基于無人機測繪數(shù)據(jù)的河道水環(huán)境治理應(yīng)用研究

陳國麗，林文潔，姚雨彤，陶慧華，文定夢

(1.南寧市水利局，廣西 南寧 530000;2.南寧市水土保持分站，廣西 南寧 530000;3.南寧市水資源管理服務(wù)中心，廣西 南寧 530000;4.廣州中科云圖智能科技有限公司，廣東 廣州 510000)

我國地域遼闊，水資源豐富，但是隨著人類活動范圍的不斷擴大，河流、湖泊以及沿海等地的水污染問題日益突出，因此，我國提出了一系列水資源保護政策和措施，其中監(jiān)測技術(shù)作為水污染處理的一項重要技術(shù)，得到了一定的研究和發(fā)展[1- 2]。

河道作為城市的基礎(chǔ)市政工程建設(shè)項目，具有防洪、抗旱和休閑等優(yōu)點，但是城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展給河道水環(huán)境帶來巨大挑戰(zhàn)[3]，主要的污染來源有淤積、工業(yè)廢水和城市垃圾等。針對河道水污染問題，傳統(tǒng)的治理手段主要有自然修復(fù)和微生物治理法等[4]。傳統(tǒng)的治理手段短期內(nèi)效果較為明顯，但是后繼乏力，且重在水質(zhì)提升而監(jiān)測效果較差[5]。因此，本文將根據(jù)河道水環(huán)境的治理及監(jiān)測重點，通過無人機梯級測繪技術(shù)將大范圍及復(fù)雜流域的河道測繪問題進行簡化，形成一套完整的監(jiān)測體系，進而輸出監(jiān)測成果及提出預(yù)防和治理措施。

無人機梯級測繪需要對河道相關(guān)資料進行分類和分層次整理，進而采取分類測繪和分類輸出成果，從而有針對性地進行河道治理[6- 7]。當(dāng)下無人機定點和定位測繪技術(shù)已經(jīng)較為成熟，但是針對河道特點區(qū)域進行分層測繪還存在一些難點[8]，因此，本文主要目的是研究無人機分層測繪技術(shù)，并結(jié)合實際測繪項目進行技術(shù)驗證，以便為河道水環(huán)境預(yù)防和治理提供更優(yōu)選擇。

1 測繪設(shè)備及測繪技術(shù)

1.1 測繪設(shè)備

本研究采用的測繪設(shè)備為TrimbleUX5無人機，它由硬件、外業(yè)和內(nèi)業(yè)3個系統(tǒng)組成，同時具有飛行穩(wěn)定、對天氣依賴性小、軟硬件兼容性好、先進的系統(tǒng)設(shè)計和直觀的操作流程等優(yōu)勢，無人機測繪現(xiàn)場實物圖如圖1所示。結(jié)合EPS數(shù)據(jù)處理軟件，為提供準(zhǔn)確的測繪數(shù)據(jù)提供了有利保障，測繪的流程如圖2所示。

圖1 無人機測繪現(xiàn)場實物圖

圖2 無人機測繪流程圖

1.2 梯級測繪技術(shù)

本研究采用的無人機梯級測繪技術(shù)需要3個輔助技術(shù)配合，即傾斜攝影、無人機遙感影像合成和地圖配準(zhǔn)3項技術(shù)，技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)參考城市測量規(guī)范，通過Pix4Dmapper進行測量影像的合成。所運用的算法為點云成像算法，測繪具體實施方式為：①設(shè)定邊界條件。對測量范圍內(nèi)的待測點根據(jù)測繪需求劃分層次，如可將河道兩側(cè)建筑物劃分為民用、商用或市政建筑。②劃分水污染層次。將水污染分為點源和面源兩類污染或者生活、農(nóng)業(yè)和工業(yè)三類污染，然后分別對劃分的層次進行測量。③測繪點位坐標(biāo)建立。對不同層次和不同的測繪對象分別進行定位，便于無人機進行點位抓取和路線規(guī)劃，并通過坐標(biāo)和點位進行測繪工作[9- 10]。測繪區(qū)域部分檢測點平面和高程測繪精度見表1—2。

表1 部分監(jiān)測點平面精度

通過梯級測繪，能將劃分的不同層次或不同類別測繪結(jié)果進行輸出，如圖3所示。然后將各層次或各類別測繪成果通過Pix4Dmapper進行成果疊加得到最終的測繪成果，由于測量元素獨立，各層次測繪成果獨立，因此最后的疊加結(jié)果精度高且清晰。

表2 部分監(jiān)測點高程精度

圖3 測繪成果疊加圖

2 應(yīng)用案例及分析

2.1 工程概況

為了驗證無人機梯級測繪技術(shù)在河道水環(huán)境治理中的應(yīng)用效果，本次以某市河道水環(huán)境監(jiān)測及治理項目為背景，該河道屬于市級控制的一級支流，河道兩岸房屋較多，排污設(shè)施等較為復(fù)雜，水環(huán)境污染較為嚴(yán)重，該河道某段實物圖如圖4所示，從圖中可以看出，河道該段周邊主要是工業(yè)園區(qū)，水質(zhì)遭到嚴(yán)重污染，主要污染來源是工業(yè)污水，且水體存在富營養(yǎng)化等問題。該治理項目主要是為了識別河道及其周邊水污染狀況，以確定具體需要治理的區(qū)域，明確污染情況對周邊造成的影響，為治理工作的開展提供保障。

測繪工作開展時無人機飛行方向為西北至東南，根據(jù)地形、污染情況和續(xù)航時間等情況劃分點位和區(qū)域，本次測繪無人機的相機型號為索尼NEX5，焦距為15mm，整個測繪工作共設(shè)置了27條航線，需要拍攝400多張影像圖，航向和旁向的重合度都是80%，滿足相關(guān)規(guī)范要求；本次測繪無人機的最低飛行高度為200m，最高飛行高度為220m，也滿足相關(guān)規(guī)范要求。

圖4 某段河道測繪實物圖

2.2 無人機測繪數(shù)據(jù)處理

通過UASmaster軟件對無人機測繪數(shù)據(jù)進行后處理，該軟件具有十分簡單和直觀的處理流程，從而獲得測繪影像和模型等測繪成果，數(shù)據(jù)的后處理主要分為以下幾步：①預(yù)處理。首先在軟件初始界面里創(chuàng)建一個新的工程，導(dǎo)入測繪數(shù)據(jù)，對原始數(shù)據(jù)進行糾正等預(yù)處理工作。②空三加密和平差。通過軟件對數(shù)據(jù)空三加密處理，主要是為了得到重合影像的連接點，進而獲得不同影像的相對位置；然后自動進行平差計算，達到有效的連接點能匹配影像效果較差的區(qū)域。③像控點測量。通過軟件中的像控點對上述成果繼續(xù)進行校正[11- 14]。

2.3 測繪結(jié)果分析

通過將排污口等污染點源的坐標(biāo)、高度、角度、影像數(shù)據(jù)和灰度矩陣等測繪數(shù)據(jù)進行疊加，并將不同點污染的測繪結(jié)果進行識別和差異化處理。通過顏色深淺差異表示污染的程度，顏色越深表示污染程度越嚴(yán)重，顏色越淺表示污染程度越輕；通過點位的大小表示污染物的排放量和影響范圍，點位越大表示污染物的排放量和影響范圍越大，點位越小表示污染物的排放量和影響范圍越小。

相對于點源測繪，面源測繪工作相對較為復(fù)雜，因為面源沒有特定的點位和半徑，但是由于面源的污染主要是農(nóng)業(yè)污染，如種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)等造成的，污染物通過各處的支流或者水渠統(tǒng)一匯入到河道中，其污染物分布范圍較廣，覆蓋面積較大，污染的情況更加復(fù)雜。對于面源測繪工作，首先要確認測繪的半徑，然后沿測繪范圍邊界進行初步測繪，進而確定主要的測繪區(qū)域，最后，對識別出的重點測繪區(qū)域進行交叉測量，通過加權(quán)線性內(nèi)插法將測繪的數(shù)據(jù)進行處理。本項目的綜合測繪成果如圖5所示，從圖中可以清晰地看到不同顏色深淺或不同大小的測繪點位，從而清晰地判別污染情況，進而有針對性地進行后期的治理工作，進而表明該測繪技術(shù)具有顯著的優(yōu)勢和效果。

圖5 梯級測繪成果展示

3 結(jié)語

本文對無人機梯級測繪技術(shù)在河道水環(huán)境治理中的作用進行研究，得到如下結(jié)論：

(1)無人機梯級測繪技術(shù)能將測繪河道進行類別和層次的劃分，便于突出測繪工作的重點和精度。

(2)無人機能準(zhǔn)確識別水環(huán)境污染情況，還能分別抓取點源和面源污染的測繪要素，最終輸出測繪成果。

(3)通過UASmaster軟件對不同層次和類別的測繪成果進行疊加處理，得到綜合測繪成果，便于聯(lián)合分析和綜合研究。

(4)研究成果河道為我國河道污染源治理工作提供了一定思路，但現(xiàn)有無人機技術(shù)三維立體化實景展示效果較差，仍需要進一步深入研究。