羊海東 ，鄒宏亮

（1.浙江省河海測繪院，浙江 杭州 310008；2.浙江省水利防災減災重點實驗室，浙江 杭州 310020）

1 問題的提出

近年來，在浙江省政府實施“五水共治”戰(zhàn)略、全面實施“河長制”的大背景下，浙江省水利廳開展“無違建河道”創(chuàng)建工作。為了推進無違建河道的創(chuàng)建，河道管理部門需要對河道進行摸底調(diào)查、掌握違建信息，傳統(tǒng)調(diào)查方法主要有2種:①采用人工巡查方式進行調(diào)查，需要投入大量的人力、物力、財力，且存在效率低下、實施周期長等問題，不能很好地達到預期目標；②利用衛(wèi)星遙感影像進行調(diào)查，雖然具有效率高、覆蓋全面等特點，但由于河道曲折、范圍廣，衛(wèi)星遙感影像獲取成本高、更新不及時，在實際應用中有一定限制。

隨著無人機技術日漸成熟，在低空數(shù)據(jù)采集方面作用越來越重要，能夠為低空衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和航空衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)提供有效的補充[1]。本文探討利用無人機技術進行河道巡查，拍攝河道流域視頻和重點區(qū)域照片，根據(jù)河道管理范圍提取疑似違建信息，并基于GIS技術開發(fā)河道違建巡查系統(tǒng)，實現(xiàn)河道違建管理的信息化。

2 河道巡查中無人機數(shù)據(jù)采集與處理

2.1 無人機數(shù)據(jù)采集和處理

2.1.1 前期準備

無人機數(shù)據(jù)采集前，需充分收集與巡查河道有關的地形圖、影像等資料數(shù)據(jù)，了解巡查區(qū)域河流走向、堤防（護岸）、地形地貌、氣象條件以及機場重要設施等情況，規(guī)劃巡查路線、根據(jù)氣象條件確定巡查日期。到達現(xiàn)場后，對可能影響飛行安全的危險因素進行排查，包括環(huán)境風險、人力風險、質(zhì)量及技術風險[2]，標注飛行航路上的高層建筑、電力線路，跨越的大型建筑、橋梁、高速公路、鐵路，尤其是電氣化高鐵，移動通信塔等對數(shù)據(jù)鏈信號有干擾設施；以及探明有無機場、軍用設施等敏感區(qū)域。

2.1.2 視頻拍攝與處理

無人機進行河道巡查拍攝時，盡量選取天氣晴朗時進行，能見度5 km以上；飛行高度一般控制在相對高度50 ～150 m，以確保足夠分辨率，并具體根據(jù)現(xiàn)場河流寬度進行調(diào)整，保證覆蓋范圍；無人機飛行過程中，避免急轉彎和劇烈抖動。視頻拍攝時，利用GPS等定位設備同步采集飛行路徑。

視頻成果使用非線性視頻編輯軟件如EDIUS、AfterEffects等，進行部分剪輯，去除無關部分，保留主要航攝目標部分。對原始素材進行初剪、精剪完畢后，確認視頻無遺漏，保證發(fā)布格式視頻的質(zhì)量，通過視頻能夠比較明顯的分清地物，在保證播放流暢的條件下提高清晰度與真實性。對排查到的疑似違法建筑物（判別方法見本文“2.2河道疑似違建信息判別和提取”）進行視頻截取，并在視頻中對疑似違法建筑物進行跟蹤標注處理。

2.1.3 空中全景拍攝與處理

無人機對重點區(qū)域進行全景拍攝時，飛行高度依據(jù)實際航攝地點地形確定，保證覆蓋全部區(qū)域；相機航攝參數(shù)應依據(jù)光線、天氣等環(huán)境進行適當調(diào)整，以畫面曝光均勻、無噪點、無焦距偏移為準則，多幅影像航攝參數(shù)應保持一致。現(xiàn)場拍攝時，應及時檢驗航攝數(shù)據(jù)，若存有數(shù)據(jù)質(zhì)量不佳，應重新調(diào)整航攝參數(shù)，直到符合要求為止。具體方法為:無人機穩(wěn)定在一定的高度上空懸停，操作人員注視監(jiān)控器，遵循每張平面照片至少30%的重合部分，拍攝5圈共33張照片，即前4圈為云臺向天空30°、水平0°、向地30°、向地60°三個方向，間隔45°自轉拍攝8張照片；最后云臺向地90°方向拍攝1張拍照。

使用Kolor AutopanoGiga、Pano2vr等軟件制作全景圖，再用Photoshop對全景照片進行色溫、色調(diào)、曝光、對比度、陰影、亮光、飽和度等一系列參數(shù)的調(diào)整，使得全景圖的清晰度、色彩等達到較好的效果[3-4]。圖片拼接時應對拼接結果進行預覽和實時調(diào)整，要求無拼接縫、無重影等。對于無法拍攝到天頂部分，需要在地面對天空補拍，或后期找天空素材合成。

2.2 河道疑似違建信息判別和提取

2012年1月1日起施行的《浙江省河道管理條例》第十八條[5]對河道管理范圍作了明確要求。根據(jù)該要求，判別疑似違法建筑物可分為3類:一是現(xiàn)狀堤腳線清晰，以堤腳線為基準，在堤腳線以內(nèi)的排查為疑似違法建筑物；二是現(xiàn)狀堤腳線無法判別的，臨河而建的建筑物視為疑似違法建筑物；三是現(xiàn)狀堤腳線無法判別的，臨河一定距離（一般是7 m）而建的獨立建筑物視為疑似違法建筑物。3種疑似違法建筑物類型見圖1。

圖 1 3 種疑似違法建筑物類型圖

對于疑似違法建筑物，根據(jù)視頻資料截取關鍵圖片，在圖片中劃出相關疑似違法建筑物，同時在Google Earth中提取相關坐標信息，通過ArcGIS軟件進行坐標提取和面積計算，對疑似違法建筑物的坐落位置進行調(diào)查，并填寫疑似違法建筑物信息表（見圖2），標明違法信息名稱、位置描述信息、坐標信息、面積、備注和位置圖。

圖2 疑似違法建筑物信息表示例圖

3 基于GIS的河道巡查系統(tǒng)開發(fā)

3.1 系統(tǒng)設計與關鍵技術

河道巡查管理系統(tǒng)在計算機軟硬件的支持下，基于GIS技術實現(xiàn)河道疑似違建信息在地圖上的空間顯示，實現(xiàn)疑似違建對象屬性信息、視頻、全景成果統(tǒng)一管理和快速查詢、定位，有助于督查河道的拆違控違。系統(tǒng)采用B/S架構，利用數(shù)據(jù)庫存儲巡查河道、疑似違建、飛行路徑等信息，網(wǎng)頁端采用JavaScript、JSON等技術進行功能開發(fā)，系統(tǒng)設計見圖3。

圖 3 系統(tǒng)組織結構圖

河道巡查視頻與地圖聯(lián)動是本系統(tǒng)的一項關鍵技術，即視頻中河道巡查到特定位置時，在地圖上能夠動態(tài)定位，實現(xiàn)聯(lián)動更新。為實現(xiàn)視頻、地圖聯(lián)動功能，需要對巡查視頻進行地理空間位置解析，根據(jù)時間軸制作字幕文件，存儲地理空間位置信息。系統(tǒng)在播放河道巡查視頻時，利用流媒體插件Ckplayer的監(jiān)聽函數(shù)獲取當前播放時間，讀取地理空間位置，動態(tài)刷新地圖位置。監(jiān)聽函數(shù)關鍵代碼如下:

var xmlDoc = loadXML(strXml)；

var arr = parseXml(xmlDoc，t)；

if (t ＞ -1) {

CKobject._K_(‘nowTime’).innerHTML = ‘當前播放的時間點是:’ + t + arr[0] + arr[1]；

DituRefresh(arr[0]，arr[1])；}；

系統(tǒng)基于Krpano進行全景展示時，可利用Krpano與客戶端的相互調(diào)用機制，通過Krpano.call（“l(fā)oadscene（“+sceneName+”，null，MERGE）”）等接口，實現(xiàn)地圖位置與全景場景的聯(lián)動。

3.2 系統(tǒng)實現(xiàn)與展示

河道巡查系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫采用Microsoft SQL Server2008，GIS服務器為Super Map iServer8C。系統(tǒng)引用浙江天地圖的網(wǎng)絡切片服務作為地理底圖，可在矢量地圖與影像地圖間進行切換，具備基礎地理信息操作功能。河道巡查成果展示功能具體包括:

（1）巡查河流完整無人機空中視頻，采用流媒體技術播放多旋翼無人機采集的沿河道上空線性采集的視頻，視角能清晰覆蓋河流兩岸及周圍規(guī)定范圍內(nèi)的建筑情況，直觀地反映河流概貌。

（2）河流定位功能，將河流的矢量圖形發(fā)布成網(wǎng)絡地圖服務，采用GIS的空間分析功能，通過河流的名字查詢定位到河流圖形的具體位置。

（3）違章詳情查看，以表格形式展示河流的違章詳情，包括違章點列表、特征點坐標、違章點二級定位，通過定位到的違章建筑標記，可以打開違章段視頻、全景、圖片的展示界面。

系統(tǒng)界面見圖4。

圖 4 浙江省河道巡查管理系統(tǒng)圖

4 結論和展望

利用無人機技術高效、機動靈活、低成本的優(yōu)點，獲取河道高清視頻和重點區(qū)域全景照片，開展疑似涉水違法建筑物排查，提取河道疑似違建對象的地理位置、特征坐標、視頻、全景等數(shù)據(jù)，并基于GIS技術開發(fā)河道違建管理系統(tǒng)，實現(xiàn)疑似違建對象成果的信息化管理，為河道管理部門提供宏觀輔助決策支持。本技術相較于傳統(tǒng)方法，其效率有了很大的提升，在后續(xù)應用中，若突破無人機性能限制，其效率還有進一步提升的空間。此外，本技術已在浙江省級河道巡查中成功應用，并得到河道管理部門、水政執(zhí)法部門的肯定，有助于開展“無違建河道”創(chuàng)建工作，值得進一步推廣和應用。

目前，無人機技術已得到廣泛的發(fā)展和應用，GIS技術也在各行各業(yè)發(fā)揮著積極的作用。兩者的結合，也能在水利行業(yè)更好地為防災減災、流域調(diào)查、水利工程管理等方面提供更加高效、快捷、優(yōu)質(zhì)的服務，助力浙江省水利事業(yè)的發(fā)展。