金晶　龐亞威　溫旋　王盟

摘? 要：針對(duì)目前河湖岸線監(jiān)管手段技術(shù)程度不高、監(jiān)管時(shí)效性低及覆蓋范圍不全等問(wèn)題，文章提出引入無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)，通過(guò)無(wú)人機(jī)三維傾斜攝影、遙感航攝等手段實(shí)時(shí)高效采集河湖岸線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)、判別，及統(tǒng)計(jì)上報(bào)涉河涉湖問(wèn)題，全面、直觀地為河長(zhǎng)巡河發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題提供決策依據(jù)，為河湖綜合治理提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)遙感技術(shù);河湖岸線監(jiān)測(cè);三維傾斜攝影

中圖分類(lèi)號(hào)：V249.1? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）14-0175-02

Abstract： Aiming at the problems such as the low technical level of the river and lake shoreline monitoring means， the low timeliness of monitoring and the incomplete coverage， this paper proposes to introduce the remote sensing technology of unmanned aerial vehicle （UAV）. Through real-time and high-efficient data collection of river and lake shoreline monitoring by means of unmanned aerial vehicle 3D tilt photography and remote sensing aerial photography， we should timely discover， discriminate and calculatethe reported problems involving rivers and lakes， so as to provide decision-making basis for finding and solving problems in river patrol and provide technical support for river and lake comprehensive harness.

Keywords： remote sensing technology for unmanned aerial vehicles; river and lake shoreline monitoring; 3D tilt photography

引言

河湖岸線監(jiān)管是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，目前，河湖岸線資源的利用還存在諸多無(wú)序開(kāi)發(fā)和監(jiān)管不到位的問(wèn)題。傳統(tǒng)的巡查監(jiān)管主要依靠人工，手段單一，對(duì)一些違規(guī)違法行為不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理，執(zhí)法周期長(zhǎng)，執(zhí)行難度大。隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用推廣，及遙感技術(shù)的快速發(fā)展，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用。將其引入河湖岸線的日常監(jiān)測(cè)管理，不僅可以大大提高河湖岸線監(jiān)管效率，還可從人力和時(shí)間投入等方面降低河湖岸線監(jiān)測(cè)管理的成本，提高水域岸線等水生態(tài)空間的管控能力。

1 低空遙感技術(shù)概念及優(yōu)勢(shì)

無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)是集先進(jìn)的無(wú)人駕駛飛行器技術(shù)、遙感傳感器技術(shù)、遙測(cè)遙控技術(shù)、通訊技術(shù)、GPS差分定位技術(shù)和遙感應(yīng)用技術(shù)為一體的新型應(yīng)用技術(shù)[1]。通過(guò)將無(wú)人機(jī)搭載數(shù)碼相機(jī)、多光譜成像儀、三維激光掃描儀等設(shè)備，可執(zhí)行多目標(biāo)任務(wù)。具有實(shí)時(shí)化、高分辨率、靈活機(jī)動(dòng)、高性價(jià)比等優(yōu)勢(shì)。無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在生態(tài)環(huán)境保護(hù)、水利、自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)與評(píng)估、測(cè)繪等領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用[2]。利用無(wú)人機(jī)遙感手段開(kāi)展河湖岸線監(jiān)測(cè)，主要是通過(guò)三維傾斜攝影、正射航拍、航空視頻、紅外探測(cè)等方式獲取河湖岸線現(xiàn)狀的數(shù)據(jù)，并實(shí)施有效解譯，形成河湖岸線監(jiān)測(cè)管理成果。

2 無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)河湖岸線的內(nèi)容及方式

2.1 河湖水域岸線資源利用管理情況監(jiān)測(cè)

依法劃定河湖管理范圍，落實(shí)規(guī)劃岸線分區(qū)管理要求[3]。明確不同管理范圍內(nèi)涉河項(xiàng)目的合法合規(guī)性，對(duì)以各種名義侵占河道、圍墾湖泊、超標(biāo)排污、非法采砂，亂占濫用岸線、破壞航道、電毒炸魚(yú)等違規(guī)違法行為進(jìn)行梳理、分類(lèi)，并根據(jù)管理范圍明確對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)清單。采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影，建立河道實(shí)景三維模型，通過(guò)模型構(gòu)建和細(xì)節(jié)監(jiān)測(cè)觀察，對(duì)照清單排查河湖岸線管理中的各種問(wèn)題，并通過(guò)無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)跟蹤問(wèn)題整改進(jìn)展。

2.2 污染物排放情況監(jiān)測(cè)

利用無(wú)人機(jī)航拍影像、紅外探測(cè)等方式，通過(guò)數(shù)據(jù)解譯，及時(shí)發(fā)現(xiàn)污染物排放問(wèn)題，包括城鎮(zhèn)生活垃圾、雨污不分流，畜禽養(yǎng)殖糞便排放、農(nóng)業(yè)面污染源、船舶污染、?；愤\(yùn)輸、泄漏等造成的污染物排放。重點(diǎn)對(duì)排污口及其所在水域進(jìn)行監(jiān)測(cè)。通過(guò)監(jiān)測(cè)視頻觀測(cè)及探測(cè)數(shù)據(jù)分析，整理并形成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)成果記錄及管理、將發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題處置并報(bào)送河長(zhǎng)辦。通過(guò)無(wú)人機(jī)定期巡查和突擊檢查，達(dá)到污水不出門(mén)的監(jiān)管目的。

2.3 整治行動(dòng)、問(wèn)題處理的落實(shí)及效果監(jiān)測(cè)

針對(duì)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，通過(guò)無(wú)人機(jī)航拍監(jiān)測(cè)處理進(jìn)度和整治效果。如黑臭水體的治理、河道疏浚計(jì)劃的實(shí)施、非法建設(shè)碼頭等項(xiàng)目的拆除、生態(tài)長(zhǎng)廊的保潔維護(hù)、綠化美化計(jì)劃的實(shí)施、地籍標(biāo)志及警示標(biāo)志等維護(hù)管理情況等。

3 無(wú)人機(jī)遙感河湖岸線監(jiān)測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)

根據(jù)河湖岸線監(jiān)測(cè)范圍和精度要求確定監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集的方式及平臺(tái)，根據(jù)不同飛行器的特點(diǎn)，搭載各類(lèi)相機(jī)、傳感器等數(shù)據(jù)采集設(shè)備，獲取監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)資料。本研究以固定翼搭載普通視頻相機(jī)，對(duì)河湖岸線進(jìn)行全覆蓋的視頻監(jiān)測(cè)，及以多旋翼搭載傾斜攝影相機(jī)，進(jìn)行三維實(shí)景模型對(duì)比監(jiān)測(cè)，進(jìn)行監(jiān)測(cè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)。

3.1 無(wú)人機(jī)航拍影像監(jiān)測(cè)平臺(tái)構(gòu)建及應(yīng)用

固定翼無(wú)人機(jī)是指由動(dòng)力裝置產(chǎn)生前進(jìn)的推力或拉力，由機(jī)身的固定機(jī)翼產(chǎn)生升力，在大氣層內(nèi)飛行的重于空氣的航空器。固定翼無(wú)人機(jī)的速度快，升限高、續(xù)航航程遠(yuǎn)時(shí)間長(zhǎng)，攜行稍困難，適合航空視屏拍攝及較大面積測(cè)繪。對(duì)某一區(qū)域的河湖岸線開(kāi)展日常監(jiān)測(cè)之前，需對(duì)監(jiān)測(cè)河道進(jìn)行一次全線的基礎(chǔ)測(cè)繪，即使用其搭載高精度數(shù)碼相機(jī)，對(duì)監(jiān)測(cè)河道進(jìn)行低空大比例尺圖像航拍，經(jīng)軟件處理形成河道測(cè)量矢量圖及正射影像圖，作為河道/工程監(jiān)測(cè)的基底圖，供監(jiān)測(cè)過(guò)程使用。此外，將固定翼無(wú)人機(jī)搭載高精度數(shù)碼攝像機(jī)，對(duì)被監(jiān)測(cè)范圍進(jìn)行視頻拍攝。作為各級(jí)河長(zhǎng)最直觀的巡河方式，代替監(jiān)測(cè)及巡河人員親臨現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)全覆蓋的視頻播放觀看河湖岸線真實(shí)外觀，發(fā)現(xiàn)違法、違章占用岸線資源的行為，及水體污染、垃圾排放、堆放等情況。以DF100+為例，應(yīng)用無(wú)人機(jī)航拍APP平臺(tái)進(jìn)行航測(cè)任務(wù)規(guī)劃及飛行控制。飛行航高可設(shè)為120米，在無(wú)特殊天氣情況下，根據(jù)風(fēng)力進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)后，保持勻速飛行，正常情況下，可設(shè)定8m/s的速度進(jìn)行監(jiān)測(cè)視頻拍攝;拍攝參數(shù)方面，鏡頭為FOV 94°20mm（35mm格式等效），視頻ISO（感光度）范圍為100-3200;將每塊電池作為一個(gè)飛行架次，每次可飛行4公里?？紤]到電池待機(jī)和圖傳質(zhì)量，每個(gè)架次飛行時(shí)間控制在17分鐘左右為宜。

3.2 三維傾斜攝影模型對(duì)比監(jiān)測(cè)平臺(tái)構(gòu)建及應(yīng)用

監(jiān)測(cè)平臺(tái)主要組成包括多旋翼無(wú)人機(jī)、APP、圖傳設(shè)備、電腦終端及影像傳感器等，其中無(wú)人機(jī)設(shè)備由飛行器、云臺(tái)、相機(jī)、遙控器、充電器、圖傳、智能飛行電池等構(gòu)成。多旋翼無(wú)人機(jī)是指多于3個(gè)軸以上的旋翼機(jī)，通過(guò)槳之間相對(duì)轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)拉力和扭矩，控制飛行器懸停、旋轉(zhuǎn)或航線飛行。多旋翼無(wú)人機(jī)承重大、飛行穩(wěn)定，速度可快可慢、好懸停，操縱簡(jiǎn)單、成本較低，續(xù)航時(shí)間短。傾斜攝影時(shí)更方便采集各角度圖像，適合小范圍測(cè)繪。較之于固定翼飛機(jī)，多旋翼無(wú)人機(jī)可適當(dāng)降低飛行高度，提高成像的清晰度，將其搭載五鏡頭傾斜攝影相機(jī)，可進(jìn)行360度的航空拍攝和傾斜攝影測(cè)量，通過(guò)系統(tǒng)自帶軟件，根據(jù)監(jiān)測(cè)需要建立三維傾斜實(shí)景模型。首次監(jiān)測(cè)時(shí)，對(duì)監(jiān)測(cè)河道/工程進(jìn)行一次全線的模型構(gòu)建，形成基底模型。后期監(jiān)測(cè)時(shí)，只需針對(duì)河道重要部位、水工建筑物、及發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的區(qū)域等進(jìn)行局部拍攝和建模。通過(guò)模型細(xì)節(jié)的觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)河湖岸線管理中新增的問(wèn)題，并對(duì)已發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)和進(jìn)展情況對(duì)比分析。

飛行監(jiān)測(cè)按航線設(shè)計(jì)、航攝飛行、質(zhì)量檢查、補(bǔ)飛與重飛、像控測(cè)量、影像處理等步驟開(kāi)展[4]。以大疆M600Pro為例，根據(jù)河湖岸線監(jiān)測(cè)管理工作需要，設(shè)定監(jiān)測(cè)飛行及拍攝等技術(shù)指標(biāo)。（1）飛行一般可設(shè)定航高150米，速度8m/s，在無(wú)特殊天氣情況下，根據(jù)風(fēng)力自動(dòng)調(diào)節(jié)并保持勻速飛行;（2）拍攝分辨率為2400萬(wàn)像素。相片像幅為4000cm*6000cm;（3）地面影像分辨率優(yōu)于3cm，構(gòu)筑物基頂部高差精度和其他特征平面精度不低于5cm;（4）數(shù)據(jù)采集效率指標(biāo)方面，受電池續(xù)航能力限制，設(shè)備1個(gè)架次作業(yè)時(shí)長(zhǎng)0.5小時(shí)。飛行控制器安全控制范圍，即作業(yè)半徑為1km，單次飛行作業(yè)面0.2km2;（5）對(duì)河道的監(jiān)測(cè)一般是沿河道中心線向兩側(cè)各延伸150m的帶狀測(cè)區(qū)，單項(xiàng)監(jiān)測(cè)帶寬300m。排除特殊天氣，綜合考慮作業(yè)對(duì)光線的要求，及飛機(jī)往返、起降準(zhǔn)備及電池更換等時(shí)間消耗，每個(gè)工日單架飛機(jī)可安排8-10個(gè)架次作業(yè)。

3.3 低空遙感監(jiān)測(cè)的質(zhì)量控制

3.3.1 低空遙感采集控制

根據(jù)監(jiān)測(cè)任務(wù)具體要求，分析并圈定調(diào)查區(qū)域，在了解任務(wù)區(qū)域基本地理信息、天氣及航空管制情況后，制定飛行方案， 確定起降點(diǎn)、航線、飛行高度和飛行架次等。根據(jù)飛行方案、區(qū)域地形、地質(zhì)條件、航程、載荷和經(jīng)費(fèi)等要求，對(duì)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行酌情調(diào)整和確定。由于無(wú)人機(jī)機(jī)體小、重量輕， 在空中易受到氣流干擾，需根據(jù)影像精度要求、航速、飛行高度和相機(jī)參數(shù)等確定合理的相機(jī)拍攝時(shí)間間隔， 從而獲取滿足數(shù)據(jù)處理要求的重疊影像。為保證河湖岸線監(jiān)測(cè)影像的質(zhì)量， 要求其影像航向重疊度控制在70%～85%、旁向重疊度控制在35%～60%。對(duì)于水工建筑物上方及周邊存在高壓線等影響因素，為避免高壓線磁場(chǎng)對(duì)無(wú)人機(jī)無(wú)線電的影響，飛行高度應(yīng)相應(yīng)作出調(diào)整。

3.3.2 補(bǔ)測(cè)、修測(cè)

針對(duì)航拍無(wú)法直接發(fā)現(xiàn)的區(qū)域，如河湖排污口、污水車(chē)等，或視頻巡河發(fā)現(xiàn)的需具體調(diào)查的問(wèn)題，可安排外業(yè)人員利用測(cè)繪儀器，手持終端設(shè)備，GPS設(shè)備等進(jìn)行針對(duì)性的實(shí)地勘察、核查、補(bǔ)充或修正測(cè)量。此外，使用多旋翼無(wú)人機(jī)搭載普通相機(jī)進(jìn)行鎖定位置的近距離拍照取證，及跟蹤監(jiān)測(cè)，也可通過(guò)肉眼觀測(cè)到現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查無(wú)法到達(dá)的位置。將定期遙感監(jiān)測(cè)、人工取樣監(jiān)測(cè)和站網(wǎng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合，加強(qiáng)河湖主要交匯處、重要水功能區(qū)和入河湖排污口等重點(diǎn)區(qū)域的岸線資源監(jiān)測(cè)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究將無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)引入河湖岸線的日常監(jiān)測(cè)管理，充分應(yīng)用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理、無(wú)線和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等科技手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)河湖岸線工程高精度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以達(dá)到及時(shí)、準(zhǔn)確、全面獲取河湖岸線監(jiān)管信息的目的，改善傳統(tǒng)監(jiān)管模式信息獲取不及時(shí)、監(jiān)測(cè)覆蓋面窄和工作效率低的問(wèn)題。該技術(shù)在河湖岸線日常管理中的應(yīng)用和推廣，將大大提高河湖岸線監(jiān)管工作的覆蓋面和實(shí)效性，監(jiān)測(cè)過(guò)程中產(chǎn)生的視頻和三維模型數(shù)據(jù)，經(jīng)獲取、管理和存儲(chǔ)，也將為監(jiān)管信息提供良好的可追溯性，為輔助各級(jí)河長(zhǎng)履職盡責(zé)，推動(dòng)河長(zhǎng)制工作從“全面建立”走向“長(zhǎng)效管理”提供良好的技術(shù)支撐。

參考文獻(xiàn)：

[1]饒帥雄.利用UASMaster對(duì)無(wú)人機(jī)航空影像數(shù)據(jù)進(jìn)行正射影像制作方法的研究[J].測(cè)繪通報(bào)，2015（50）：216-218.

[2]林順海，陳峰，趙國(guó)慶，等.基于“河長(zhǎng)制”下無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的應(yīng)用探討[J].浙江水利科技，2017（4）：21-23.

[3]中共中央辦公廳，國(guó)務(wù)院辦公廳.關(guān)于全面推行河長(zhǎng)制的意見(jiàn)[EB/OL].2016-12-11.新華社.http：//www.mwr.gov.cn/ztpd/gzzt/hzz/zyjs/201708/t20170811_973312.html.

[4]楊?lèi)?ài)玲，孫汝岳，徐開(kāi)明.基于固定翼無(wú)人機(jī)航攝影像獲取及應(yīng)用探討[J].測(cè)繪與空間地理信息，2010，33（5）：160-162.