李 濤，高 波，張?jiān)蕽?，高佳?/p>

(1. 山東省國(guó)土測(cè)繪院，山東 濟(jì)南 250102； 2. 山東魯邦地理信息工程有限公司，山東 濟(jì)南 250101)

河湖工程范圍劃界是建設(shè)水生態(tài)文明和實(shí)現(xiàn)水利現(xiàn)代化的重要保障，根據(jù)國(guó)家河長(zhǎng)制湖長(zhǎng)制工作總體部署，2017年山東省全面推行河長(zhǎng)制建設(shè)，河湖工程管理范圍劃界納入政府重要工作?；趪?guó)家政策影響和巨大的河湖體量，河湖劃界測(cè)繪顯然已經(jīng)成為當(dāng)前測(cè)繪行業(yè)的一大熱點(diǎn)。對(duì)測(cè)繪工作者來(lái)說(shuō)既是商機(jī)也是挑戰(zhàn)，如何在短期內(nèi)快速消化、完成大量的河湖劃界勘測(cè)任務(wù)，成為新形勢(shì)下的一大考驗(yàn)。通常自然形成的河湖歷史確權(quán)資料較少，資料形式簡(jiǎn)陋，邊界糾紛事件時(shí)有發(fā)生。采用傳統(tǒng)測(cè)繪手段無(wú)論工作效率還是成果展現(xiàn)形式，都難以滿足當(dāng)前信息化需求和嚴(yán)峻的工期要求。本文以天狼星免像控?zé)o人機(jī)航測(cè)為例，從項(xiàng)目組織實(shí)施、方案對(duì)比、各階段成果應(yīng)用等方面進(jìn)行比較分析，為河湖劃界勘測(cè)提供一種快速、高效的解決辦法[1-2]。

1 河湖劃界勘測(cè)業(yè)務(wù)特點(diǎn)

1.1 河湖劃界勘測(cè)基本要求

河湖劃界主要勘測(cè)工作是梳理、確定管理范圍線及保護(hù)范圍線位置，通過(guò)埋設(shè)界樁明確邊界。其中河道管理范圍指有堤防河道的管理范圍為兩岸堤防之間的水域、沙洲、灘地(包括可耕地)、行洪區(qū)及兩岸堤防和護(hù)堤地；湖泊保護(hù)(管理)范圍指湖堤、護(hù)堤地，根據(jù)湖泊歷時(shí)最高洪水位或設(shè)計(jì)洪水位確定的區(qū)域(包括湖泊水域、沙洲、灘地)，湖泊周邊對(duì)湖泊保護(hù)有重要作用的濕地和列入規(guī)劃的蓄滯洪區(qū)等其他區(qū)域。根據(jù)山東省河湖管理范圍和水利工程管理與保護(hù)范圍劃界確權(quán)工作技術(shù)指南(試行)要求，主要工作內(nèi)容包括：

(1) 收集整理河湖和水利工程管理范圍1∶10 000及以上比例尺的地形圖、0.3 m精度的正射影像航拍圖。

(2) 以地形圖為底圖，可輔以高精度正射影像圖，采用內(nèi)外業(yè)方式，先進(jìn)行圖上作業(yè)，完成管理范圍線布置，在一定間隔和拐點(diǎn)處預(yù)布界址點(diǎn)；再通過(guò)外業(yè)，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙對(duì)管理范圍線和界址點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量放樣，復(fù)核成果。

(3) 河湖岸線及斷面測(cè)量。

(4) 界樁(牌)圖上布設(shè)及現(xiàn)場(chǎng)放樣、埋設(shè)。

從技術(shù)指南可以看出，河湖劃界對(duì)勘測(cè)成果精度要求比較寬松，采用常規(guī)勘測(cè)手段就可以實(shí)現(xiàn)。

1.2 河湖劃界勘測(cè)工作特點(diǎn)和難點(diǎn)

由于是新興業(yè)務(wù)，可供參考借鑒的成功案例和相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)較少，對(duì)已經(jīng)開(kāi)展項(xiàng)目區(qū)域調(diào)研結(jié)果也是方法多樣，對(duì)新技術(shù)的應(yīng)用多處于探索和嘗試階段。經(jīng)驗(yàn)總結(jié)就是線路長(zhǎng)、覆蓋面廣，歷史遺留問(wèn)題多樣，線路情況各有千秋、工作協(xié)調(diào)難度大，需要逐條河流、逐個(gè)湖泊、逐項(xiàng)工程確定具體目標(biāo)任務(wù)和實(shí)施方案[3]。

山東省河湖水利工程劃界確權(quán)資料情況及其特點(diǎn)如下：

(1) 山東省20世紀(jì)90年代對(duì)一些重要河道、湖泊進(jìn)行了劃界確權(quán)，并辦理了部分國(guó)有土地使用權(quán)證。但是權(quán)屬證書更新不及時(shí)，既有資料多數(shù)缺少電子矢量化數(shù)據(jù)，實(shí)際可利用價(jià)值不大；隨著河道的自然演變及兩岸農(nóng)田種植活動(dòng)、河道規(guī)劃整治的影響，原有界樁已被損毀，失去了其原有作用。

(2) 眾多無(wú)任何確權(quán)和檔案資料的自然形成的河流、湖泊岸線需要按照現(xiàn)狀確定，土地侵占和邊界糾紛等各種歷史遺留問(wèn)題容易在這次工作中引發(fā)。

(3) 確權(quán)劃界工作涉及國(guó)家及地方政策復(fù)雜，參與部門眾多，協(xié)調(diào)難度和工作難度大。

綜合以上特點(diǎn)，要在較短的時(shí)間在全省甚至全國(guó)范圍內(nèi)大規(guī)模開(kāi)展河湖劃界任務(wù)，必須尋求一種高效、創(chuàng)新的工作模式。本文以山東省某縣區(qū)河湖劃界勘測(cè)工作為例，通過(guò)天狼星免像控?zé)o人機(jī)航測(cè)技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)了河湖劃界工作快速推進(jìn)和河長(zhǎng)制信息化管理的多重需求，在實(shí)踐過(guò)程中取得了較好效果。

2 天狼星無(wú)人機(jī)航空測(cè)圖系統(tǒng)介紹及其顯著特點(diǎn)

天狼星無(wú)人機(jī)是拓普康的內(nèi)置RTK實(shí)時(shí)差分型無(wú)人機(jī)，與配套軟件一起形成高精度、智能化的航空測(cè)圖系統(tǒng)[4]，顛覆了傳統(tǒng)航測(cè)必須布設(shè)大量像控點(diǎn)的工作模式，在工程測(cè)量特別是大比例尺測(cè)圖領(lǐng)域有很大優(yōu)勢(shì)[5]。設(shè)備基本配置包括：無(wú)人機(jī)系統(tǒng)、地面監(jiān)控站、發(fā)射電臺(tái)、GPS基站等；影像處理系統(tǒng)包括：影像數(shù)據(jù)快速檢查、糾正、拼接等，空三加密流程簡(jiǎn)單，基本實(shí)現(xiàn)一鍵生成DOM、DEM。

與其他品牌無(wú)人機(jī)相比，天狼星無(wú)人機(jī)顯著特點(diǎn)包括：

(1) 高精度：天狼星無(wú)人機(jī)內(nèi)置RTK，與地面站組成一套1+1 GPS RTK定位系統(tǒng)，結(jié)合慣導(dǎo)系統(tǒng)和飛行姿態(tài)穩(wěn)定控制系統(tǒng)，在完全免像控的情況下也可以實(shí)現(xiàn)平面±3 cm、高程±5 cm的精度要求，其精度基本可以與GPS RTK固定解精度相媲美。

(2) 完全免像控[6]：傳統(tǒng)航測(cè)方法必須布設(shè)大量地面像控點(diǎn)，需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和成本。特別是在那些從地面無(wú)法或難以進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)的項(xiàng)目區(qū)域，沒(méi)有足夠的像控點(diǎn)，也難以實(shí)現(xiàn)高精度的項(xiàng)目成果。但是天狼星無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)免像控并在精度要求較高的工程測(cè)量領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

(3) 具有任性的飛行姿態(tài)控制系統(tǒng)[7]：定高、平行航線飛行是常規(guī)無(wú)人機(jī)司空見(jiàn)慣的飛行模式，而天狼星無(wú)人機(jī)獨(dú)有的帶狀、自適應(yīng)地表飛行計(jì)劃，在線路工程勘測(cè)項(xiàng)目中優(yōu)勢(shì)較為明顯。特別是航測(cè)帶寬不足500 m的河道、公路等項(xiàng)目(如圖1、圖2所示)，線路走向頻繁變化，采用平行航線方式會(huì)存在大量無(wú)效飛行區(qū)域，無(wú)論對(duì)外業(yè)航飛還是內(nèi)業(yè)空三加密等環(huán)節(jié)均帶來(lái)較多無(wú)效工作量，造成資源浪費(fèi)。

3 工程實(shí)施

3.1 工程概況

本項(xiàng)目擬對(duì)轄區(qū)內(nèi)17條區(qū)級(jí)河道與兩座水庫(kù)進(jìn)行劃界測(cè)量，河道長(zhǎng)度累計(jì)里程約180 km，共涉及12鎮(zhèn)4個(gè)街道辦事處，行政區(qū)土地面積960 km2。測(cè)區(qū)地形地貌屬黃泛沖積平原區(qū)，地勢(shì)平坦，地形自西南向東北傾斜，地面高程在37.28～33.20 m。

主要測(cè)繪內(nèi)容與要求：測(cè)繪比例尺1∶2000；測(cè)繪范圍：保護(hù)范圍線外擴(kuò)20 m，平均帶寬220～300 m；測(cè)繪重點(diǎn)：堤防、岸線、縣鄉(xiāng)村權(quán)屬界線、道路、橋梁、坑塘、閘壩、提水閘、排水閘等；其他要求：界樁及公告牌圖上預(yù)布設(shè)，以及在堤防寬度變換處進(jìn)行橫斷面測(cè)量。

3.2 實(shí)施方法

河湖劃界任務(wù)通常涉及區(qū)域廣、范圍大，同時(shí)河道曲折蜿蜒，河槽及灘地寬度不一。結(jié)合任務(wù)特點(diǎn)和任務(wù)要求，采用天狼星無(wú)人機(jī)航測(cè)成為項(xiàng)目首選方案(如圖3所示)。工作思路：首先通過(guò)天狼星無(wú)人機(jī)獲取測(cè)區(qū)高分辨率影像和數(shù)字高程模型，為外業(yè)調(diào)查和圖上定線提供基礎(chǔ)工作底圖；然后通過(guò)EPS虛擬攝影測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行大比例尺地形圖立測(cè)采集與編輯，在三維立體環(huán)境下進(jìn)行界樁、公告牌圖上預(yù)布以及管理范圍線和保護(hù)范圍線圖上定線；最后結(jié)合外業(yè)調(diào)查情況和界樁埋設(shè)(主要是移位界樁)結(jié)果對(duì)劃界成果進(jìn)一步修改、完善。

3.3 采用天狼星無(wú)人機(jī)航測(cè)優(yōu)勢(shì)

根據(jù)省級(jí)河湖劃界方案工作指南要求，河湖劃界工作底圖需要輔以優(yōu)于0.3 m分辨率的衛(wèi)星或航拍影像?？紤]區(qū)級(jí)河道航測(cè)帶寬不足300 m，同時(shí)結(jié)合天狼星無(wú)人機(jī)每架次飛行效率，在外業(yè)航測(cè)工作量相當(dāng)?shù)那闆r下，將航測(cè)影像分辨率可以提高至0.1 m。該方法不僅使影像清晰度和平面精度顯著提高，更有利于影像判讀和內(nèi)業(yè)岸線采集，而且DEM高程精度也顯著提高，通過(guò)無(wú)人機(jī)影像匹配點(diǎn)云技術(shù)，可以提取制作河湖水面以外的橫斷面數(shù)據(jù)成果。

本項(xiàng)目外業(yè)航測(cè)共飛行46架次，獲取照片18 120張；影像空三加密與外業(yè)航飛時(shí)間基本保持同步，整個(gè)項(xiàng)目航測(cè)周期約10 d。大比例尺地形圖立測(cè)采集，以及樁(牌)、管理范圍線和保護(hù)范圍線圖上布設(shè)等內(nèi)業(yè)工作在第一架次影像空三加密成果出來(lái)后就可以同步開(kāi)展，做到各工序環(huán)環(huán)相扣，為周期較長(zhǎng)的界樁埋設(shè)留出寶貴的工作時(shí)間。

3.4 精度檢測(cè)

免像控是天狼星無(wú)人機(jī)的一大亮點(diǎn)，但是缺少像控點(diǎn)就意味著精度檢測(cè)條件減少，為檢測(cè)航測(cè)成果精度，對(duì)全路線進(jìn)行抽樣檢測(cè)。檢測(cè)點(diǎn)密度：平均1點(diǎn)/km；平面點(diǎn)位選擇在硬化路面斑馬線、河湖岸線或影像色差變換明顯的特征地物角點(diǎn)處，高程點(diǎn)盡量選擇在地勢(shì)平坦處，如堤頂?shù)缆坊驑蛄簬缀沃行奈恢茫⒁獗荛_(kāi)橋頭或高差突然變換、DEM容易拉花變形的位置；測(cè)量方法：采用GPS RTK兩次測(cè)量，坐標(biāo)與高程差值均小于2 cm時(shí)取平均值作為最終檢測(cè)坐標(biāo)成果。共檢測(cè)平面特征點(diǎn)128點(diǎn)，高程特征點(diǎn)186點(diǎn)(含平面特征點(diǎn))。

采用同精度檢測(cè)方法，中誤差計(jì)算公式為

(1)

式中,M為成果中誤差；n為檢測(cè)點(diǎn)(邊)總數(shù)；Δi為較差。

表1 DOM平面坐標(biāo)中誤差檢測(cè) cm

表2 DEM高程中誤差檢測(cè) cm

4 所見(jiàn)即所得的DSM成果促進(jìn)劃界項(xiàng)目快速推進(jìn)

無(wú)人機(jī)航測(cè)成果中數(shù)字表面模型(DSM)應(yīng)用領(lǐng)域比較廣泛，特別是基于EPS環(huán)境下的傾斜攝影測(cè)量，得益于優(yōu)秀的二三維一體化技術(shù)，通過(guò)二三維的矢量數(shù)據(jù)與傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)相結(jié)合，可以真實(shí)地表現(xiàn)出地表信息。在該環(huán)境下，可以快速簡(jiǎn)易地進(jìn)行DLG大比例尺地形圖采集編輯并進(jìn)行各種數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計(jì)和分析，實(shí)現(xiàn)測(cè)量外業(yè)工作的內(nèi)業(yè)化[8](如圖4所示)。

在河湖劃界勘測(cè)任務(wù)中，除界樁埋設(shè)工序外，80%以上的工作都是基于高精度、高分辨率影像資料制作完成的。特別是樁(牌)和管理范圍線圖上預(yù)布設(shè)，樁“牌”可以準(zhǔn)確布設(shè)在田埂、坎邊等易于長(zhǎng)期保存的位置。在現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)過(guò)程中基本實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)樁位坐標(biāo)“零”移位效果。另外所見(jiàn)即所得的三維可視化和流暢的瀏覽體驗(yàn)效果，在真實(shí)還原現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景的情況下，可以有針對(duì)性地制定項(xiàng)目應(yīng)急預(yù)案和工作方案，極大便利了多單位、多部門之間的業(yè)務(wù)對(duì)接，促進(jìn)了項(xiàng)目快速推進(jìn)。

5 結(jié) 語(yǔ)

天狼星無(wú)人機(jī)高精度的航測(cè)成果及其數(shù)據(jù)的應(yīng)用，革新了傳統(tǒng)測(cè)繪數(shù)據(jù)采集和外業(yè)調(diào)查工作模式，降低了測(cè)繪外業(yè)工作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了工程測(cè)量外業(yè)工作的內(nèi)業(yè)化，為河湖劃界勘測(cè)工作提供了一種行之有效的作業(yè)方法，讓緊急的工程測(cè)量任務(wù)工期更可控。通過(guò)逼真的、可準(zhǔn)確量測(cè)的DSM三維模型真實(shí)還原現(xiàn)場(chǎng)，讓繁雜、棘手的跨單位、跨部門、跨行業(yè)之間的業(yè)務(wù)對(duì)接、溝通協(xié)調(diào)變得輕松愉悅。通過(guò)對(duì)航測(cè)成果進(jìn)一步挖掘利用，可以在河長(zhǎng)制信息化平臺(tái)建設(shè)、水資源保護(hù)、水環(huán)境治理、生態(tài)修復(fù)、河湖整治等領(lǐng)域讓測(cè)繪成果發(fā)揮價(jià)值，實(shí)現(xiàn)一次航測(cè)，成果多次利用的目的[9]。