張曉紅

(北票市凌河保護(hù)區(qū)管理局，遼寧 北票 122100)

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人類活動(dòng)范圍的持續(xù)擴(kuò)大，沿海、湖泊及河流等水污染問題更加突出[1-2]。對(duì)此，我國(guó)環(huán)保部門提出了一系列的整治措施和保護(hù)對(duì)策，而監(jiān)測(cè)是水環(huán)境治理的重要依據(jù)，逐漸成為水文水資源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[3]。

河流具有休閑、抗旱、防洪、供水等重要功能，但河道水環(huán)境因城鎮(zhèn)化的快速推進(jìn)面臨著嚴(yán)峻的形勢(shì)，如城市垃圾、工業(yè)廢水和淤積等污染來源較多，對(duì)其比較常用的治理方法有微生物治理、自然修復(fù)等，這些治理方法重在提升水質(zhì)，短期內(nèi)效果明顯而后續(xù)發(fā)力，并且整體監(jiān)測(cè)效果較差[4]。鑒于此，本文對(duì)城市河道復(fù)雜的大范圍測(cè)繪問題，利用無人機(jī)分層測(cè)繪技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)化，通過利用完整的監(jiān)測(cè)體系輸出監(jiān)測(cè)成果，并針對(duì)河道水環(huán)境監(jiān)測(cè)重點(diǎn)提出有針對(duì)性的預(yù)防和治理措施。

對(duì)于河道有關(guān)資料無人機(jī)測(cè)繪需要分層次整理和分類，通過分類測(cè)繪和輸出為河道治理提供相應(yīng)的對(duì)策。目前，無人機(jī)定位和定點(diǎn)測(cè)繪已比較成熟，但分層測(cè)繪特定區(qū)域還存在許多不足。所以，結(jié)合實(shí)際測(cè)繪項(xiàng)目研究無人機(jī)分層測(cè)繪技術(shù)，可為城市水環(huán)境治理和保護(hù)提供一定指導(dǎo)。

1 無人機(jī)分層測(cè)繪技術(shù)

1.1 測(cè)繪設(shè)備

本文主要是利用TrimbleUX5型無人機(jī)測(cè)繪設(shè)備，系統(tǒng)構(gòu)成主要有內(nèi)業(yè)、外業(yè)和硬件3部分，并具有操作流程簡(jiǎn)便、系統(tǒng)設(shè)計(jì)先進(jìn)、硬軟件兼容性好、天氣環(huán)境依賴小、飛行穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)。為保障測(cè)繪數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度配備了EPS數(shù)據(jù)處理軟件，具體流程如圖1。

1.2 測(cè)繪方法

一般地，無人機(jī)分層測(cè)繪技術(shù)需要有地圖配準(zhǔn)、遙感影像合成、傾斜攝影3項(xiàng)輔助技術(shù)配合，以城市測(cè)量規(guī)范作為技術(shù)的參考標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)量影像的合成利用Pix4Dmapper實(shí)現(xiàn)。測(cè)繪過程中主要利用點(diǎn)云成像算法，測(cè)繪流程如下：

步驟一：邊界條件的設(shè)定?？紤]實(shí)際測(cè)繪需求合理劃分測(cè)量范圍內(nèi)待測(cè)點(diǎn)的層次，河道兩側(cè)構(gòu)筑物可以劃分成市政、商用或民用建筑。

步驟二：水污染層次的劃分。將水污染劃分成工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活三類污染或面源和點(diǎn)源兩類污染，并按照劃分的層次測(cè)量。

圖1 測(cè)繪流程

步驟三：建立測(cè)繪電位坐標(biāo)。合理定位不同層次的測(cè)繪對(duì)象，以便規(guī)劃無人機(jī)測(cè)繪路線和點(diǎn)位抓取，利用點(diǎn)位和坐標(biāo)完成相應(yīng)的測(cè)繪，部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)高程精度與平面精度如表1。

通過分層測(cè)繪能夠輸出不同類別或?qū)哟蔚臏y(cè)繪成果，然后利用Pix4Dmapper軟件疊加各類別或?qū)哟蔚臏y(cè)繪成果，從而生成最終的測(cè)繪數(shù)據(jù)。因此，獨(dú)立的測(cè)量元素保證了不同測(cè)繪成果的彼此獨(dú)立性，經(jīng)疊加處理所獲取的測(cè)繪圖具有較高的清晰度和精準(zhǔn)度。

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 區(qū)域概況

目前，北票市區(qū)各個(gè)街道基本實(shí)現(xiàn)了垃圾集中堆放集中處理，但部分區(qū)域垃圾的處理不及時(shí)，尤其在郊區(qū)，居民生產(chǎn)生活垃圾隨意堆棄于戶外，不但嚴(yán)重影響到城市景觀，在暴雨、大風(fēng)天氣情況下，更會(huì)污染河道或是擴(kuò)散到城區(qū)。

本文以北票市岳家溝河道為例，驗(yàn)證無人機(jī)分層測(cè)繪技術(shù)的可行性和適用性。研究河段位于北票市城郊五間房鎮(zhèn)境內(nèi)，地處遼西低山丘陵區(qū)大凌河中游，地形地貌復(fù)雜，長(zhǎng)期水蝕作用致使地形破碎，河谷、丘陵和山地相間，地面坡度處于5°～20°之間，測(cè)繪前準(zhǔn)備見圖2，實(shí)物測(cè)繪見圖3。調(diào)查顯示，沿河兩岸排污設(shè)施復(fù)雜，房屋較多，水污染問題突出，其中工業(yè)污水為河道水污染主要來源，并且富營(yíng)養(yǎng)化問題日趨突出。因此，有必要精準(zhǔn)識(shí)別河道及其周邊水質(zhì)情況，通過明確水污染所造成的影響和具體需要治理的區(qū)域，為下一步河道整治提供一定參考。

表1 高程精度和平面精度

圖2 測(cè)繪前準(zhǔn)備 圖3 實(shí)物測(cè)繪圖

沿東南至西北方向利用無人機(jī)開展測(cè)繪工作，并考慮續(xù)航時(shí)間、污染程度、地形條件等因素合理劃分區(qū)域和點(diǎn)位。本次測(cè)繪共設(shè)置航線26條，搭載索尼NEX5型相機(jī)，焦距20 mm，拍攝影像圖近400張，旁向和航向重合度達(dá)到85%，以保證測(cè)繪精度。根據(jù)有關(guān)規(guī)范要求，測(cè)繪過程中無人機(jī)最高和最低飛行高度為220 m、200 m。

2.2 數(shù)據(jù)處理

將無人機(jī)測(cè)繪數(shù)據(jù)利用運(yùn)算流程直觀、操作簡(jiǎn)單的UAS master軟件進(jìn)行后處理，以此獲取測(cè)繪模型和影像等成果?？傮w上，可以將數(shù)據(jù)處理劃分成預(yù)處理、空三加密和平差、像控點(diǎn)測(cè)量等步驟。首先，創(chuàng)建新工程并在初始界面導(dǎo)入測(cè)繪數(shù)據(jù)，經(jīng)轉(zhuǎn)換計(jì)算等實(shí)現(xiàn)對(duì)原始數(shù)據(jù)的預(yù)處理；為了獲取重合影像的連接點(diǎn)利用軟件空三加密處理數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上確定各影像的相對(duì)位置，然后經(jīng)自動(dòng)平差計(jì)算實(shí)現(xiàn)影像效果較差區(qū)域與連接點(diǎn)的有效匹配；最后，將上述成果利用軟件自帶的像控點(diǎn)做進(jìn)一步的校正。

2.3 測(cè)繪分析

疊加排污口等污染點(diǎn)源的灰度矩陣、影像數(shù)據(jù)、角度、高度、坐標(biāo)等測(cè)繪信息，差異化處理并識(shí)別各點(diǎn)污染的測(cè)繪結(jié)果。污染程度利用顏色的深淺來衡量，即隨著顏色的加深污染程度加重，污染物的影像范圍和排放量利用點(diǎn)位的大小來衡量，即污染物影像范圍和排放量隨點(diǎn)位的增大而增加。

面源測(cè)繪與點(diǎn)源測(cè)繪相比更加復(fù)雜，由于沒有特定的面源半徑和點(diǎn)位，并且以養(yǎng)殖業(yè)、種植業(yè)和農(nóng)業(yè)所造成的污染為主，經(jīng)水渠或支流污染物匯流至河流，其覆蓋面積、分布范圍更加廣泛，所面臨的情況也更復(fù)雜。采用無人機(jī)測(cè)繪面源污染情況時(shí)，首先要保證測(cè)繪半徑的合理性，初步測(cè)繪邊界條件，在此基礎(chǔ)上識(shí)別出主要測(cè)繪區(qū)，采用交叉測(cè)量的方式確定出重點(diǎn)測(cè)繪區(qū)，最后將測(cè)繪數(shù)據(jù)利用線性加權(quán)內(nèi)插法處理，從而生成大小不同、顏色深淺差異明顯的測(cè)繪點(diǎn)位，對(duì)河道污染情況進(jìn)行精準(zhǔn)地判別。點(diǎn)源和面源污染測(cè)繪如圖4，根據(jù)測(cè)繪點(diǎn)位，可為河道后期治理提供數(shù)據(jù)支持，實(shí)踐表明無人機(jī)分層測(cè)繪具有明顯的效果和應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

圖4 河道污染測(cè)繪圖

3 結(jié)語

本文探討了城市河道現(xiàn)狀測(cè)繪中無人機(jī)分層測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用，主要結(jié)論如下：

(1)無人機(jī)分層測(cè)繪技術(shù)具有較高的測(cè)繪精度，合理劃分河道層次和類別，突出強(qiáng)調(diào)測(cè)繪的重點(diǎn)，在實(shí)現(xiàn)水污染現(xiàn)狀精準(zhǔn)識(shí)別的同時(shí)抓取面源、點(diǎn)源污染要素，從而生成高精度測(cè)繪成果。

(2)將不同類別和層次的測(cè)繪成果利用UAS master軟件疊加得到綜合成果，為河道綜合治理和分析提供數(shù)據(jù)支持。對(duì)于城市河道現(xiàn)狀調(diào)查，研究成果提供了一種新的途徑，但未來仍需進(jìn)一步深入研究無人機(jī)三維立體化實(shí)景展示技術(shù)。