鄧仕雄，何清平，劉繼庚，汪 興，林國(guó)敏

（貴州水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 551416）

河湖是維持地區(qū)生態(tài)環(huán)境平衡發(fā)展的有力支撐，也是經(jīng)濟(jì)社會(huì)平穩(wěn)運(yùn)作的組成要素，更是保障居民生活水平和質(zhì)量的重要部分。水是生命之源，保護(hù)水資源、改善水生態(tài)、優(yōu)化水環(huán)境、刻不容緩。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)河湖資源進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用的規(guī)模加大和速度提高，影響了河湖的自然進(jìn)化過(guò)程，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成了嚴(yán)重的破壞。近年來(lái)，各地積極采取措施加強(qiáng)河湖管理和保護(hù)，取得了顯著的綜合效益，但河湖管理保護(hù)仍然面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，水環(huán)境污染問(wèn)題日益突出[1]。如某些區(qū)域河湖污染物排放量居高不下，侵占河道、圍墾湖泊、非法采砂現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。

傳統(tǒng)人工巡河以徒步查看和船舶巡查為主，工作效率較低，存在缺乏準(zhǔn)確預(yù)測(cè)且對(duì)河湖長(zhǎng)決策缺乏有力支撐等問(wèn)題。智慧河湖長(zhǎng)制通過(guò)整合水利、環(huán)保、國(guó)土、農(nóng)林等部門(mén)各種河湖管理基礎(chǔ)信息，實(shí)時(shí)向各級(jí)河長(zhǎng)或工作人員提供不同層次、不同維度、不同載體的查詢(xún)，架構(gòu)河湖生態(tài)聯(lián)動(dòng)管理體系[2]。以信息技術(shù)來(lái)驅(qū)動(dòng)河長(zhǎng)制的有效運(yùn)轉(zhuǎn)，提升河流管理科學(xué)化智能化，為各級(jí)河湖長(zhǎng)管理提供有力的決策支撐，實(shí)現(xiàn)河長(zhǎng)制建設(shè)的智慧化。無(wú)人機(jī)指無(wú)人駕駛飛行器，能夠自主或遙控飛行，能攜帶多種任務(wù)設(shè)備、執(zhí)行多種任務(wù)，可一次性或多次重復(fù)使用的無(wú)人駕駛航空器，簡(jiǎn)稱(chēng)無(wú)人機(jī)（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）。隨著無(wú)人機(jī)與數(shù)碼相機(jī)技術(shù)的發(fā)展，基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)的數(shù)字航攝技術(shù)已顯示出其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。作為傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量手段的有力補(bǔ)充，無(wú)人機(jī)航測(cè)具有機(jī)動(dòng)靈活、高效快速、精細(xì)準(zhǔn)確、作業(yè)成本低、適用范圍廣、生產(chǎn)周期短等特點(diǎn)，在小區(qū)域和飛行困難地區(qū)高分辨率影像快速獲取方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。無(wú)人機(jī)航空攝影技術(shù)的成熟化，在水利行業(yè)發(fā)展中發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用。根據(jù)水利業(yè)務(wù)需求，主要圍繞水土保持監(jiān)管、河湖監(jiān)管、水資源監(jiān)管、水環(huán)境監(jiān)測(cè)等業(yè)務(wù)方向，利用多源遙感影像監(jiān)測(cè)技術(shù)，結(jié)合專(zhuān)業(yè)遙感影像處理軟件、圖斑變化自動(dòng)識(shí)別等新技術(shù)，加工形成各類(lèi)監(jiān)測(cè)成果，為水利主管部門(mén)提供技術(shù)支撐。

高俊等[3]結(jié)合河湖“清四亂”工作的新形勢(shì)新要求及存在的問(wèn)題，提出了利用“天地一體化”動(dòng)態(tài)監(jiān)管技術(shù)開(kāi)展河湖“四亂”問(wèn)題動(dòng)態(tài)監(jiān)管。紀(jì)煒之[4]針對(duì)河湖監(jiān)管模式現(xiàn)狀與發(fā)展方向，提出了適應(yīng)于未來(lái)河湖管理需求的河湖管理工作模式構(gòu)想，進(jìn)而為河湖監(jiān)管提供了有力技術(shù)支撐。劉文壯等[5]結(jié)合無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的特點(diǎn)，根據(jù)應(yīng)用的不同需求，探討了適用于河湖監(jiān)管的幾種監(jiān)測(cè)方法。本文在相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)引入無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)獲取高分影像，快速提取違法目標(biāo)，在保證足夠精度的前提下提高違法目標(biāo)的提取效率。

1 河湖監(jiān)管關(guān)鍵流程

1.1 建設(shè)內(nèi)容

著眼于智慧水利建設(shè)，緊扣河湖監(jiān)管內(nèi)在要求和涉河人員工作需求，整合相關(guān)資源，達(dá)到“直觀展示、實(shí)時(shí)監(jiān)視、協(xié)同理事、智能考核、安全好用”的效果。實(shí)施河湖監(jiān)督管理范圍內(nèi)河湖“四亂”的遙感監(jiān)測(cè)，主要對(duì)象為河道管理范圍內(nèi)的圈占、圍墾、采砂場(chǎng)、岸灘邊?。ǘ眩?土場(chǎng)、垃圾堆、建筑物和構(gòu)筑物等，如表1 所示。

表1 河湖監(jiān)管內(nèi)容

1.2 技術(shù)流程及產(chǎn)品制作

根據(jù)項(xiàng)目區(qū)域概況，外業(yè)航飛前主要進(jìn)行測(cè)區(qū)踏勘、設(shè)備檢查、判斷飛行環(huán)境是否滿(mǎn)足飛機(jī)的飛行要求、航高的確定、像片重疊度等相關(guān)工作；同時(shí)收集區(qū)域已有相關(guān)資料，結(jié)合任務(wù)書(shū)，制定無(wú)人機(jī)飛行方案并申請(qǐng)空域。航測(cè)外業(yè)內(nèi)容主要包括航區(qū)劃分、像控點(diǎn)布設(shè)、像控點(diǎn)測(cè)量、野外調(diào)繪等。其中像控點(diǎn)應(yīng)該選擇在航攝像片上影像清晰、目標(biāo)明顯的像點(diǎn)，實(shí)地選點(diǎn)時(shí)，也應(yīng)考慮側(cè)視相機(jī)是否被遮擋。對(duì)于弧形地物、陰影、狹窄溝頭、水系、高程急劇變化的斜坡、圓山頂、跟地面有明顯高差的房角、圍墻角以及航攝后有可能變遷的地方，均不應(yīng)當(dāng)作選擇目標(biāo)。由于立體測(cè)圖的控制點(diǎn)要求為每個(gè)像對(duì)4～6 點(diǎn)，因此像控點(diǎn)布設(shè)在航向及旁向六度重疊范圍內(nèi)，距像片邊緣不得小于1.5 cm，應(yīng)選在旁向重疊中線(xiàn)附近；同時(shí)旁向重疊過(guò)小，相鄰航線(xiàn)的點(diǎn)不能公用時(shí)，可分別布點(diǎn)。航線(xiàn)兩端上下像控點(diǎn)在同一像對(duì)內(nèi)相互偏離不應(yīng)超過(guò)半條基線(xiàn)，規(guī)則區(qū)域網(wǎng)中間的像控點(diǎn)左右偏離不應(yīng)超過(guò)一條基線(xiàn)。野外調(diào)繪一般包括確定地物類(lèi)別、性質(zhì)和屬性，補(bǔ)測(cè)地物，調(diào)查地理名稱(chēng)等。內(nèi)業(yè)的主要內(nèi)容有航片掃描、數(shù)碼航片處理、空中三角測(cè)量、內(nèi)判測(cè)圖、圖形編輯等內(nèi)容。常規(guī)4D 產(chǎn)品主要指數(shù)字正射影像圖、數(shù)字高程模型、數(shù)字柵格地圖、數(shù)字線(xiàn)劃地圖以及復(fù)合模式組成。數(shù)字產(chǎn)品制作流程及內(nèi)容如表2 所示。

表2 數(shù)字產(chǎn)品制作流程及內(nèi)容

1.3 違法目標(biāo)信息提取

以高分辨率影像為基礎(chǔ)，依托河湖水域岸線(xiàn)遙感軟件應(yīng)用于典型河湖岸線(xiàn)遙感監(jiān)管，形成遙感影像解譯—人工現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核—線(xiàn)上問(wèn)題下發(fā)—線(xiàn)下整治—線(xiàn)上審核的全流程監(jiān)管模式，提高了監(jiān)測(cè)效率和精度，以及問(wèn)題處理的效率，對(duì)河湖水域岸線(xiàn)全方位、全過(guò)程監(jiān)測(cè)管理、恢復(fù)河湖水域岸線(xiàn)生態(tài)功能具有重要意義，應(yīng)用前景廣泛。具體采用人機(jī)交互識(shí)別方法，利用無(wú)人機(jī)影像，開(kāi)展河湖“四亂”標(biāo)志性地物解譯，非正規(guī)垃圾堆放點(diǎn)、毀林開(kāi)荒和土地利用的解譯，以及各類(lèi)對(duì)象的解譯和屬性錄入等。具體如下：一是制作解譯對(duì)象、標(biāo)志；二是在地理信息軟件中建立河湖“四亂”相關(guān)屬性字段；三是參考解譯標(biāo)志，利用地理信息軟件勾畫(huà)圖斑并填寫(xiě)屬性信息；四是質(zhì)量檢查。

2 模擬河湖違法目標(biāo)提取試驗(yàn)

本文基于上述技術(shù)流程，以貴州水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院范圍為例，對(duì)校園內(nèi)水塘進(jìn)行模擬河湖違法目標(biāo)提取試驗(yàn)。測(cè)區(qū)內(nèi)部地理信息豐富，包含內(nèi)部道路、水域、建筑物、綠化景觀及山體等地物。本次試驗(yàn)外業(yè)數(shù)據(jù)采集使用大疆精靈4 RTK 無(wú)人機(jī)進(jìn)行拍攝取證，其中坐標(biāo)系設(shè)置為CGCS2 000，數(shù)據(jù)采集天氣良好，航高設(shè)置80 m，航向重疊度80%，旁向重疊度70%，分辨率優(yōu)于1 m，共獲取無(wú)人機(jī)影像816 張。測(cè)區(qū)像控點(diǎn)均勻分布情況，如圖1 所示。部分像控點(diǎn)坐標(biāo)如表3 所示。無(wú)人機(jī)相機(jī)部分參數(shù)如表4 所示。內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理采用航空攝影測(cè)量軟件PIX4D、GIS 軟件，試驗(yàn)運(yùn)行環(huán)境為Intel (R) Core (TM) i5-2430M CPU @ 2.40 GHz，運(yùn)行內(nèi)存為6 GB 的便捷式計(jì)算機(jī)。

圖1 像控點(diǎn)分布情況

表3 部分像控點(diǎn)坐標(biāo)

表4 無(wú)人機(jī)相關(guān)參數(shù)

2.1 數(shù)據(jù)處理內(nèi)容

基于高分辨率遙感影像，自動(dòng)篩選嫌疑區(qū)，結(jié)合人工判斷，識(shí)別侵占河道、圍墾湖泊、非法采砂等違章區(qū)域，為執(zhí)法提供可靠依據(jù)。通過(guò)采集區(qū)域內(nèi)無(wú)人機(jī)影像，利用PIX4D 航測(cè)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并得到相關(guān)數(shù)字產(chǎn)品，如圖2 為測(cè)區(qū)的三維模型。最后將成果數(shù)據(jù)導(dǎo)入GIS 軟件中，新建違法目標(biāo)字段，獲取研究區(qū)違法目標(biāo)圖斑，構(gòu)建水域違法目標(biāo)一張圖。

圖2 試驗(yàn)區(qū)三維模型

3 結(jié)束語(yǔ)

以無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)獲取區(qū)域高分辨率影像，通過(guò)快速識(shí)別違法目標(biāo)并與線(xiàn)下抽查核實(shí)相結(jié)合的方法能夠全面、及時(shí)、高效地監(jiān)管目標(biāo)，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地監(jiān)測(cè)河湖情況，不但可以及時(shí)了解水體污染狀況，更能為預(yù)防和控制河湖事故的發(fā)生和發(fā)展提供必要的依據(jù)。試驗(yàn)證明，該技術(shù)在保證足夠精度的前提下提高了違法目標(biāo)的提取效率。