廖劍波

(廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院 廣東廣州 510060)

加強河道環(huán)境監(jiān)管，保護綠水青山，構(gòu)建和諧的人水關(guān)系，是每個城市發(fā)展必須要正確面對的問題。從古代大禹治水到如今的“河長制”，我國積累了豐富的河道治理經(jīng)驗，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)，難以實現(xiàn)對監(jiān)管河道和排污口的全面巡查和動態(tài)監(jiān)測。隨著無人機技術(shù)的突飛猛進，無人機低空遙感為河道監(jiān)管提供了更加豐富的技術(shù)手段。無人機設(shè)備作業(yè)機動靈活，無論是河道全流域的周期性監(jiān)測，還是特殊地區(qū)的定點全天候高頻率監(jiān)測，無人機航拍技術(shù)都能主動適應(yīng)河道管理新常態(tài)的需要。無人機航拍技術(shù)為進一步深入河道精細化管理，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”問題[2]。

1 無人機航拍技術(shù)與數(shù)據(jù)處理方法

隨著通信技術(shù)、計算機技術(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、探測精度高的優(yōu)勢應(yīng)用于無人機技術(shù)，使無人機航拍技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域得到迅速拓展。無人機種類多樣，應(yīng)用于河道環(huán)境監(jiān)測的主要有固定翼型無人機和多旋翼型無人機[3]。固定翼型無人機續(xù)航時間長，搭載能力強，適合大區(qū)域地形或整流域河道航拍監(jiān)測；多旋翼型無人機輕巧靈活，作業(yè)機動，起降方便，適合外業(yè)人員攜帶到現(xiàn)場進行局部小面積航拍監(jiān)測。

應(yīng)用于河道環(huán)境監(jiān)測的無人機航拍成果主要有數(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固定翼型無人機進行航拍數(shù)據(jù)采集，經(jīng)空三加密、絕對定向、微分糾正等步驟處理后生成。720°全景照片通過多旋翼無人機采集，經(jīng)同名點匹配、投影變換和拼接勻色等步驟處理生成。使用多旋翼無人機，外業(yè)人員可實地規(guī)劃航線進行航拍視頻與照片采集。無人機航拍數(shù)據(jù)生產(chǎn)流程如圖1所示。

圖1 無人機航拍數(shù)據(jù)生產(chǎn)流程圖

通過對無人機航拍生產(chǎn)的高分辨率影像進行解譯，可對河道管理范圍內(nèi)的建筑設(shè)施分布、自然環(huán)境情況進行監(jiān)測和定位。對易發(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)點的環(huán)境情況。針對受地形等因素影響，外業(yè)巡查難以到達的地區(qū)，可使用無人機自動巡航拍攝或人工操控定點拍攝的方法進行實地情況記錄，避免出現(xiàn)監(jiān)測“死角”。

2 河道監(jiān)測方法

河道水域動態(tài)監(jiān)測主要包含河道環(huán)境監(jiān)測、沿河水利設(shè)施監(jiān)測、執(zhí)法巡查監(jiān)測和災(zāi)情監(jiān)測四大類。根據(jù)監(jiān)測的特點和需求，可使用無人機航拍技術(shù)從全流域周期性監(jiān)測、日常巡查監(jiān)測和應(yīng)急監(jiān)測3 個層面實施作業(yè)，為河道水域動態(tài)監(jiān)測提供技術(shù)支持。

2.1 全流域周期性無人機遙感監(jiān)測

使用無人機對河道水域進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)施的變化會在不同時間序列的影像上表現(xiàn)出來。通過人工解譯對比，結(jié)合光譜分類后比較法和光譜直接比較法進行變化自動檢測，監(jiān)測出變化地物，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行航飛航線設(shè)計，并沿河道界限適當(dāng)外擴航拍范圍。在影像數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上按圖幅進行正射影像人工解譯，通過比對不同周期的影像，人工識別河道監(jiān)測要素，并對變化的區(qū)域進行人工勾繪與整理，最后進行外業(yè)核查，保證變化監(jiān)測的準(zhǔn)確性，如圖2所示。

圖2 不同周期影像圖河道變化監(jiān)測示意圖

通過對河道全流域的周期性影像比對，可較全面地檢測到河道水域的概況。通過影像比對，有助于管理部門對河道管理范圍內(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，無人機航拍易被遮擋，人工巡查又難以實地到達，這就需要輕小型多旋翼無人機隨日常巡查現(xiàn)場航拍作業(yè)，以避免出現(xiàn)監(jiān)測死角。

2.2 日常巡查遙感監(jiān)測

日常巡查是河道水域監(jiān)測的主要組成內(nèi)容，各地“河長制”已基本落實，河道管理職責(zé)也細化到各網(wǎng)格管理員，多旋翼無人機機動靈活的特點，將大幅提高日常巡查的效率和現(xiàn)場執(zhí)法的精準(zhǔn)程度。多旋翼無人機攜帶方便，回收快捷，適合外業(yè)巡查單兵使用，大多數(shù)多旋翼無人機使用電能驅(qū)動，操控簡單且對起降場地要求極低，飛行通信距離可超過2 km且能進行航拍視頻實時傳輸。無人機操控端可進行航拍線路實時規(guī)劃，并且航拍照片可寫入其曝光時刻的定位信息，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 多旋翼無人機航拍河道違建取證示意圖

對于河道交匯處、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)測外業(yè)，可使用多旋翼無人機進行720°全景影像采集作為監(jiān)測數(shù)據(jù)的補充，如圖4所示。全景影像以第一人稱視角對監(jiān)測點進行全方位的直觀展示，有助于內(nèi)業(yè)專家對復(fù)雜情況的研判。720°全景影像可分享發(fā)布到移動端，并且可進行裸眼VR效果顯示，實用方便。

圖4 河道監(jiān)測點720°全景照片截圖

2.3 應(yīng)急監(jiān)測

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

在發(fā)生險情時，無人機可以克服交通不便、次生災(zāi)害危險等不利因素，快速抵達事發(fā)地空域，監(jiān)測險情發(fā)展情況，實時傳送監(jiān)測圖像到應(yīng)急指揮機構(gòu)。對工業(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人機進行夜航監(jiān)測，還可利用溫差因素，監(jiān)測到隱蔽排污點和污染物擴散情況[7]。發(fā)生洪澇災(zāi)害時，在常規(guī)航拍監(jiān)測之外，還使用無人機航拍設(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。在追蹤過程中，根據(jù)無人機回傳的實時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 無人機跟隨模式航拍示意圖

制訂完善的應(yīng)急監(jiān)測保障預(yù)案是應(yīng)急監(jiān)測順利、高效進行的前提。在日常作業(yè)中，必須組織無人機應(yīng)急航拍隊伍定期進行應(yīng)急模擬演練，確保應(yīng)急作業(yè)流程熟練、技術(shù)過關(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)測工作為例，說明無人機航拍技術(shù)在河道變化監(jiān)測方面所發(fā)揮的重要作用，監(jiān)測工作具體作業(yè)流程見圖6。

圖6 河道環(huán)境監(jiān)測流程圖

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年起開始采用無人機航拍技術(shù)對境內(nèi)河道水域進行變化監(jiān)測，當(dāng)年度共進行2次整區(qū)域的無人機航拍作業(yè)，航拍時間相隔5個月，并制作整區(qū)域高清影像圖用于河道環(huán)境變化監(jiān)測。日常巡查使用輕小型多旋翼無人機進行輔助作業(yè)，并制訂了河道應(yīng)急監(jiān)測預(yù)案，組建應(yīng)急隊伍，以應(yīng)對河道水域環(huán)境突發(fā)狀況。近2年該區(qū)某鎮(zhèn)監(jiān)測成果如表1所示。

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

無人機航拍技術(shù)為該區(qū)的河道監(jiān)測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

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