鄭光輝 張軍

（江西省贛西土木工程勘測設(shè)計院 江西 宜春 336000）

1 引言

無人機航測技術(shù)作為快速獲取空間數(shù)據(jù)的新興技術(shù)手段，具有適應性廣、成本低、機動靈活、精度高、便攜高效的特點，很好地彌補了地面測量與衛(wèi)星遙感測量的不足，尤其在應急救災方面，無人機航測技術(shù)能快速獲取人員無法到達區(qū)域的測繪資料，為救援、災情評估提供數(shù)據(jù)，有力地幫助了抗震救災工作。隨著無人機航測技術(shù)的快速發(fā)展，已廣泛應用在市政、水利、建筑、輸電線等工程領(lǐng)域的測量測繪中[1?4]，既提高了工程實施效率又能節(jié)省人力成本。近年來，自然環(huán)境變化程度加劇，自然災害頻發(fā)。隨著國家加大對生態(tài)環(huán)境的修復力度，許多地區(qū)都大力開展邊坡護理、河道治理等工作，無人機航測技術(shù)在河道治理工程中的應用研究更加深入[5?8]，尤其在山區(qū)河道治理工程中[9?10]，無人機技術(shù)具有得天獨厚的優(yōu)勢。由于山區(qū)地勢一般起伏較大，地形復雜，植被茂盛，測量范圍廣，相關(guān)地形數(shù)據(jù)或缺失或現(xiàn)勢性不夠，對開展傳統(tǒng)的基礎(chǔ)測繪工作的限制因素較多，很難快速測量得到相關(guān)地形數(shù)據(jù)。

無人機航測的優(yōu)勢在于利用無人機航拍可快速獲取該區(qū)域的全景圖像，通過專用軟件對航拍圖像的后期處理，可以得到目標區(qū)域的三維模型、正射影像數(shù)據(jù)和數(shù)字高程模型等，為河道治理方案設(shè)計提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，加快治理工程進度。本文以江西宜春某鄉(xiāng)鎮(zhèn)山區(qū)河道治理為切入點，先分析山區(qū)河道治理的相關(guān)問題，結(jié)合無人機航測技術(shù)的特點，通過工程實例介紹了無人機航測技術(shù)在山區(qū)河道治理中的應用流程和取得的高質(zhì)量成果，為日益增多的山區(qū)河道治理規(guī)劃技術(shù)測繪工作提供參考。

2 山區(qū)河道治理

2.1 重要性

山區(qū)地形、地質(zhì)結(jié)構(gòu)較為復雜，氣候環(huán)境變化較大，河道狹窄綿延較長且多處年久失修，遇強降雨河道水位漲幅快、水流急、沖擊力強，易誘發(fā)水土流失、滑坡、泥石流、內(nèi)澇等災害。村莊、田地都聚集在河道邊,方便蓄水灌溉，如果山區(qū)河道被破壞或污染，不僅影響當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境、居民用水，還易引發(fā)自然災情，所以開展河道治理工作已迫在眉睫。

2.2 規(guī)劃前期測量工作面臨的問題

我國大部分山區(qū)河道流域面積都較小，流程短，水流匯聚時間短，河道的水位升降速度快。在旱季許多河流斷流甚至干涸，雨季時水流量大，在地勢因素下流速快，易夾帶砂石、樹木等造成堵塞，更嚴重者引發(fā)山洪等災害。所以，在進行山區(qū)河道整治時，必須采取因地制宜的方式，從整個山區(qū)聚落的分布以及河道上下游的走勢來全面規(guī)劃。針對規(guī)劃前期測量工作面臨的問題有：

（1）測量范圍廣，限制因素多；

（2）精度要求高，技術(shù)難度大；

（3）人工效率低，維護成本高。

2.3 治理原則與建議

針對不同的山區(qū)環(huán)境需采用因地制宜的方法去開展河道治理工作，治理前期、中期與后期要全面掌握各項原則，以降低成本、提高效率。主要需掌握與遵循的原則有：

（1）明確責任單位，充分掌握地區(qū)河流特性，多部門協(xié)同，確保河道整治工作的有序開展；

（2）遵循新農(nóng)村建設(shè)方針，結(jié)合當?shù)爻青l(xiāng)協(xié)同發(fā)展建設(shè)、生態(tài)環(huán)境修復以及農(nóng)耕農(nóng)業(yè)等方面全局擘畫，達到河道治理與規(guī)劃相統(tǒng)一；

（3）嚴格落實“河長制”，根據(jù)規(guī)劃的長期目標與近期要求加緊對河道的清淤、清障、加寬、堤防等工作，后期定時巡視，保證治理效果；

（4）制定治理區(qū)域工作底圖，采用高精度、寬范圍、高效率的測繪方法達到整體統(tǒng)籌的效果。

3 無人機航測技術(shù)的應用

3.1 技術(shù)優(yōu)勢

根據(jù)山區(qū)河道治理工程分析中，規(guī)劃前期測量存在的諸多問題，將無人機航測技術(shù)應用在山區(qū)河道治理工程中具有重要的現(xiàn)實意義。傳統(tǒng)的山區(qū)測繪需要考慮地形因素的影響，而無人機施測完全不需要考慮地形影響，隨著免像控技術(shù)的發(fā)展，甚至只需小塊地方供起降即可，打破地形限制。小體積的無人機使其飛行更加靈活，在小范圍或人員無法到達的區(qū)域能快速展開精細測量，系統(tǒng)攜帶的高清相機可快速獲取地表信息，通過變換飛行高度，保證飛行安全和測量的精度。內(nèi)業(yè)配套軟件具有超強的三維、二維建模能力，能快速生成所需的數(shù)字化產(chǎn)品。相比于傳統(tǒng)的大飛機航空攝影測量，小型無人機能很好地克服飛行高度、地形和氣候因素的影響，成圖質(zhì)量好，測量精度高。相對于高分辨率遙感衛(wèi)星測量方式，其成本低、時效性好。隨著無人機技術(shù)的發(fā)展，無人機航測技術(shù)作為新興的測量手段在各個領(lǐng)域中的應用越來越廣泛。

3.2 工作流程

無人機航測技術(shù)主要分為外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，外業(yè)開始前收集好目標區(qū)域的相關(guān)資料，明確任務要求，參照相關(guān)技術(shù)標準制定實施方案，在實際操作中要確定好區(qū)域范圍，做好飛行準備，根據(jù)測區(qū)大小布設(shè)好航線，根據(jù)精度要求設(shè)定飛行高度進行影像拍攝，內(nèi)業(yè)采用專業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件，新建工程后導入影像數(shù)據(jù)和控制點，數(shù)字空三后生產(chǎn)地形圖產(chǎn)品。一般流程如下圖1所示：

圖1 無人機工作流程圖

4 河道治理實例

江西省宜春市某鄉(xiāng)村位于楊岐山下，屬贛湘羅霄山體系的支脈，境內(nèi)風景名勝眾多，水系發(fā)達，村落與農(nóng)田傍水而建，屬于典型的山溪性河流，河道坡降大，汛期與非汛期的水量大小差異巨大，部分河道年久失修，堵塞甚至干涸，給蓄水灌溉造成很大影響，需對河道開展整治工作，工程修建只能安排在汛期前，施工工期緊，農(nóng)村流域河道沿岸多為險要山勢，通行不便，為了更加便捷、安全、高效地為河道治理規(guī)劃制作統(tǒng)籌規(guī)劃底圖，運用無人機航測技術(shù)。

4.1 無人機平臺與航線規(guī)劃

本次項目使用的無人機平臺為大疆創(chuàng)新生產(chǎn)的精靈4無人機（Phantom 4 Pro），這款無人機的關(guān)鍵指標參數(shù)有：飛行的最大速度約為16m/s，續(xù)航時間約為28min，飛行高度限制為6km，遙控控制距離為7km，搭載高清云臺相機，像素為1200 萬，像片分辨率為4000×3000。配備有前視、后視避障，左右紅外避障系統(tǒng)。根據(jù)無人機的性能參數(shù)，規(guī)劃好航線與航攝重疊度，能快速對目標區(qū)域進行航攝采集。圖2為本次作業(yè)的無人機平臺。

圖2 大疆Phantom 4無人機圖

在實地測量過程中，要先對目標區(qū)域進行實地勘察，確認好飛行環(huán)境，根據(jù)測區(qū)范圍與成圖比例尺要求，設(shè)定好飛行高度、速度以及航攝重疊度，布設(shè)好航線，根據(jù)測區(qū)形狀合理布設(shè)像控點，然后進行外業(yè)采集，飛行高度由式（1）確定：

其中f為鏡頭焦距；α為像元尺寸；GSD為地面分辨率。其中航向重疊的設(shè)置為75%，控制范圍為60%?80%，旁向重疊設(shè)計值為65%，控制的范圍為60%?70%。本測區(qū)的航線規(guī)劃如圖3所示。

圖3 航線規(guī)劃示意圖

4.2 像控點布設(shè)測量

無人機航測中像控點的布設(shè)以對目標測區(qū)航線規(guī)劃為前提，一般在航線或航帶連接區(qū)域進行布點，在工程實踐中先以谷歌地圖作為規(guī)劃設(shè)計底圖，進行前期預布設(shè)，再根據(jù)實地查看該位置的地形地物特征，充分考慮實際情況，對存在的明顯焦點或交叉點地形或標志圖形，選取其角點或交叉點，若預設(shè)位置難以選取控制點的，可實地修改或人工造點，選擇噴漆、膠帶等能夠持久存在的東西，在現(xiàn)場拍攝近景與遠景圖片，方便找尋。

像控點的控制測量采用GPS?RTK的CORS定位模式，根據(jù)GPS 測量的規(guī)范，平面采用CGCS2000 國家坐標系，高程基準采用1985 國家高程基準，通過與測區(qū)周圍的等級水準點進行聯(lián)測，完成測量參數(shù)轉(zhuǎn)換。外業(yè)觀測時基準站與流動站始終保持同步鎖定6 顆以上衛(wèi)星，數(shù)據(jù)平滑多次再采樣，取多次測量的平均值為最終結(jié)果。

4.3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理與成果

無人機航攝影像需要通過軟件處理才能轉(zhuǎn)換成所需的數(shù)據(jù)，本文選擇Pix4D mapper 軟件處理無人機航拍圖像進行三維建模，其基本思路是利用無人機采集的地物、地表影像，導入到軟件中快速構(gòu)建地形的三維模型。此次無人機共航攝了726 張高清照片，在新建項目中導入無人機航拍的像片數(shù)據(jù)、已有的像控點成果文件、相機參數(shù)文件、POS 文件等，設(shè)置好坐標系統(tǒng)，在空三射線編輯器中刺出控制點，進行數(shù)字空三加密技術(shù)生產(chǎn)正射影像?？杖用芗夹g(shù)在無人機航測內(nèi)業(yè)處理中處于關(guān)鍵性的地位，空三質(zhì)量的好壞對后續(xù)環(huán)節(jié)地形圖產(chǎn)品的精度有重要的影響。圖4 與圖5 分別表示空三處理過程與生成的正射影像。

圖4 空三加密處理圖

圖5 測區(qū)的正射影像

利用無人機制作的全景三維影像圖具有分辨率高、場景大、視角范圍廣、虛擬真實，能更好地展現(xiàn)立體效果。根據(jù)Pix4D 生成的三維點云和紋理，通過三維網(wǎng)格紋理可生成實景三維模型，利用Acute3D Viewer 等通用三維軟件即可切換視角進行查看。測區(qū)的實景三維模型如圖6所示：

圖6 測區(qū)的實景三維模型

4.3 河道治理規(guī)劃

通過無人機航測技術(shù)在山區(qū)河道治理工程中的應用，得到測區(qū)的相關(guān)地形圖產(chǎn)品，生成的正射影像圖作為此區(qū)域河道治理的工作底圖。底圖中可詳細地查看該區(qū)域的河道分布與現(xiàn)狀，通過空間分析和人工目視解譯，實現(xiàn)對治理方案的科學性設(shè)計。由圖7 可知本測區(qū)該鄉(xiāng)村村落內(nèi)共有三條河道交匯，村莊、農(nóng)田都集中在河道兩邊，由于河道年久失修，河道中有明顯的泥沙、石塊、枯木堆積，河岸沖刷嚴重，亟需治理。

圖7 測區(qū)河道分布圖

通過對底圖的解譯掌握河道治理規(guī)劃設(shè)計的原則：

（1）山地農(nóng)田以梯田為主，應根據(jù)河道的位置與地勢情況在合適的位置開鑿或連接河道；

（2）確認好河道的源流，在合適的位置處理好砂石的侵入，再根據(jù)河道的流向清理好泥沙、淤泥、枯木等雜質(zhì)；

（3）厘清宅基地與農(nóng)田等土地產(chǎn)權(quán)，根據(jù)實際情況加寬、加固河道，避免汛期雨水沖刷造成水土流失；

（4）根據(jù)基層網(wǎng)格管理制度，確認責任人，做好對河道整治后的護理工作。

5 結(jié)束語

本文以宜春市某鄉(xiāng)村山區(qū)地形下的河道治理規(guī)劃為例，闡述了河道治理的問題和治理建議，介紹了無人機航測技術(shù)在該工程中的實際應用。以小范圍的目標區(qū)域為試點，表明了無人機航測技術(shù)可以在治理規(guī)劃前期的基礎(chǔ)測繪工作中發(fā)揮良好的作用，高效獲取高精度的數(shù)字地形圖產(chǎn)品與三維實景模型。其優(yōu)勢在于能有效解決河道治理工作中的測量范圍廣、限制因素多、精度要求高、技術(shù)難度大等突出問題，很好地彌補了傳統(tǒng)測繪方式的不足，提高了河道治理工作的效率。此外，無人機航測技術(shù)的應用可推廣到國土資源調(diào)查統(tǒng)計、河湖與水利工程確權(quán)、水環(huán)境治理規(guī)劃設(shè)計、河道管理情況監(jiān)測維護等諸多領(lǐng)域。本文所述無人機航測技術(shù)在山區(qū)地形的河道治理中的作業(yè)方法與治理建議在其他項目中仍然適用，可為相關(guān)從業(yè)者提供參考。