河道采砂監(jiān)管中無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用

索 然

(朝陽市水務(wù)工程質(zhì)量與安全監(jiān)督站，遼寧 朝陽 122000)

0 引 言

一般地，將采挖河道管理范圍內(nèi)有關(guān)砂、土、石等活動(dòng)統(tǒng)稱為河道采砂。砂石是重要的工程建筑材料，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展以及城市建設(shè)速度的加快，對(duì)砂石的需求量急劇增大，激烈的供需矛盾進(jìn)一步推進(jìn)了采砂業(yè)的發(fā)展。近年來，未經(jīng)批準(zhǔn)或許可在河道管理范圍內(nèi)取土、采砂，在禁采期或禁采區(qū)采砂以及不按許可要求采砂等行為時(shí)有發(fā)生。河道采砂不僅對(duì)附屬水利設(shè)施、堤防護(hù)岸和河床造成破壞，直接關(guān)系著通航和防洪安全，而且易引起水體污染，改變水生物和水域環(huán)境，對(duì)河流生態(tài)環(huán)境以及飲水安全造成威脅，特別是超量、超時(shí)限、超深度、超范圍的非法采砂對(duì)航運(yùn)、供水、防洪和水生態(tài)安全的影響更加嚴(yán)重，為了防止非法開采必須嚴(yán)格監(jiān)管河道采砂。目前，以車輛或者執(zhí)法船只巡邏仍為河道采砂監(jiān)管的主要工作方式，該過程普遍存在證據(jù)收集難度大、專職人員少、監(jiān)管區(qū)域廣等問題，難以及時(shí)有效的控制采砂范圍和采砂量，對(duì)于河道采砂行為監(jiān)管迫切需要引入新的技術(shù)手段，保證采砂行業(yè)的綠色健康發(fā)展。對(duì)此，朝陽市水利局積極探索河道采砂監(jiān)管手段，嘗試應(yīng)用了無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)[1-3]。

無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)是搭載數(shù)碼相機(jī)等設(shè)備，以無人機(jī)為載體快速獲取高精度定位數(shù)據(jù)以及高分辨率數(shù)字影像，快速生成正射影像圖、三維實(shí)景模型、數(shù)字地表模型、數(shù)字高程模型的新型技術(shù)，在水利監(jiān)察、國土、災(zāi)害應(yīng)急處理、國家重大工程建設(shè)等領(lǐng)域均已得到廣泛應(yīng)用。無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)與衛(wèi)星遙感或傳統(tǒng)人工監(jiān)測(cè)手段相比，其裝配時(shí)間短且起飛條件較低，能夠?qū)ΡO(jiān)察區(qū)域內(nèi)的空間信息及時(shí)快速的獲取，具有精度高、成本低、效率高等明顯優(yōu)勢(shì)，對(duì)于地形復(fù)雜區(qū)域，尤其是對(duì)山區(qū)的采砂監(jiān)管具有較強(qiáng)的實(shí)用性。將航空攝影測(cè)量與無人機(jī)技術(shù)相結(jié)合，通過利用攝影測(cè)量技術(shù)和無人機(jī)搭載數(shù)碼相機(jī)，可以實(shí)時(shí)獲取監(jiān)測(cè)區(qū)域數(shù)字影像、生成三維模型及數(shù)字正射影像圖，在全面分析遙感數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上及時(shí)提取疑似非法采砂點(diǎn)的信息，既能保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精度又能確保較快的監(jiān)測(cè)速度，可從根本上解決人工發(fā)現(xiàn)不足、采砂監(jiān)管能力低下等問題，為實(shí)現(xiàn)違法采砂活動(dòng)早發(fā)現(xiàn)、早制止、早處置以及加強(qiáng)河道采砂監(jiān)管提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持[4-6]。

1 河道采砂監(jiān)管中無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用

無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)屬于一種新型測(cè)繪技術(shù)，在航拍過程中能夠定位和記錄飛機(jī)姿態(tài)信息，通過空間立體模型解算及空中三角測(cè)量建立目標(biāo)與影像之間的幾何關(guān)系。GPS輔助光束法平差技術(shù)的應(yīng)用極大地減少了外業(yè)工作量，在實(shí)現(xiàn)免像控的情況下無人機(jī)航空攝影測(cè)量還能確?？杖讲罱Y(jié)果最終的精度。通過解譯和判讀數(shù)字正射影像即無人機(jī)遙感影像，并將獲取的相關(guān)證據(jù)、堆砂點(diǎn)及采砂點(diǎn)位置提交給監(jiān)管部門，有利于監(jiān)管人員快速達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)處置和監(jiān)察?？傮w上，河道采砂監(jiān)管中無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用流程見圖1。

圖1 無人機(jī)測(cè)繪作業(yè)流程

步驟1：前期準(zhǔn)備。以河道采砂區(qū)域、計(jì)劃等管理部門公布的文件為依據(jù)明確河道監(jiān)管范圍，在確定所屬區(qū)域氣候條件、空域管控要求、可采期時(shí)間及可采取范圍的情況下，考慮飛行情況和時(shí)間合理選定機(jī)型，并辦理飛行備案。結(jié)合待測(cè)區(qū)地形條件制定飛行計(jì)劃，起降場(chǎng)地要符合無遮擋、堅(jiān)固、平坦等要求。

步驟2：無人機(jī)外業(yè)測(cè)量。依據(jù)河道監(jiān)管范圍以及飛行覆蓋區(qū)內(nèi)建筑物的高度，對(duì)航線高度合理規(guī)劃。此外，航線方位角的確定應(yīng)考慮風(fēng)向、季節(jié)等因素，影像重疊度和分辨率要按照采沙場(chǎng)圖斑塊大小合理設(shè)定，然后對(duì)相機(jī)的ISO值合理設(shè)置。飛行過程中應(yīng)關(guān)注電池電量、圖傳信號(hào)、RTK信號(hào)等信息，并確保RTK的全程開啟，堅(jiān)持隨時(shí)人工干預(yù)、全程人工監(jiān)測(cè)的原則保證飛行安全，完成飛行后還要對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行檢查。

步驟3：制作三維模型和正射影像。將無人機(jī)野外獲取的影像利用Contest Capture、Photo Scan等軟件進(jìn)行空三加密處理，從而生成監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)的數(shù)字正射影像和三維模型。

步驟4：解析非法采砂點(diǎn)。通過解譯業(yè)內(nèi)制作的三維模型和正射影像確定堆砂點(diǎn)、采砂點(diǎn)，并測(cè)量堆砂量、采砂點(diǎn)的面積和位置等信息，然后將疑似非法堆砂點(diǎn)及采砂點(diǎn)信息提交給相應(yīng)的監(jiān)管部門，為后續(xù)核查提供數(shù)據(jù)資料。

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 河道概況監(jiān)測(cè)

朝陽市境內(nèi)江河湖庫分屬于大凌河、小凌河等水系，河流縱橫交錯(cuò)，地貌形態(tài)復(fù)雜。受河網(wǎng)密布、溪河點(diǎn)多面廣等條件限制，對(duì)河道非法盜砂行為利用常規(guī)監(jiān)管巡查手段已難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)[7]。朝陽市現(xiàn)有采砂河段多集中大凌河和小凌河流域，境內(nèi)現(xiàn)有規(guī)劃可采砂區(qū)有17個(gè)。為了進(jìn)一步整頓河道采砂秩序，嚴(yán)厲打擊非法采砂行為以及加強(qiáng)河道采砂監(jiān)管，有必要引入無人機(jī)監(jiān)測(cè)等巡查技術(shù)手段。

朝陽市小凌河河道采砂某監(jiān)管段總長68km，海拔110m，干流段河寬210m，航飛高差150m。為確保監(jiān)管范圍的全面覆蓋，即河岸周邊100m以及全部河道，設(shè)定此次無人機(jī)飛行范圍為河道中心線左右外擴(kuò)250m，飛行面積共計(jì)35km2。為保證堆砂點(diǎn)及采砂點(diǎn)面積、坐標(biāo)測(cè)量精度，監(jiān)管范圍內(nèi)的航測(cè)數(shù)據(jù)精度要符合1：1000的成圖規(guī)范要求。

2.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

采用大疆精靈4RTK型航攝無人機(jī)，以滿足監(jiān)測(cè)范圍和長度要求。該設(shè)備的圖傳距離可達(dá)到7km，最大續(xù)航時(shí)間30min，這是一臺(tái)搭載2000萬有效像素影像傳感器的輕型多旋翼無人機(jī)，其采集的高精度影像數(shù)據(jù)能夠滿足采砂點(diǎn)監(jiān)測(cè)要求。此外，搭載高精度多系統(tǒng)多頻RTK GNSS的大疆精靈4RTK，不僅能夠記錄相機(jī)曝光文件及原始衛(wèi)星觀測(cè)值，還支持實(shí)時(shí)差分定位技術(shù)及動(dòng)態(tài)后處理技術(shù)，生成的POS數(shù)據(jù)精度能夠達(dá)到厘米級(jí)，從而完成免像控高精度航測(cè)任務(wù)。

根據(jù)飛行區(qū)域的特點(diǎn)確定無人機(jī)飛行方向?yàn)檠睾恿鞣较颍舜伪O(jiān)察飛行設(shè)定6條航線，設(shè)計(jì)航向與旁向重疊率均為80%，飛行速度和飛行高度為10m/s、250m，以6.85cm/像素為地面分辨率。該測(cè)區(qū)野外飛行測(cè)量作業(yè)共使用兩臺(tái)4RTK無人機(jī)，起飛架次共46次，測(cè)量飛行時(shí)間2d，共獲取8616張高精度航拍影像。

考慮測(cè)區(qū)范圍內(nèi)的地貌形態(tài)特征，均勻選取168個(gè)明顯地區(qū)特征點(diǎn)，并按照業(yè)外控制點(diǎn)精度要求分別對(duì)其實(shí)地坐標(biāo)進(jìn)行量測(cè)，為內(nèi)業(yè)檢查提供數(shù)據(jù)支持。

2.3 河道影像監(jiān)測(cè)

1)制作測(cè)繪成果。采用Context Capture軟件處理航測(cè)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)，對(duì)新建工程導(dǎo)入相機(jī)參數(shù)、POS數(shù)據(jù)和影像，合理確定國家85高程系統(tǒng)及平面坐標(biāo)CGCS2000系統(tǒng)，空中三角自動(dòng)測(cè)量應(yīng)用精準(zhǔn)POS選項(xiàng)實(shí)現(xiàn)。完成空三作業(yè)后進(jìn)行模型重建，從而生成DESM、DOM、OSGB格式的三維實(shí)景模型等測(cè)繪成果[8-9]。

2)快速影像拼接。常規(guī)正射影像生成流程與快速影像拼接流程基本相同，在影像存在重疊區(qū)域且確保影像之間連續(xù)的條件下，為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速處理需要對(duì)影像進(jìn)行抽稀，通過加快計(jì)算速率減少內(nèi)業(yè)生成時(shí)間，該過程也會(huì)顯著降低測(cè)繪成果精度。

根據(jù)不同的獲取時(shí)間將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)劃分成四個(gè)測(cè)區(qū)，并完成相應(yīng)的內(nèi)業(yè)處理，其主要使用到Photo Scan軟件和無人機(jī)記錄的POS數(shù)據(jù)。該過程主要有DOM及DEM生成、空三加密計(jì)算、影像導(dǎo)入、模型建立、DOM成果導(dǎo)出等步驟，以某一測(cè)區(qū)為例簡要說明獲取過程：測(cè)區(qū)范圍為9.0km2，原始影像抽稀后成為961幅，在最低精度要求下空三時(shí)間為5分48秒，DEM處理、DOM處理和密集點(diǎn)云計(jì)算時(shí)間為18分20秒、30秒、19分5秒。以此為基準(zhǔn)，可以估算出測(cè)區(qū)內(nèi)DOM數(shù)據(jù)及DEM數(shù)據(jù)獲取時(shí)間約為1h。

3)精度分析?？紤]測(cè)區(qū)范圍內(nèi)的地貌形態(tài)特征，合理選取168個(gè)明顯地區(qū)特征點(diǎn)，并按照業(yè)外控制點(diǎn)精度要求分別對(duì)其實(shí)地坐標(biāo)進(jìn)行量測(cè)，作為檢查點(diǎn)。根據(jù)以上作業(yè)流程生成測(cè)繪產(chǎn)品的圖解坐標(biāo)，并與檢查點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析：以附近野外控制點(diǎn)為基準(zhǔn)，獲取內(nèi)業(yè)加密點(diǎn)在常規(guī)航空攝影測(cè)量成果中的高程中誤差為0.21m、平面中誤差為0.18m，通過評(píng)價(jià)分析DOM影像數(shù)學(xué)精度發(fā)現(xiàn)，其成果質(zhì)量符合內(nèi)業(yè)規(guī)范精度要求；由于時(shí)效性原因快速影像拼接降低了空三精度，以附近野外控制點(diǎn)為基準(zhǔn)，獲取內(nèi)業(yè)加密點(diǎn)在快速影像成果中的高程中誤差為1.22m、平面中誤差為0.48m，且存在水面有孔洞、色彩失真、影像邊緣扭曲等問題，雖然成果質(zhì)量不符合內(nèi)業(yè)規(guī)范精度要求，但作為快速影像可以為執(zhí)法服務(wù)及采砂監(jiān)管迅速的提供執(zhí)法依據(jù)、地理位置等信息。

2.4 正射影像圖解譯

為河道采砂監(jiān)管及執(zhí)法提供服務(wù)是制作快速影像圖的主要目的，因其時(shí)效性較強(qiáng)，通過人工判讀及影像解譯可以準(zhǔn)確地判別堆砂點(diǎn)、采砂點(diǎn)以及明確其地理坐標(biāo)。通過與可采取范圍的對(duì)比能夠判斷采砂點(diǎn)是否處于該范圍，并以此作為非法采砂點(diǎn)的判斷依據(jù)；另外，還可將開采區(qū)外的堆砂點(diǎn)列為重點(diǎn)監(jiān)察對(duì)象，并對(duì)砂石來源進(jìn)行深入調(diào)查。正射影像圖可以為快速執(zhí)法提供證據(jù)，為河道采砂監(jiān)管提供鞠策分析依據(jù)以及重要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.5 三維模型應(yīng)用

將非法采砂點(diǎn)的地理坐標(biāo)快速的提供給監(jiān)管部門是快速影像圖的主要作用，對(duì)于具有較強(qiáng)時(shí)效性要求的會(huì)出現(xiàn)一定的不足，例如無高程數(shù)據(jù)、平面精度低、水面出現(xiàn)無數(shù)據(jù)漏洞以及部分地區(qū)受影響出現(xiàn)扭曲等。在解決以上問題上三維模型及數(shù)字正射影像圖具有較強(qiáng)適用性，并為后期采砂監(jiān)管提供了條件：通過多次疊加對(duì)比正射影像圖能夠分析非法采砂，在現(xiàn)狀監(jiān)管力度下的發(fā)展趨勢(shì)；三維模型能夠提供堆砂量、占地面積、堆砂點(diǎn)位置等數(shù)據(jù)信息。例如，即使堆砂場(chǎng)地后期實(shí)施了轉(zhuǎn)移，但通過三維模型提供的數(shù)據(jù)可以為非法采砂取證提供信息[10-11]。

2.6 成果分析

通過無人機(jī)側(cè)航分析總結(jié)河道采砂監(jiān)測(cè)成果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)可采取有堆砂點(diǎn)16處、采砂點(diǎn)14處，非可采取堆砂點(diǎn)4處、采砂點(diǎn)4處，詳見表1。

表1 無人機(jī)監(jiān)測(cè)堆砂點(diǎn)及采砂點(diǎn)統(tǒng)計(jì)表

3 結(jié) 論

以朝陽市為例，深入探討了河道采砂監(jiān)管中無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)及其作業(yè)流程，并以柳河流域?yàn)榘咐治隹偨Y(jié)河道采砂監(jiān)測(cè)成果，結(jié)果顯示監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)采取有堆砂點(diǎn)16處、采砂點(diǎn)14處，非可采取堆砂點(diǎn)4處、采砂點(diǎn)4處。實(shí)際應(yīng)用過程中無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)雖然還有諸多不足之處，但作為一種遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)技術(shù)用于河道采砂監(jiān)管能夠獲取大量的證據(jù)，大大降低野外作業(yè)的時(shí)間和人力投入，有利于采砂監(jiān)管水平的提升。隨著科技的不斷發(fā)展，未來將地理信息系統(tǒng)與無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)結(jié)合可實(shí)現(xiàn)河道采砂實(shí)時(shí)監(jiān)管。