無人機(jī)遙感技術(shù)在河湖岸線監(jiān)管中的應(yīng)用

劉文壯，梁文廣，宋瑞平

（江蘇省水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210017）

隨著生態(tài)文明建設(shè)理念的大力推進(jìn)，以水為美的生態(tài)觀已深入人心，這也對水利行業(yè)提出更高要求，因此加大水利行業(yè)監(jiān)管力度迫在眉睫。傳統(tǒng)的水利行業(yè)監(jiān)管效率低，時(shí)效性差，尤其在地形復(fù)雜地區(qū)，人工監(jiān)管難度更大，效率更低。伴隨著測繪事業(yè)的快速發(fā)展，許多測繪產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生，給水利行業(yè)帶來了巨大技術(shù)變革[1]，其中無人機(jī)遙感技術(shù)的迅猛發(fā)展，給各行各業(yè)帶來了技術(shù)上的革新。河湖岸線作為防洪、調(diào)節(jié)蓄水量的重要載體，實(shí)施河湖岸線監(jiān)管是不可缺少的手段，傳統(tǒng)的河湖岸線監(jiān)管主要依靠人工巡查，其現(xiàn)勢性低，監(jiān)管效率低，為此，將無人機(jī)遙感技術(shù)應(yīng)用在河湖岸線監(jiān)管中，為河湖監(jiān)管、開發(fā)利用提供大量的原始數(shù)據(jù)。

1 基本原理分析

無人機(jī)遙感技術(shù)是以無人機(jī)作為空中平臺(tái)，以機(jī)載遙感設(shè)備，如高分辨率 CCD 數(shù)碼相機(jī)、激光掃描儀等獲取信息，用計(jì)算機(jī)對圖像信息進(jìn)行處理，并按照一定精度要求制作成圖像的技術(shù)[2]。無人機(jī)遙感技術(shù)基本原理如下：獲取 1 組具有一定重疊率的航空影像，以立體數(shù)字影像為基礎(chǔ)，通過計(jì)算機(jī)處理影像與匹配，由二維像片點(diǎn)坐標(biāo)得到對應(yīng)目標(biāo)的實(shí)際三維坐標(biāo)，并輸出正射影像等地理產(chǎn)品[3]。常規(guī)攝影測量在航線規(guī)劃時(shí)，航攝載體的飛行高度h要滿足與地面分辨率r、相機(jī)鏡頭焦距f、CCD 傳感器的對角線長度d三者之間的關(guān)系，攝影基本原理圖如圖1 所示。

圖1 攝影測量基本原理圖

根據(jù)h，f，d3 個(gè)參數(shù)間的幾何關(guān)系，可以求出相對飛行高度：

通過式（1）可以得出飛行高度與地面分辨率的關(guān)系，飛行離地面越近，r值越小，則精度越高。由此也發(fā)現(xiàn)，地面起伏變化大的地區(qū)選取合適的飛行高度對提高精度也是至關(guān)重要的。

傾斜攝影測量基本原理圖如圖2 所示，α為相機(jī)傾角，β為相機(jī)視場角的一半，θ為遠(yuǎn)地點(diǎn)與垂直方向夾角。傾斜影像比例尺指像元觀測光線沿主光軸分量處的比例尺，設(shè)近地點(diǎn)、中心點(diǎn)與遠(yuǎn)地點(diǎn) 3 處比例尺分別為mn，mc，mf，地面分辨率分別為Rgn，Rgc，Rgf。

圖2 傾斜攝影測量幾何原理圖

由圖2 幾何關(guān)系，得到的傾斜影像最近點(diǎn)、最遠(yuǎn)點(diǎn)、中心點(diǎn) 3 處比例尺分別為

對應(yīng)傾斜影像地面分辨率計(jì)算公式分別為

相機(jī)傾角對傾斜影像分辨率有著直接影響，相機(jī)傾角指傾斜相機(jī)主光軸與下視相機(jī)主光軸之間形成的夾角。根據(jù)傾斜航攝大量實(shí)踐得出，一般傾斜相機(jī)安裝時(shí)傾角取值在 40° ～50° 間，這樣獲取的影像在人體視覺感受方面，更能給人直觀的感覺[4]。因此，無人機(jī)航攝時(shí)，首先要根據(jù)生產(chǎn)需要，確定所需遙感影像的分辨率，從而確定其他飛行參數(shù)，才能保證成果數(shù)據(jù)質(zhì)量。

2 監(jiān)測內(nèi)容和方式介紹

2.1 監(jiān)測內(nèi)容

近年來，基于遙感監(jiān)測體系監(jiān)管河湖岸線動(dòng)態(tài)變化的研究逐漸增多，黃詩峰等[5]圍繞衛(wèi)星遙感技術(shù)的最新進(jìn)展，分析了衛(wèi)星遙感技術(shù)在河湖監(jiān)管中的應(yīng)用領(lǐng)域，并對未來趨勢進(jìn)行了展望。馮新軍等[6]研究設(shè)計(jì)了一套基于“天空地一體化”遙感監(jiān)測體系的河湖岸線動(dòng)態(tài)監(jiān)管平臺(tái)，闡述了平臺(tái)技術(shù)思路與路線，指出該平臺(tái)具有推廣價(jià)值。陳黎等[7]將無人機(jī)引入河長制下的河段岸線管理中，獲取研究區(qū)域影像數(shù)據(jù)，可快速掌握岸線管理范圍內(nèi)有無新增違法行為及現(xiàn)存問題的整改進(jìn)度，較好地解決當(dāng)前河流岸線監(jiān)管問題。

將無人機(jī)遙感技術(shù)應(yīng)用到河湖岸線監(jiān)測上，主要依據(jù)河湖劃定的范圍線對管理范圍內(nèi)變化情況進(jìn)行監(jiān)測，包括圍墾水域、建設(shè)房屋、新建碼頭、排污等疑似違法行為，經(jīng)外業(yè)人員復(fù)核、調(diào)查與會(huì)商，形成會(huì)商意見。再將監(jiān)測成果入庫，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化管理，可以對違法行為進(jìn)行跟蹤監(jiān)管。

2.2 監(jiān)測方式

按照不同劃分標(biāo)準(zhǔn)，無人機(jī)遙感技術(shù)可以劃分多種。結(jié)合河湖岸線監(jiān)管常涉及的違法行為，目前在水利監(jiān)管上常采用以下 3 種無人機(jī)攝影測量技術(shù)的監(jiān)測方式：

1）低空攝影測量技術(shù)。低空攝影測量技術(shù)是最為常見的一種攝影技術(shù)，是在低空位置以較近的距離拍攝靜止照片或動(dòng)態(tài)視頻的攝影方式。

2）常規(guī)攝影測量技術(shù)。常規(guī)攝影測量技術(shù)利用立體像對的 2 張像片進(jìn)行投影，生成具有真實(shí)坐標(biāo)信息的測繪產(chǎn)品，可用于位置、面積等的屬性查詢。

3）傾斜攝影測量技術(shù)。傾斜攝影測量技術(shù)作為目前三維建模的主流趨勢，可以得到逼真的實(shí)景三維模型，具有可量可算和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

本研究結(jié)合無人機(jī)的 3 種監(jiān)測方式，梳理無人機(jī)遙感技術(shù)在河湖岸線監(jiān)測上 3 種方式形成的系統(tǒng)框圖，如圖3 所示。根據(jù)不同需求，將 3 種監(jiān)測方式應(yīng)用到河湖岸線監(jiān)管中，選擇不同方式，可以實(shí)現(xiàn)岸線的實(shí)時(shí)掌握：

圖3 無人機(jī)遙感用于河湖岸線監(jiān)管應(yīng)用系統(tǒng)框圖

1）低空攝影技術(shù)可獲取測區(qū)像片，適合于河湖岸線小區(qū)域面積的巡查工作。

2）常規(guī)攝影測量在指在基礎(chǔ)測繪中，無人機(jī)搭載高精度數(shù)碼相機(jī)，根據(jù)航線布設(shè)方案，分區(qū)分架次，獲取研究區(qū)域高分辨率航空影像和控制點(diǎn)坐標(biāo)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)，生成具有真實(shí)坐標(biāo)的測繪產(chǎn)品，適用于河湖堤防 DOM（數(shù)字正射影像圖）制作。

3）傾斜攝影測量用于三維建模，主要將采集到的數(shù)據(jù)傳入計(jì)算器系統(tǒng)，內(nèi)業(yè)通過專門軟件（常用 ContextCapture 軟件）處理，基于嚴(yán)密的算法通過區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差，影像匹配，進(jìn)行傾斜影像高密度點(diǎn)云的提取，生成 DSM（數(shù)字表面模型），還原出真實(shí)地物的三維信息[8]，適合于涉及河湖岸線較大面積構(gòu)筑物的三維模型制作，從而精準(zhǔn)獲取空間位置及占用面積、體積等二三維幾何信息。

3 具體應(yīng)用分析

3.1 低空攝影技術(shù)在河湖岸線監(jiān)管上的應(yīng)用

河湖岸線監(jiān)管中，采用無人機(jī)低空攝影技術(shù)，可以快速了解項(xiàng)目現(xiàn)狀。以長江岸線清理整治項(xiàng)目一處違法點(diǎn)為例，項(xiàng)目位于河道管理范圍內(nèi)，圖4為遙感影像圖，通過無人機(jī)定期低空攝影可快速獲取岸線侵占后的整改實(shí)施情況，圖5 為整改后利用無人機(jī)獲取的違法點(diǎn)現(xiàn)狀影像，可以直觀看到項(xiàng)目已全部整改拆除。通過這種手段，表明低空攝影技術(shù)可以為河湖岸線監(jiān)管提供技術(shù)支撐。

圖4 遙感影像圖

圖5 無人機(jī)低空攝影影像

此外，利用無人機(jī)快速靈活獲取信息的特點(diǎn)，針對應(yīng)急需要，可在網(wǎng)頁端查看飛機(jī)航拍場景實(shí)時(shí)位置和飛行參數(shù)，為后方提供實(shí)時(shí)畫面，建立起外業(yè)團(tuán)隊(duì)和后方的實(shí)時(shí)信息共享。圖6 是將無人機(jī)接入直播平臺(tái)系統(tǒng)，應(yīng)用到湖泊堤防現(xiàn)場的巡檢畫面。利用這種技術(shù)可以實(shí)時(shí)獲取關(guān)注區(qū)域現(xiàn)狀，也可為應(yīng)急測繪、救災(zāi)團(tuán)隊(duì)提供實(shí)時(shí)現(xiàn)場狀況，為決策層提供幫助。

3.2 常規(guī)攝影測量技術(shù)在河湖岸線監(jiān)管上的應(yīng)用

采用無人機(jī)攝影測量水域岸線，相比衛(wèi)星遙感影像，更具有時(shí)效性和區(qū)域的針對性。實(shí)驗(yàn)區(qū)采用無人機(jī)航拍，前期通過無人機(jī)航拍 App 平臺(tái)進(jìn)行航測任務(wù)規(guī)劃與飛行控制：無人機(jī)最大飛行速度為50 km/h，配備 2 000 萬像素影像傳感器，可以 14 張/s的速度拍攝靜態(tài)照片；相機(jī)像元大小為 2.41 μm，焦距為 24 mm；電池容量為 5 870 mA·h，續(xù)航時(shí)間為25 min 左右。配置的一體式遙控器，內(nèi)置 DJI GO 4 App，可以手動(dòng)點(diǎn)擊所需范圍，飛行器將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)航線，便可快速獲取測區(qū)影像數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)時(shí)設(shè)計(jì)飛行高度為 48 m，航向重疊率為 80%，旁向重疊率為 70%，飛行速度為 10 m/s，飛行 1 個(gè)架次，共獲取 91 張影像及每張圖像的位置、姿態(tài)信息。無人機(jī)飛行覆蓋面積為 0.03 km2，內(nèi)業(yè)利用UAV-PPK 軟件解算高精度的 POS（定位定姿系統(tǒng)）數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理生成測區(qū) DOM，并可得到 DSM 等數(shù)據(jù)成果，數(shù)據(jù)成果如圖7 所示。

圖7 DOM 和 DSM 數(shù)據(jù)生成

通過 DOM 與歷史遙感影像對比，可以掌握岸線變化情況。

3.3 傾斜攝影技術(shù)在河湖岸線監(jiān)管上的應(yīng)用

以湖泊岸線為例，由于測區(qū)地形較為平坦，在布設(shè)航線時(shí)航高設(shè)計(jì)為統(tǒng)一高度，航線布設(shè)根據(jù)堤壩走向設(shè)計(jì)，為保證構(gòu)建出的模型能更好地展示紋理信息，在航線設(shè)計(jì)之初，考慮外業(yè)飛行時(shí)受大氣等因素的影響，航線采用大重疊率：航向、旁向重疊率均為 80%，采用大疆悟 2 無人機(jī)，相機(jī)傾角為 45°，共獲取 218 張影像及每張圖像的位置、姿態(tài)信息，得到下視影像地面分辨率為 0.026 m。大疆悟 2 無人機(jī)比大疆 Phantom4 Pro 穩(wěn)定性更高，適合于高重疊率的傾斜攝影需要，電池容量為 4 280 mA·h，最大飛行速度可達(dá) 94 km/h。

傾斜攝影影像及產(chǎn)品生成如圖8 所示，具體分析如下：圖8 a 描述了傾斜相機(jī)獲取地面覆蓋情況，可以得到傾斜影像覆蓋情況；圖8 b 是影像的處理，生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)，用于構(gòu)建網(wǎng)格生成三維模型；圖8 c 可實(shí)現(xiàn)三維模型的實(shí)景模型漫游，為堤防的可視化應(yīng)用提供技術(shù)支撐；圖8 d 可實(shí)現(xiàn)距離及坐標(biāo)等數(shù)據(jù)的查詢。

圖8 傾斜攝影影像及產(chǎn)品生成

4 結(jié)語

河湖岸線監(jiān)管是水利部門強(qiáng)監(jiān)管常態(tài)化的重要任務(wù)，也是落實(shí)國家“江河戰(zhàn)略”的重要舉措，是加強(qiáng)河湖保護(hù)治理的重要內(nèi)容。無人機(jī)遙感技術(shù)用于河湖岸線監(jiān)測，能夠有針對性地加強(qiáng)河湖岸線監(jiān)管，與衛(wèi)星遙感監(jiān)測形成很好的互補(bǔ)，提高監(jiān)測效率和質(zhì)量，有效制止侵占岸線的行為，為河湖岸線安瀾提供技術(shù)支撐，也可為河湖水域岸線常態(tài)化規(guī)范化監(jiān)管提供新思路，為水利數(shù)字化和信息化建設(shè)提供技術(shù)支持，對河湖岸線綠色發(fā)展、促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)都有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

但是，河湖岸線監(jiān)管不能僅靠無人機(jī)遙感技術(shù)，還需要多種監(jiān)測手段共同支撐，開展多數(shù)據(jù)源融合，推動(dòng)河湖管理更加科學(xué)精準(zhǔn)。