無人機測繪技術于河道采砂監管中的應用

摘? 要：非法河道采砂嚴重影響防洪、供水、航運和水生態安全。傳統河道采砂監管方法面臨著監管區域廣、專職人員少、證據收集難等困難。文章提出一種基于無人機測繪技術的采砂行為監測方法，通過低空航拍測量快速獲取采砂區域影像，制作高精度影像和三維模型，確定疑似非法采砂點的位置、面積、堆沙量等信息，為河道采砂行為的監測和管理提供一種新高效經濟的技術手段。

關鍵詞：河道采砂監管;無人機;影像;三維模型

中圖分類號：TP79;P237? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）20-0042-05

Application of UAV Mapping Technology in River Sand Mining Supervision

FU Huasheng

（Fujian Provincial Investigation，Design & Research Institute of Water Conservancy & Hydropower，Fuzhou? 350001，China）

Abstract：Illegal river sand mining seriously affects flood control，water supply，shipping and water ecological security. The traditional river sand mining supervision methods are faced with many difficulties，such as wide supervision area，few full-time staff and difficult evidence collection. In this paper，a monitoring method of sand mining behavior based on UAV mapping technology is proposed. Through low altitude aerial photogrammetry，the image of sand mining area can be quickly obtained，and the high-precision image and 3D model can be made to determine the location，area and sand accumulation of suspected illegal sand mining points，which provides a new efficient and economic technical means for the monitoring and management of river sand mining behavior.

Keywords：river sand mining supervision;UAV;image;3D model

0? 引? 言

河道采砂是指在河道管理范圍內采挖砂、石、土等活動。砂石作為工程建設中重要的建筑材料，隨著我國和福建省經濟發展，其需求量逐漸增加，供需矛盾刺激了河道采砂業的發展。近年來未經許可在河道管理范圍內采砂、不按許可要求采砂、在禁采區或禁采期采砂、未經批準在河道管理范圍內取土等非法采砂行為常有發生。河道采砂容易破壞河床、河堤和附屬水利設施，關系防洪和通航的安全，同時造成河水污染，水環境及水生物環境改變，影響飲水安全和河道生態環境。超范圍、超深度、超時限、超量的非法采砂對防洪、供水、航運和水生態安全影響尤為嚴重，迫切需要對河道采砂進行監管，避免非法開采。然而目前，河道采砂監管工作主要是以執法船只或車輛巡邏的方式進行，面臨著監管區域廣、專職人員少、證據收集難等困難，采砂現場經常出現采砂量和采砂范圍難以控制等問題，急需新的科學技術和監管手段進行河道采砂行為的監測和管理，確保河道采砂行業的綠色發展，故福建省水利廳與本單位合作使用無人機測繪技術輔助河道采砂管理。

無人機測繪技術以無人機為載體，搭載數碼相機等設備快速獲取高分辨率數字影像和高精度定位數據，能夠快速生成數字高程模型、正射影像圖、數字地表模型、三維實景模型數據，現已廣泛用于國家重大工程建設、災害應急處理、國土、水利監察等領域。相對于傳統人工或衛星遙感監測手段，無人機測繪技術在實際應用中起飛條件較低、裝配時間短，能夠快速獲取監察區域的空間信息，具有高效率、低成本、高精度等優勢，為山區等地形復雜區域的采砂監管提供了強有力的技術支撐。為加強河道采砂監管，提升采砂監管技術水平，克服人工發現問題的不足，結合無人機與航空攝影測量技術，通過無人機搭載數碼相機實時獲取監測區域數字影像，利用攝影測量技術制作該區域數字正射影像圖及三維模型，并結合遙感數據分析確定疑似非法采砂點的信息，在保證監測速度的同時保證監測數據的精度，為早發現、早制止、早處置違法采砂活動提供技術和數據支持。

1? 基于無人機測繪技術的河道采砂監測方法

作為一種新型測繪技術，無人機測繪技術能在航拍過程中，記錄定位和飛機姿態信息，通過空中三角測量解算空間立體模型，建立影像與對應目標之間的幾何關系。隨著GPS輔助光束法平差技術的進步，使得無人機航空攝影測量可以實現在免像控的基礎上保證最終空三平差結果的精度，極大地減少了外業的工作量。對無人機遙感圖像即數字正射影像進行判讀和解譯，并將所獲取到的采砂點及堆砂點的位置及相關證據提交給監管部門，有助于監管人員迅速到達采砂現場進行監察和處置。

在河道采砂監管中，無人機測繪技術的主要工作步驟為：

（1）前期準備。依據管理部門公布的河道采砂計劃和區域，確定監管河道范圍，確定可采區范圍及可采期時間，確定所屬區域的空域管控要求，辦理飛行備案。同時確定該區域的氣象條件，視飛行時間和情況確定無人機機型?？疾旌拥绤^域地形條件，選擇平坦、堅固、無遮擋的起降場地，制定飛行計劃。

（2）無人機外業測量。根據監管河道范圍，按照飛行路線涉及范圍內的建筑高度規劃航線高度，依據季節和風向確定航線方位角。依據采沙場圖斑塊大小確定影像分辨率和影像重疊度，設置相機ISO值。飛行過程中確保RTK開啟，關注RTK信號、圖傳信號、電池電量等信息，全程人工監測，隨時人工干預確保安全飛行。飛行后檢查數據質量。

（3）監測區域正射影像和三維模型制作。將外業獲取的影像，利用PhotoScan、ContextCapture Center Master等軟件對無人機獲取的影像進行空三加密生成數字正射影像，重建監測河道區域內的三維模型。

（4）非法采砂點解析。對內業制作的正射影像和三維模型進行解譯，確定采砂點及堆砂點。并測量采砂點的位置、面積、堆沙量等信息，確定疑似非法采砂點及堆砂點信息，交付相應監管部門，用于后續核查。

詳細流程如圖1所示。

2? 實施案例

2.1? 監測河道概況

本文以福建省順昌縣無人機河道采砂監察為例。順昌縣位處福建省西北部丘陵區，位于閩江上游富屯溪和金溪匯合處（東經117°30′～118°14′，北緯26°39′～ 27°12′之間），境內山巒起伏連綿，交通縱橫交錯，河流錯綜復雜，形成復雜的地形地貌，由于縣內溪河遍布，點多面廣，常規巡查監管難以及時發現非法盜砂行為。順昌縣現有采砂河段主要集中于富屯溪-金溪流域，現有規劃中境內富屯溪-金溪流域的河道采砂可采區有16個，位置如圖2所示。為了進一步加強河道采砂監管，整頓河道采砂秩序，打擊河道非法采砂行為，故采用無人機巡查等技術手段監測河道采砂行為。

順昌縣內監管河道長度為66千米，平均河寬約200米，平均海拔為120米，航飛區域內高差為150米。為保證覆蓋全部河道及河岸周邊100米的監管范圍，即設定以河道中心線左右外擴250米為此次無人機飛行范圍，共計飛行面積約33平方千米。為保證監管范圍內采砂點及堆砂點的坐標及面積測量精度，即要求成果數據精度滿足1：1 000航測成圖規范。

2.2? 監測河道影像獲取及外業數據采集

考慮到該監測河道的長度和范圍，航攝無人機選用大疆精靈4 RTK。該設備為輕型多旋翼無人機，續航時間為30分鐘，圖傳距離達7千米，搭載的影像傳感器有效像素達到2 000萬像素，可采集滿足采砂點監測的高精度遙感影像數據。同時大疆精靈4 RTK搭載了多頻多系統高精度RTK GNSS，不僅支持實時差分定位技術，還記錄衛星原始觀測值及相機曝光文件，支持動態后處理技術，可生成厘米級精度的POS數據，可進行高精度免相控航測任務。

此次監察飛行依據飛行區域的特點，確定沿河流方向為無人機飛行方向，共設計6條航線，飛行高度為250米，地面分辨率為6.85厘米/像素，飛行速度為10米/秒，航向重疊率為80%，旁向重疊率為80%。

在外業飛行測量過程中，該測區使用兩臺精靈4 RTK作業，外業飛行兩天，共計44個架次，獲取無人機影像數據8 238張。

在測區范圍內均勻選取134個，不同地形地貌條件下的明顯地物特征點，分別按外業控制點精度要求量測其實地坐標，用于內業數據檢查。

2.3? 監測河道影像及模型重建

2.3.1? 空三及測繪成果制作

航測內業數據處理使用ContextCapture Center Master軟件。

新建項目工程后，導入影像、POS數據及相機參數，設置平面坐標系統（CGCS 2000）及高程系統（國家85高程），使用精準POS選項進行自動空中三角測量?？杖Y束后，進行重建工作，依次生產三維實景模型（OSGB格式）、DOM、DSM等測繪成果。

2.3.2? 快速影像拼接

快速影像拼接流程同常規正攝影像生產流程基本相同。為滿足數據快速處理的需求，需要在保證影像之間連續并存在重疊區域的前提下，對影像抽稀，加速計算速率，減少內業生產時間，與此同時測繪成果精度也會顯著降低。

本次數據按照獲取時間分為四個測區進行內業處理獲取完成后，利用無人機自身記錄的POS數據，使用PhotoScan軟件完成。主要包括工程建立、影像導入、空三加密計算、DEM及DOM生成等步驟，最后將DOM成果導出。以其中一個測區為例：測區面積約8.5平方千米，抽稀后原始影像數量為954幅，在精度最低的要求下，空三時間為5分42秒，密集點云計算時間為19分0秒，DEM處理時間為29秒，DOM處理時間為18分5秒。按照上述作業時間計算，僅需1個小時即可獲取測區DEM及DOM數據。

2.3.3? 精度分析

在測區范圍均勻選取134個不同地形地貌條件下的明顯地物特征點，分別按外業控制點精度要求量測其實地坐標作為檢查點。與此同時獲取按照上述兩套作業流程生產的測繪產品的圖解坐標并分別與檢查點比較：常規航空攝影測量成果中獲取到內業加密點對附近野外控制點的平面中誤差為0.17米，高程中誤差為0.22米，并對DOM影像數學精度進行評價，成果質量滿足CH/Z 3003—2010《低空數字航空攝影測量內業規范》精度要求;快速影像拼接由于時效性的原因，導致空三精度降低，內業加密點對附近野外控制點的平面中誤差為0.43米，高程中誤差為1.23米，且影像邊緣存在扭曲、色彩失真、水面有空洞等問題，成果質量雖然不滿足CH/Z 3003—2010《低空數字航空攝影測量內業規范》精度要求，但是作為快速影像，能夠迅速地為河道采砂監管及執法服務迅速提供地理位置及執法依據。

2.4? 正射影像圖解譯

制作快速影像圖的目的為河道采砂監管及執法服務。影像圖具有很強的時效性，通過影像解譯及人工判讀，能夠對采砂點及堆砂點等進行準確判別并確定其地理坐標。通過與可采區范圍比對，可以判斷采砂點是否處于可采取區內，以此來判斷是否為非法采砂點;對于開采區外的堆砂點也應調查砂石來源，列為重點監察對象。正射影像圖為河道采砂監管提供重要的數據基礎和決策分析依據，并為快速執法提供證據。疊加可采區后的部分監管河道正攝影像圖如圖3所示。

在圖3中，謨武（一）、謨武（二）2處可采區，分別位于影像圖的左側及中部河道。對上圖遙感影像進行解譯，發現上述可采區內均有采砂點及堆砂點各1處，禁采區內采砂點1處，堆砂點1處。如圖4（a）所示，該處采砂船位于謨武（一）可采區的可采標線內，圖4（b）為該可區附近的堆砂點;圖5（a）所示，該處位于可采區外，為疑似非法采砂點，圖5（b）為上述采砂點的岸上堆砂點。

2.5? 數字正射影像圖及三維模型的應用

快速影像圖的主要作用是為快速執法提供非法采砂點的地理坐標，對于時效性要求很強，因而會出現部分不足：平面精度不高;無高程數據;部分地區影響會出現扭曲;水面可能會出現無數據的漏洞等。數字正射影像圖及三維模型在解決上述問題，并為后期河道采砂監管提供有利的幫助：多次正攝影像圖疊加對比，可以用來分析當前監管力度下非法采砂的增長趨勢;三維模型可以提供三維信息，通過計算可以堆砂點的位置，占地面積，堆沙量等數據。如圖6所示，該處堆砂場占地面積為1 784平方米，堆沙量為2 792立方米。即使砂石被轉移，也可以依靠此次航測三維模型提供的數量，為非法采砂取證提供重要幫助。

2.6? 小結

通過這次無人機測繪，詳細結果如下：在可采區發現采砂點13處，堆砂點16處;在非可采區發現采砂點5處，堆砂點5處，詳細統計如表1所示。

3? 結? 論

本文主要討論了無人機測繪技術在河道采砂監管中的應用，并以順昌縣為例，講述了各種測繪成果在河道監管中的應用，提供了一套完整的作業流程。無人機測繪技術作為一種遠程監測技術，雖然有許多不足之處，但是用于河道采砂監管能夠節省大量人力，同時獲取大量證據，提高監管的技術水平。隨著信息化技術的進步，無人機測繪技術與地理信息系統等新技術相結合，可實現河道采砂的實時監管。

參考文獻：

[1] 國家測繪局.低空數字航空攝影測量內業規范：CH/Z 3003—2010 [S].北京：測繪出版社，2010.

[2] 李德仁，王樹根，周月琴.攝影測量與遙感概論：第2版 [M].北京：測繪出版社，2008.

[3] 張偉民.河道采砂管理存在問題及對策初探 [J].中國水利，2017（12）：22-24.

作者簡介：付化勝（1982.10—），男，漢族，江蘇銅山人，工程師，本科，研究方向：攝影測量及遙感、地理信息系統。