基于衛(wèi)星遙感和無人機(jī)空間信息融合的皂市水庫動態(tài)監(jiān)測平臺建設(shè)

（湖南澧水流域水利水電開發(fā)有限責(zé)任公司，湖南長沙 410014）

皂市水庫位于洞庭湖水系澧水流域的I 級支流渫水上，是澧水流域主要支流渫水梯級開發(fā)的最后一個梯級，系年調(diào)節(jié)類型水庫，總庫容14.4 億m3；防洪庫容7.83 億m3，庫容系數(shù)0.32。目前，由于采集站點(diǎn)布設(shè)不足、分布不合理、監(jiān)測設(shè)備落后、網(wǎng)絡(luò)傳輸覆蓋度低等問題，難以滿足對整個庫區(qū)進(jìn)行有效監(jiān)測與管理的要求。本文結(jié)合皂市水利樞紐工程運(yùn)行與管理的實(shí)際，采用衛(wèi)星遙感與無人機(jī)相結(jié)合采集多期影像，通過疊加分析，計算地表變化位置信息及有關(guān)要素后形成專題數(shù)據(jù)，綜合反映監(jiān)測庫區(qū)的土地利用狀況、岸線變化、違法占地、侵占水利設(shè)施等情況，實(shí)現(xiàn)皂市水庫庫區(qū)的動態(tài)監(jiān)測與管理。

1 水庫監(jiān)測平臺總體架構(gòu)

根據(jù)庫區(qū)管理業(yè)務(wù)需求，皂市水庫監(jiān)測信息平臺由水庫消落帶移動巡查（地上查）、水庫遙感影像管理與動態(tài)監(jiān)測（天上看）和水庫綜合監(jiān)控與執(zhí)法管理等三個子系統(tǒng)組成，如圖1 所示。

圖1 水庫監(jiān)測平臺組成

綜合考慮使用效率和數(shù)據(jù)涉密等因素，整個監(jiān)測平臺采用C/S、B/S 混合方式，如圖2 所示。即水庫綜合監(jiān)控與執(zhí)法管理系統(tǒng)采用類似Google Earth 數(shù)字地球的B/S 構(gòu)架下的WEB3D 方式，水庫遙感影像管理與動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)采用C/S 構(gòu)架，水庫移動巡查執(zhí)法基于移動端進(jìn)行開發(fā)。

2 水庫遙感影像管理與動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

圖2 水庫監(jiān)測平臺結(jié)構(gòu)圖

水庫遙感影像管理是通過標(biāo)準(zhǔn)的WGS84 坐標(biāo)將無人機(jī)和現(xiàn)場地面采集的影像和多期遙感影像融合在一起，形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)集合，在集成管理環(huán)境下對數(shù)據(jù)集合的元數(shù)據(jù)進(jìn)行集中管理和交互瀏覽。數(shù)據(jù)集管理包括數(shù)據(jù)集的創(chuàng)建、更新、刪除，系統(tǒng)通過影像高壓縮比壓縮、影像導(dǎo)入、分布式數(shù)據(jù)厙、金字塔索引、緩存等技術(shù)的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)海量遙感數(shù)據(jù)、無人機(jī)和現(xiàn)場地面采集的影像數(shù)據(jù)的集成管理、靈活的組織、高效的檢索和快速瀏覽。

水庫動態(tài)監(jiān)測是通過歷史巡查現(xiàn)場照片、無人機(jī)影像和遙感影像進(jìn)行多期數(shù)據(jù)對比，計算判斷形成庫區(qū)疑似違法建設(shè)區(qū)，對比變化區(qū)域判讀與框選如圖3所示。系統(tǒng)提供疑似違法區(qū)的屬性輸入、交互編輯和任務(wù)發(fā)布，并可將疑似違法區(qū)的范圍和屬性問題通過接口發(fā)布給水庫綜合監(jiān)控與執(zhí)法管理系統(tǒng)。

3 水庫消落帶移動巡查系統(tǒng)

水庫消落帶移動巡查系統(tǒng)運(yùn)用3S 技術(shù)（全球定位系-GPS、地理信息系統(tǒng)-GIS、遙感-RS）和移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在水庫綜合監(jiān)控與執(zhí)法管理系統(tǒng)的后臺數(shù)據(jù)支撐下，通過與系統(tǒng)其他部分有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對水庫漂浮物、網(wǎng)箱、周邊消落帶的動態(tài)監(jiān)測和現(xiàn)場人員巡檢信息的管理?，F(xiàn)場巡檢管理主要基于移動終端系統(tǒng)，如圖4所示，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場信息采集、錄入和查詢，包括巡查坐標(biāo)和路徑記錄、巡查任務(wù)和報告填報、巡查信息記錄、地圖預(yù)覽、基礎(chǔ)信息查詢以及拍照取證等。系統(tǒng)接收由核心平臺發(fā)送的巡檢任務(wù)，按照規(guī)定的時間、巡查路線完成指定任務(wù)，通過現(xiàn)場取證，上傳巡檢數(shù)據(jù)。

圖4 移動端系統(tǒng)功能

4 水庫綜合監(jiān)控與執(zhí)法管理系統(tǒng)

水庫綜合監(jiān)控與執(zhí)法管理以皂市水庫區(qū)域基礎(chǔ)三維可視化平臺為基礎(chǔ)，疊加無人機(jī)全景影像、水庫大壩三維傾斜攝像模型和衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)，形成水庫大壩極具現(xiàn)場感的可視化虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境。系統(tǒng)具備三維瀏覽查詢和分析、水庫巡檢管理、公共信息瀏覽查詢、系統(tǒng)管理等功能。

三維瀏覽查詢和分析基于三維地理信息系統(tǒng)開發(fā)，實(shí)現(xiàn)基于互聯(lián)網(wǎng)的三維GIS 的基礎(chǔ)功能：應(yīng)用DEM、影像和模型數(shù)據(jù)生成三維GIS 圖層及三維模型、坐標(biāo)、線和多邊形等空間數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)圖層管理；對地圖圖層進(jìn)行分組，面向不同用戶分組和專題，選擇訪問不同的圖層和地圖組，實(shí)現(xiàn)地圖分組管理；通過圖層順序、圖面元素樣式和飛行參數(shù)調(diào)整，圖層透明度控制，以及地圖縮放、旋轉(zhuǎn)、漫游等視圖方向和視角控制，實(shí)現(xiàn)圖層瀏覽控制；通過查詢、增刪POI 信息點(diǎn)操作，定位三維地理信息中的目標(biāo)位置，實(shí)現(xiàn)POI 信息點(diǎn)標(biāo)注；通過分析計算地形表面的線距、面積、地形剖面和坡度坡向，實(shí)現(xiàn)地表空間分析；通過影像集的管理和動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)編輯生成，提供對疑似區(qū)信息查詢、檢索和可視化展示，實(shí)現(xiàn)疑似區(qū)管理；將歷史影像數(shù)據(jù)在三維場景下對比監(jiān)測變化，實(shí)現(xiàn)歷史影像數(shù)據(jù)對比；在業(yè)務(wù)流程中嵌入數(shù)據(jù)中心提供的各種數(shù)據(jù)，定位指定圖層視野范圍、現(xiàn)狀圖、水庫審批用地和遙感變化圖斑的疊加分析，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)疊加顯示；通過消落帶傾斜攝像測量三維模擬數(shù)據(jù)疊加，提供三維模型數(shù)據(jù)基本測量功能，實(shí)現(xiàn)水庫大壩真三維模型的展示。

水庫巡檢管理基于三維可視化平臺實(shí)現(xiàn)，如圖5所示。系統(tǒng)集成了歷史巡檢軌跡、照片和屬性數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對歷史巡檢任務(wù)進(jìn)行瀏覽、檢索和跟蹤功能：通過在三維可視化場景疊加巡檢軌跡、現(xiàn)場照片，實(shí)現(xiàn)巡檢數(shù)據(jù)疊加；通過在三維可視化場景中顯示巡檢任務(wù)和任務(wù)相對應(yīng)的屬性信息，以及將任務(wù)推送給指定巡檢人員移動應(yīng)用端，實(shí)現(xiàn)巡檢任務(wù)管理；通過實(shí)時上傳地理坐標(biāo)數(shù)據(jù)和三維集成平臺顯示，實(shí)現(xiàn)對巡檢現(xiàn)場人員、車輛、船只的實(shí)時跟蹤。

公共信息瀏覽查詢一方面提供歷史處罰信息的瀏覽、查詢和檢索功能，為后期執(zhí)法提供案例參考，另一方面提供水庫執(zhí)法相關(guān)法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的瀏覽與檢索，發(fā)布相關(guān)的新聞、通知等信息，為巡檢人員提供執(zhí)法依據(jù)的查詢。系統(tǒng)管理主要提供用戶角色和權(quán)限管理，以及提供系統(tǒng)操作及功能菜單說明、系統(tǒng)部署與調(diào)試等幫助。

圖5 水庫巡檢管理

5 水庫監(jiān)測平臺本底數(shù)據(jù)集合建設(shè)

本底數(shù)據(jù)作為水庫監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，需要在系統(tǒng)運(yùn)行前全部導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫，支撐整個系統(tǒng)的運(yùn)行，提供皂市水庫大壩、庫岸周邊以及消落帶三維虛擬現(xiàn)實(shí)場景，為未來周期性數(shù)據(jù)提供對比。本底數(shù)據(jù)除了基礎(chǔ)屬性、矢量數(shù)據(jù)外，主要包括地形數(shù)據(jù)、高分一號衛(wèi)星數(shù)據(jù)和基于傾斜攝像測量的真三維模型數(shù)據(jù)。周期性數(shù)據(jù)是在系統(tǒng)運(yùn)行過程中配合巡檢業(yè)務(wù)所需要和產(chǎn)生的影像數(shù)據(jù)，兩者的關(guān)系如圖6 所示。

圖6 本底數(shù)據(jù)與周期性數(shù)據(jù)的關(guān)系

皂市庫區(qū)衛(wèi)星本底數(shù)據(jù)共收集2015 年4 月至2019 年12 月高分1 號GF1、資源3 號ZY3 衛(wèi)星遙感影像共計25 景，其中GF1 號22 景，ZY3 號3 景，基本覆蓋庫區(qū)全景。將遙感圖像經(jīng)過地理坐標(biāo)投影、GPS 高精度定位、輻射度校準(zhǔn)、大氣校正等預(yù)處理，實(shí)現(xiàn)遙感數(shù)據(jù)和地面采樣數(shù)據(jù)同位觀測、提高了定位精度。然后通過圖像融合和拼接處理，在同一坐標(biāo)體系下生成單一的合成圖像，提高了影像的視覺效果和影像內(nèi)要素類別的判別與分析的質(zhì)量。

數(shù)據(jù)收集完成后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。根據(jù)地物重要性和實(shí)際管控需求，對于不同的區(qū)域采用三種不同的層級精度表達(dá)方式。對于庫區(qū)一般區(qū)域，采用衛(wèi)星遙感影像制作而成的DOM 融合DEM 構(gòu)成大地形三維場景；對于比較關(guān)注熱點(diǎn)區(qū)域或者近期變化較大的區(qū)域，在大地形三維場景基礎(chǔ)上，通過無人機(jī)全景技術(shù)模擬重點(diǎn)關(guān)注的現(xiàn)場全景；對于大壩、電站等最高重視區(qū)，采用無人機(jī)傾斜攝像測量技術(shù)構(gòu)建高精度真三維模型，傾斜攝像測量基于多角度拍攝的無人機(jī)航拍影像，采用Bentley 旗下Smart 3D Capture 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，生成OSGB 存儲格式的模型，并使用skyline 系列軟件進(jìn)行模型單體化處理和屬性賦值等操作，實(shí)現(xiàn)高精度三維模型，可將復(fù)雜、多源傳感器在三維模型中基于真實(shí)位置進(jìn)行符號表達(dá)，為庫區(qū)管理部門提供高精確位置服務(wù)提供支撐，圖7 為皂市水庫大壩真三維模型。

圖7 皂市水庫大壩真三維模型

6 結(jié)論

通過現(xiàn)場測試，表明基于衛(wèi)星遙感和無人機(jī)空間信息融合的水庫動態(tài)監(jiān)測平臺，通過水庫消落帶移動巡查、水庫遙感影像管理與動態(tài)監(jiān)測和水庫綜合監(jiān)控與執(zhí)法管理等3 個子系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)，形成一套天上看、網(wǎng)上管、地上查的完整水庫動態(tài)監(jiān)管體系，能實(shí)現(xiàn)對皂市水庫庫區(qū)岸線變化、違法占地、侵占水利設(shè)施以及巡檢人員巡視過程的動態(tài)監(jiān)測與管理。