yīng)的采砂工期規(guī)劃，如1 年規(guī)劃、3 年規(guī)劃及5 年規(guī)劃。同時，依據(jù)三維模型確定砂石堆料場位置，進行砂石粒徑規(guī)格的篩選處理，將符合規(guī)格要求的砂石進行統(tǒng)籌管理與調(diào)度。利用可視化效果好的特點，現(xiàn)場管理者可準確了解施工安排和執(zhí)行生產(chǎn)指令，確保資源的高效有序開采，達到河道平整和控制危險源等目標。

4 結(jié)語

1）分析了大沙河治理的難點所在，河道范圍過大，難以有效及時了解開采現(xiàn)狀，在河道干涸期，淤積的砂石嚴重妨礙了河道的通行能力；砂石資源開采規(guī)劃難度較大，需要進行有效的治理工作。

2）無人機航測技術(shù)為非接觸式測量，測量效率高、成本低，其優(yōu)勢在于集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、調(diào)度指揮、安全監(jiān)控為一體，使得調(diào)度和管控指令更加科學合理和精準可靠。分析了無人機航測外業(yè)作業(yè)和內(nèi)業(yè)處理階段的流程，現(xiàn)場共布置了6 個架次，獲取了河道的正射影像、三維數(shù)字模型及數(shù)字線劃圖。且經(jīng)過對像控點和現(xiàn)場特定點的坐標誤差綜合分析，滿足1∶1 000 地形圖的要求，可用于河道的采砂和生態(tài)治理方面。

3）實踐表明，航測成果應(yīng)用在河道領(lǐng)域，有助于了解河道資源開采和生態(tài)環(huán)境的現(xiàn)狀；利用Pix4D軟件的功能，獲取了砂石堆場的儲量和水坑分布范圍，有利于合理配置車輛進行挖裝。優(yōu)化了道路設(shè)計，合理地安排了階段性的生產(chǎn)規(guī)劃任務(wù)。無人機航測技術(shù)后期可用于生產(chǎn)調(diào)度指揮和專家遠程診斷，保證了資源開采與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)進行。一定程度上，實現(xiàn)了PDCA 循環(huán)，可對生產(chǎn)管理的各個環(huán)節(jié)進行設(shè)計與優(yōu)化，確保了測量-規(guī)劃-應(yīng)用-改進全過程的高效運轉(zhuǎn)。