基于無(wú)人機(jī)遙感的河道環(huán)境監(jiān)測(cè)研究

廖劍波

(廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 廣東廣州 510060)

加強(qiáng)河道環(huán)境監(jiān)管，保護(hù)綠水青山，構(gòu)建和諧的人水關(guān)系，是每個(gè)城市發(fā)展必須要正確面對(duì)的問(wèn)題。從古代大禹治水到如今的“河長(zhǎng)制”，我國(guó)積累了豐富的河道治理經(jīng)驗(yàn)，也取得了豐碩的治理成果[1]。但是，受到河道地形和自然條件限制等一些因素的影響，河道監(jiān)管容易出現(xiàn)盲區(qū)，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)管河道和排污口的全面巡查和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，無(wú)人機(jī)低空遙感為河道監(jiān)管提供了更加豐富的技術(shù)手段。無(wú)人機(jī)設(shè)備作業(yè)機(jī)動(dòng)靈活，無(wú)論是河道全流域的周期性監(jiān)測(cè)，還是特殊地區(qū)的定點(diǎn)全天候高頻率監(jiān)測(cè)，無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)都能主動(dòng)適應(yīng)河道管理新常態(tài)的需要。無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)為進(jìn)一步深入河道精細(xì)化管理，提高外業(yè)巡查效率，提升外業(yè)執(zhí)法的震懾力，提供了有力的技術(shù)支持，也較好地解決河道監(jiān)管的“最后一公里”問(wèn)題[2]。

1 無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)與數(shù)據(jù)處理方法

隨著通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，各種新型傳感器不斷出現(xiàn)，其體積小、重量輕、探測(cè)精度高的優(yōu)勢(shì)應(yīng)用于無(wú)人機(jī)技術(shù)，使無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域得到迅速拓展。無(wú)人機(jī)種類多樣，應(yīng)用于河道環(huán)境監(jiān)測(cè)的主要有固定翼型無(wú)人機(jī)和多旋翼型無(wú)人機(jī)[3]。固定翼型無(wú)人機(jī)續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)，搭載能力強(qiáng)，適合大區(qū)域地形或整流域河道航拍監(jiān)測(cè)；多旋翼型無(wú)人機(jī)輕巧靈活，作業(yè)機(jī)動(dòng)，起降方便，適合外業(yè)人員攜帶到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行局部小面積航拍監(jiān)測(cè)。

應(yīng)用于河道環(huán)境監(jiān)測(cè)的無(wú)人機(jī)航拍成果主要有數(shù)字正射影像（Digital Orthophoto Map，DOM）、航拍視頻、720°全景照片等。大面積數(shù)字正射影像的制作是通過(guò)固定翼型無(wú)人機(jī)進(jìn)行航拍數(shù)據(jù)采集，經(jīng)空三加密、絕對(duì)定向、微分糾正等步驟處理后生成。720°全景照片通過(guò)多旋翼無(wú)人機(jī)采集，經(jīng)同名點(diǎn)匹配、投影變換和拼接勻色等步驟處理生成。使用多旋翼無(wú)人機(jī)，外業(yè)人員可實(shí)地規(guī)劃航線進(jìn)行航拍視頻與照片采集。無(wú)人機(jī)航拍數(shù)據(jù)生產(chǎn)流程如圖1所示。

圖1 無(wú)人機(jī)航拍數(shù)據(jù)生產(chǎn)流程圖

通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)航拍生產(chǎn)的高分辨率影像進(jìn)行解譯，可對(duì)河道管理范圍內(nèi)的建筑設(shè)施分布、自然環(huán)境情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)和定位。對(duì)易發(fā)生違建或環(huán)境污染地區(qū)航拍并制作720°全景照片，能更加直觀、全面地展示河道重要節(jié)點(diǎn)的環(huán)境情況。針對(duì)受地形等因素影響，外業(yè)巡查難以到達(dá)的地區(qū)，可使用無(wú)人機(jī)自動(dòng)巡航拍攝或人工操控定點(diǎn)拍攝的方法進(jìn)行實(shí)地情況記錄，避免出現(xiàn)監(jiān)測(cè)“死角”。

2 河道監(jiān)測(cè)方法

河道水域動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)主要包含河道環(huán)境監(jiān)測(cè)、沿河水利設(shè)施監(jiān)測(cè)、執(zhí)法巡查監(jiān)測(cè)和災(zāi)情監(jiān)測(cè)四大類。根據(jù)監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)和需求，可使用無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)從全流域周期性監(jiān)測(cè)、日常巡查監(jiān)測(cè)和應(yīng)急監(jiān)測(cè)3 個(gè)層面實(shí)施作業(yè)，為河道水域動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)提供技術(shù)支持。

2.1 全流域周期性無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)

使用無(wú)人機(jī)對(duì)河道水域進(jìn)行周期性全流域航拍作業(yè)，采集河道與周邊區(qū)域高分辨率影像，制作全流域正射影像圖。河道環(huán)境、沿河水利設(shè)施的變化會(huì)在不同時(shí)間序列的影像上表現(xiàn)出來(lái)。通過(guò)人工解譯對(duì)比，結(jié)合光譜分類后比較法和光譜直接比較法進(jìn)行變化自動(dòng)檢測(cè)，監(jiān)測(cè)出變化地物，從宏觀角度掌握河道環(huán)境總體變化情況[4]。

根據(jù)河道水域流向和分布進(jìn)行航飛航線設(shè)計(jì)，并沿河道界限適當(dāng)外擴(kuò)航拍范圍。在影像數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上按圖幅進(jìn)行正射影像人工解譯，通過(guò)比對(duì)不同周期的影像，人工識(shí)別河道監(jiān)測(cè)要素，并對(duì)變化的區(qū)域進(jìn)行人工勾繪與整理，最后進(jìn)行外業(yè)核查，保證變化監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，如圖2所示。

圖2 不同周期影像圖河道變化監(jiān)測(cè)示意圖

通過(guò)對(duì)河道全流域的周期性影像比對(duì)，可較全面地檢測(cè)到河道水域的概況。通過(guò)影像比對(duì)，有助于管理部門對(duì)河道管理范圍內(nèi)的違法建設(shè)、違法開墾種植和違法開采等非法行為的管控，將不合法、不合規(guī)的河道侵占行為控制在萌芽階段[5]。但是由于部分河道周邊植被茂盛，無(wú)人機(jī)航拍易被遮擋，人工巡查又難以實(shí)地到達(dá)，這就需要輕小型多旋翼無(wú)人機(jī)隨日常巡查現(xiàn)場(chǎng)航拍作業(yè)，以避免出現(xiàn)監(jiān)測(cè)死角。

2.2 日常巡查遙感監(jiān)測(cè)

日常巡查是河道水域監(jiān)測(cè)的主要組成內(nèi)容，各地“河長(zhǎng)制”已基本落實(shí)，河道管理職責(zé)也細(xì)化到各網(wǎng)格管理員，多旋翼無(wú)人機(jī)機(jī)動(dòng)靈活的特點(diǎn)，將大幅提高日常巡查的效率和現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)法的精準(zhǔn)程度。多旋翼無(wú)人機(jī)攜帶方便，回收快捷，適合外業(yè)巡查單兵使用，大多數(shù)多旋翼無(wú)人機(jī)使用電能驅(qū)動(dòng)，操控簡(jiǎn)單且對(duì)起降場(chǎng)地要求極低，飛行通信距離可超過(guò)2 km且能進(jìn)行航拍視頻實(shí)時(shí)傳輸。無(wú)人機(jī)操控端可進(jìn)行航拍線路實(shí)時(shí)規(guī)劃，并且航拍照片可寫入其曝光時(shí)刻的定位信息，方便外業(yè)巡查人員取證拍攝和資料整理，如圖3所示。

圖3 多旋翼無(wú)人機(jī)航拍河道違建取證示意圖

對(duì)于河道交匯處、河道水利設(shè)施所在地以及其他易發(fā)生污染的地區(qū)，在常規(guī)監(jiān)測(cè)外業(yè)，可使用多旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行720°全景影像采集作為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的補(bǔ)充，如圖4所示。全景影像以第一人稱視角對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行全方位的直觀展示，有助于內(nèi)業(yè)專家對(duì)復(fù)雜情況的研判。720°全景影像可分享發(fā)布到移動(dòng)端，并且可進(jìn)行裸眼VR效果顯示，實(shí)用方便。

圖4 河道監(jiān)測(cè)點(diǎn)720°全景照片截圖

2.3 應(yīng)急監(jiān)測(cè)

水是生命之源，河道的突發(fā)性污染或洪澇災(zāi)害，都會(huì)直接影響人民生命財(cái)產(chǎn)的安全[6]。河道污染傳播速度快，影響時(shí)間較長(zhǎng)。所以，在河道環(huán)境安全出現(xiàn)的緊急情況時(shí)，無(wú)人機(jī)航拍將會(huì)為應(yīng)急監(jiān)測(cè)救援提供快速高效的技術(shù)支持，助力現(xiàn)場(chǎng)指揮決策。

在發(fā)生險(xiǎn)情時(shí)，無(wú)人機(jī)可以克服交通不便、次生災(zāi)害危險(xiǎn)等不利因素，快速抵達(dá)事發(fā)地空域，監(jiān)測(cè)險(xiǎn)情發(fā)展情況，實(shí)時(shí)傳送監(jiān)測(cè)圖像到應(yīng)急指揮機(jī)構(gòu)。對(duì)工業(yè)污水夜間偷排污染河道的情況，可使用搭載紅外攝像頭的無(wú)人機(jī)進(jìn)行夜航監(jiān)測(cè)，還可利用溫差因素，監(jiān)測(cè)到隱蔽排污點(diǎn)和污染物擴(kuò)散情況[7]。發(fā)生洪澇災(zāi)害時(shí)，在常規(guī)航拍監(jiān)測(cè)之外，還使用無(wú)人機(jī)航拍設(shè)備的鎖定追蹤功能，如圖5 所示。搜索并跟蹤航拍河道中落水人員或特殊漂浮物。在追蹤過(guò)程中，根據(jù)無(wú)人機(jī)回傳的實(shí)時(shí)拍攝位置和拍攝角度，可換算出被追蹤物的坐標(biāo)，為水面應(yīng)急救援或下游攔截提供準(zhǔn)確信息[8]。

圖5 無(wú)人機(jī)跟隨模式航拍示意圖

制訂完善的應(yīng)急監(jiān)測(cè)保障預(yù)案是應(yīng)急監(jiān)測(cè)順利、高效進(jìn)行的前提。在日常作業(yè)中，必須組織無(wú)人機(jī)應(yīng)急航拍隊(duì)伍定期進(jìn)行應(yīng)急模擬演練，確保應(yīng)急作業(yè)流程熟練、技術(shù)過(guò)關(guān)、配合默契。

3 案例應(yīng)用

本文以廣東省某城區(qū)河道水域環(huán)境監(jiān)測(cè)工作為例，說(shuō)明無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)在河道變化監(jiān)測(cè)方面所發(fā)揮的重要作用，監(jiān)測(cè)工作具體作業(yè)流程見圖6。

圖6 河道環(huán)境監(jiān)測(cè)流程圖

該區(qū)河道密布，且西部以丘陵地形為主。該區(qū)域以往的河道水域監(jiān)測(cè)以人工巡查方式為主，工作效率低且巡查容易出現(xiàn)遺漏。2016年起開始采用無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)對(duì)境內(nèi)河道水域進(jìn)行變化監(jiān)測(cè)，當(dāng)年度共進(jìn)行2次整區(qū)域的無(wú)人機(jī)航拍作業(yè)，航拍時(shí)間相隔5個(gè)月，并制作整區(qū)域高清影像圖用于河道環(huán)境變化監(jiān)測(cè)。日常巡查使用輕小型多旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行輔助作業(yè)，并制訂了河道應(yīng)急監(jiān)測(cè)預(yù)案，組建應(yīng)急隊(duì)伍，以應(yīng)對(duì)河道水域環(huán)境突發(fā)狀況。近2年該區(qū)某鎮(zhèn)監(jiān)測(cè)成果如表1所示。

表1 鄉(xiāng)鎮(zhèn)河道水域變化監(jiān)測(cè)成果統(tǒng)計(jì) （單位：個(gè)）

無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)為該區(qū)的河道監(jiān)測(cè)工作提供了有力的技術(shù)支持，提升了巡查工作的效率和精準(zhǔn)程度，發(fā)揮了積極作用[9]。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)傳統(tǒng)河道監(jiān)管中存在的技術(shù)問(wèn)題，根據(jù)無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合相關(guān)實(shí)例，提出并探討了無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)在河道水域環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用方法。無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)也存在城區(qū)復(fù)雜環(huán)境易受信號(hào)干擾、山區(qū)易受氣流影響，大面積航拍成果處理周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)。隨著科技的不斷進(jìn)步，無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)將更貼近河道環(huán)境監(jiān)測(cè)的需求，也會(huì)產(chǎn)生更科學(xué)、高效的解決方案。本文論述的無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)在河道水域環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用方法，也可以在其他類自然資源環(huán)境監(jiān)測(cè)中推廣和借鑒。