基于無人機(jī)航測技術(shù)的平原河道劃界技術(shù)分析

王永杰

（山東省聊城市水利局，聊城 山東 252001）

1 概述

1.1 背景

劃定河道管理與保護(hù)范圍（河道劃界），是實(shí)施河道工程管理與保護(hù)的基礎(chǔ)性工作，也是落實(shí)好其他管理保護(hù)措施的先決條件。文章以聊城市徒駭河馬頰河為例，介紹了無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)在平原區(qū)河道劃界中的應(yīng)用，重點(diǎn)介紹了劃界的技術(shù)路線和關(guān)鍵技術(shù)分析。

1.2 河道概況

平原河道一般具有地勢平坦、視野開闊、堤防整齊、局部灘地較寬等特點(diǎn)，便于無人機(jī)飛行航測。徒駭河、馬頰河是聊城市獨(dú)流入海的兩大骨干河道，全市面積90%以上屬于徒、馬兩河流域。其中徒駭河聊城段169.50 km，流域面積5 182.75 km2，馬頰河聊城段124 km，流域面積2 805.77 km2。

1.3 無人航測技術(shù)發(fā)展情況

無人機(jī)航空測量技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一項(xiàng)新型測量技術(shù)，與傳統(tǒng)測量手段相比，具有快速、精準(zhǔn)、靈活便捷，適用性強(qiáng)、矢量化等優(yōu)點(diǎn)，在水利應(yīng)用前景廣闊，可為河道管理信息化提供技術(shù)支撐，為推進(jìn)河長制全面提升奠定了基礎(chǔ)。

2 劃界實(shí)施內(nèi)容

2.1 編制劃界工作專項(xiàng)設(shè)計

劃界實(shí)施前，編制專項(xiàng)設(shè)計方案，主要包括：①劃界的標(biāo)準(zhǔn)；②技術(shù)規(guī)定，包括坐標(biāo)系統(tǒng)、高程系統(tǒng)等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，界樁及公告牌要求，測量要求和流程，地形圖測繪和數(shù)字化要求，河道管理范圍線圖繪制標(biāo)準(zhǔn)及流程、數(shù)據(jù)信息化要求；③明確劃界實(shí)施方案，包括人員組織、硬件設(shè)備配置、利用無人機(jī)航空攝影進(jìn)行地形圖繪制、利用數(shù)字影像處理系統(tǒng)進(jìn)行彩色正射影像圖制作等；④質(zhì)量保證體系，包括明確質(zhì)量目標(biāo)、控制措施；⑤進(jìn)度計劃；⑥職業(yè)健康及安全保密等措施。

2.2 制作、安裝劃界界樁和公告牌

主要包括：①管理范圍線界樁，明確界樁材質(zhì)、尺寸、埋設(shè)要求等，設(shè)置密度、編碼規(guī)則等。此次劃界界樁采用大理石材質(zhì)，尺寸為1 000 mm×150 mm×100 mm，埋深400 mm，城市（鎮(zhèn)）段界樁間距不大于100 m，非城市（鎮(zhèn)）界段樁間距不大于200 m；②劃界公告牌制作安裝，一般包括公告牌設(shè)計尺寸、內(nèi)容、設(shè)置位置等。

2.3 編制河道管理范圍界線及樁（牌）矢量布置圖

主要包括：①河道管理范圍線矢量圖，標(biāo)注河道管理范圍線、公告牌位置點(diǎn)、主要建筑物、村莊、界樁點(diǎn)及編號，管理線拐點(diǎn)處標(biāo)明平面坐標(biāo)（2 000國家大地坐標(biāo)系），形成管理范圍線圖集；②管理范圍線界址點(diǎn)坐標(biāo)成果，形成管理范圍線界址點(diǎn)坐標(biāo)成果表，徒駭河形成5 295個界址點(diǎn)、馬頰河形成4 967 個界址點(diǎn)坐標(biāo)成果；③界（牌）坐標(biāo)成果（CGCS2000投影坐標(biāo)系，3°分帶，117°帶），徒駭河完成1 800 個，馬頰河完成1 400 個；④界樁、公告牌身份證，包含平面坐標(biāo)、高程位置描述、編號、近景及遠(yuǎn)景照片，徒駭河完成1 900個，馬頰河完成1 490個。

2.4 制作正射影像圖和地形圖

正射影像制作采用0.20 m分辨率精度，主要包括利用無人機(jī)航空拍攝，并采用相片控制測量、空三加密等處理技術(shù)，繪制了正射影像圖，包括.TIF和.TFW兩種格式的電子文件，形成了徒駭河和馬頰河DOM分幅圖成果。

2.5 建立劃界管理數(shù)據(jù)庫

主要包括管理范圍界址線數(shù)據(jù)庫和管理范圍內(nèi)界樁點(diǎn)數(shù)據(jù)庫，包括空間數(shù)據(jù)文件.shp、空間數(shù)據(jù)索引文件.shx、屬性數(shù)據(jù)文件。dbf、地理數(shù)據(jù)索引文件.sbn等。

3 技術(shù)路線

總體技術(shù)路線如下：①選取典型河段作為試點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場踏勘，明確成圖范圍和航測區(qū)域；②按照設(shè)計進(jìn)行全河段無人機(jī)航測作業(yè)，布設(shè)航測像控點(diǎn)；③對航測數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理計算，獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)集和1∶2 000正射影像數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場校核；④依據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)集和已采集正射影像，結(jié)合實(shí)際踏勘樣本，準(zhǔn)確提取河口線、堤腳線、坡腳線等；⑤結(jié)合實(shí)際地貌，通過空間緩沖分析，繪制管理和保護(hù)范圍邊界線；⑥編制河道管理和保護(hù)范圍專題圖層。

利用空三加密成果繪制河道管理和保護(hù)范圍邊界的起算線，是整個工作流程實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，按照河道地形地貌的特點(diǎn)不同，起算線具有不同的形式?？傮w技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 總體技術(shù)流程圖

4 劃界主要技術(shù)要點(diǎn)分析

4.1 無人機(jī)航空攝影

4.1.1 儀器設(shè)備

①機(jī)場，本攝區(qū)擬選用攝區(qū)內(nèi)的一處公路為起降點(diǎn)，無須進(jìn)駐機(jī)場。②機(jī)型，本攝區(qū)擬選用垂直起降無人機(jī)，采用高性能導(dǎo)航GPS，主要性能參數(shù)：型號：CW-30；最大載荷：36 kg；翼展：4 m；起飛距離：400 m；失速速度：62 km/h；最小速度：65 km/h；巡航速度：85～125 km/h；燃油：無鉛汽油。③航攝儀，本攝區(qū)選用RS1000 50 mm 鏡頭；鏡頭主距：50 mm；像元尺寸：4.60 μm；影像像幅：11 608×8 708像素。

4.1.2 航攝設(shè)計

①航攝分區(qū)，根據(jù)攝區(qū)地形，依據(jù)框幅式數(shù)字航空攝影分區(qū)原則劃分?jǐn)z區(qū)。②航高確定，本項(xiàng)目擬采用RS1000 數(shù)字航攝儀航攝，相機(jī)主距為50 mm，地形圖比例尺為1：2 000，要求影像分辨率高于0.30 m，數(shù)字航空攝影的地面分辨率取決于飛行高度。③航線敷設(shè)，航線飛行方向一般為東西向，考慮到測區(qū)季節(jié)風(fēng)和空域民航航線的限制，可按需要進(jìn)行敷設(shè)。

航線敷設(shè)根據(jù)攝影測量學(xué)原理及測區(qū)實(shí)際情況確定，航向重疊度設(shè)計為65%，旁向重疊設(shè)計為35%，按測區(qū)中心線敷設(shè)航線。

4.1.3 無人機(jī)航攝

根據(jù)GB/T27919要求，無人機(jī)所有發(fā)動機(jī)啟動后再行開啟航攝系統(tǒng)的電源，飛行期間注意避讓建筑物、樹木等障礙物，數(shù)據(jù)采集間隔小于或等于1 s，上升或下降速度小于10 m/s，轉(zhuǎn)彎坡度小于20°，左右交替飛行，飛行中及時觀察，避免GPS衛(wèi)星信號失鎖等。

4.1.4 成果整理

航片編號方法為：①航片編號由8 位字符構(gòu)成，采用以航攝分區(qū)為單位的流水編號；攝區(qū)航線一般為東西向敷設(shè)。②同一航線內(nèi)的航片編號不允許重復(fù)。

4.2 像片控制測量

4.2.1 像片控制點(diǎn)的布設(shè)要求

本次預(yù)布123 個像控點(diǎn)，沿河道均勻布設(shè)，像控點(diǎn)的布設(shè)要求總體執(zhí)行《水利水電工程測量規(guī)范》。

4.2.2 像片控制點(diǎn)的判刺與整飾

對像片控制點(diǎn)進(jìn)行二次判刺與整飾，平高控制點(diǎn)編號在像片編號前冠以“P”；高程控制點(diǎn)在像片編號前冠以“G”；檢查點(diǎn)（保密點(diǎn)）編號在像片編號前冠以“J”；同一測區(qū)不得重號。

4.2.3 像片控制點(diǎn)的測量

采用GNSS 連測確定像片控制點(diǎn)，利用聊城市C 級點(diǎn)進(jìn)行像控點(diǎn)高程解算。

4.3 空三加密

在外業(yè)測定獲得像片控制點(diǎn)的基礎(chǔ)上，采用空三加密軟件進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)整體平差，得到加密點(diǎn)成果。

4.4 計算和成果整理

平差計算前應(yīng)編制外業(yè)控制點(diǎn)成果文件（加密定向點(diǎn)已知成果）并經(jīng)第二人檢查校對。計算過程中出現(xiàn)超限或錯誤，應(yīng)認(rèn)真檢查相對定向精度、控制點(diǎn)起始數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)點(diǎn)精度，仔細(xì)分析找出原因后認(rèn)真進(jìn)行處理。較大水系常水位點(diǎn)應(yīng)在首次計算成果出來后進(jìn)行相互比較，有矛盾時應(yīng)在立體觀測下進(jìn)行配賦改正。加密完成后，應(yīng)與相鄰航線、相鄰加密區(qū)域地進(jìn)行接邊，并將成果通過接口程序直接傳輸給測圖定向使用。作業(yè)方法、精度統(tǒng)計、重大技術(shù)問題處理情況和質(zhì)量評定應(yīng)填寫質(zhì)量記錄，并有填寫者、檢查者簽名。

5 劃界成果的特點(diǎn)及應(yīng)用推廣

5.1 劃界成果的應(yīng)用主要特點(diǎn)

高度數(shù)字化、矢量化，本次劃界緊扣水利信息管理化要求，立足于先進(jìn)的數(shù)字測繪技術(shù)和設(shè)備，切實(shí)將劃界成果做到數(shù)字化、矢量化，建立了完整的劃界信息管理數(shù)據(jù)庫，便于成果的應(yīng)用和銜接。

5.2 應(yīng)用推廣情況

一是助推河長制實(shí)施，助推河長制實(shí)施，比如在河湖“清四亂”行動中，劃界成果提供了詳細(xì)的河道管理邊界矢量范圍，將衛(wèi)星遙感和無人機(jī)巡河成果與劃界矢量數(shù)據(jù)對比，為清違清障和清四亂提供了基礎(chǔ)依據(jù)；二是納入國土空間數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)部門間數(shù)據(jù)對接和共享。劃界矢量成果納入國土空間總體規(guī)劃基礎(chǔ)信息平臺，為水利發(fā)展提供有效的空間保障。

6 總結(jié)

6.1 精心組織

河道管理范圍劃定工作由市人民政府負(fù)責(zé)，由聊城市水利局具體實(shí)施，本項(xiàng)目自始至終都感受到各部門的精心計劃，詳細(xì)安排和相互協(xié)作。在現(xiàn)場指界過程中，相關(guān)負(fù)責(zé)領(lǐng)導(dǎo)和工作人員多次深入到工作一線，對涉及政策性的問題均給出了具體的針對性很強(qiáng)的解決辦法，項(xiàng)目一直在和諧、可控而有序的氛圍中向前推進(jìn)。

6.2 完善質(zhì)量保證體系

實(shí)施單位高度重視，做到精心組織實(shí)施，牢固樹立質(zhì)量意識、安全意識，把質(zhì)量作為重中之重。成立項(xiàng)目管理機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)項(xiàng)目的協(xié)調(diào)、管理、組織和實(shí)施，明確職責(zé)分工，統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理。認(rèn)真做好參與本項(xiàng)目所有工作人員的技術(shù)培訓(xùn)工作，提高工作人員對河道管理范圍劃定相關(guān)政策及工作要求的理解，確保作業(yè)技術(shù)路線的標(biāo)準(zhǔn)化。嚴(yán)格執(zhí)行國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和本項(xiàng)目實(shí)施方案，對各技術(shù)環(huán)節(jié)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)真做好生產(chǎn)作業(yè)中的每一道工序。