無人機航測技術在河道采砂及生態治理工程中的應用

許龍星，張兵兵，韓 振

（宏大爆破工程集團有限責任公司，廣東 廣州 510623）

無人機航測具有速度快、精度較高、數據處理流程簡單等優勢，相比于傳統的RTK、全站儀，顯著提高了工作效率和降低了勞動強度，已成功應用在城市測繪[1-2]、露天礦山測量、河道測繪、土地勘查、森林植被復綠統計[3-6]等方面，取得了較好的應用效果。目前針對河道治理問題，許多專家學者進行了很多有價值的研究工作。楊玉川[7]分析了無人機在工程全生命周期中的優勢及應用前景，實現了勘查、施工監管及成果展示等目的。李濤等[8-9]將無人機航測用于河道邊界測定，快速準確地獲取了邊界信息，很大程度避免了糾紛事件。陳橋驛[10]認為河道水環境影響因素多，涉及范圍廣，無人機航測可應用在水污染處理、生態修復等領域，為科學診斷河道難題提供了參考。洪運富[11]采用無人機實現了河道污染源的監控，確定了其分布范圍及狀態，有助于分析水源質量的好壞與消除污染來源。劉建良[12]針對河道資源工程量和洪水等安全問題，采用無人機航測技術較快地估算了河道資源量及預防了安全隱患的發生。

目前無人機航測技術在河道領域的研究與應用，大多是針對河道的隱患治理方面，而河道內儲存著大量的砂石資源，如何在有效開采資源的同時，實現河道生態治理，相關研究較少。為此，以大沙河生態治理為背景，采用無人機航測技術進行河道采砂與生態治理的協同作業。

1 大沙河河道治理工程現狀

大沙河河道治理工程是河北省邢臺市的重點項目，治理區域的河道寬度為1.5 km，長度約為10 km，覆蓋范圍較大。在每年7 月和8 月的汛期，河道區域受上流水體不斷沖刷，并攜帶大量的不同規格的砂石，最終在河道內淤積，使得河床不斷抬高，蓄水能力明顯下降，對于河床的穩定性及蓄水能力提出了較大的考驗。基于這一現狀，首先采出部分砂石，提高河道蓄水能力；同時進行護坡、復綠等工作，計劃建成休閑、旅游觀光為一體的市民休閑場所。通過現場勘查調研，認為本工程的重難點主要體現在以下幾個方面：

1）河道范圍過大，如何快速有效了解河道的整體情況是前提。傳統的RTK、全站儀等需要人工進行現場測點，耗時太長，且由于河道內砂石堆積情況復雜，存在較多的砂石堆，人員難以有效測量。砂石間的空隙較大，存在不斷滑落的現象，貿然登上石堆測量，難以保證測量人員的生命安全。

2）河道內砂石儲量大，在進行前期規劃設計時，需要有效估算工程量大??；而河道在汛期時禁止開采，工期短，導致前期開采工程量較大，對生產計劃的有效執行提出了考驗。此外，砂石的規格差異性較大，在挖運及篩選階段，需要保證不同區域的砂石在規格上較為一致，故需要高效的現場調度監管。

3）河道內砂石的分布區域難以有效確定，且缺乏統一規劃和統一組織，前期任意開采、任意堆放棄料現象較多，影響了河道行洪，同時反復開采使河道植被遭受嚴重破壞；盜采及民采現象十分嚴重，對施工與現場管理提出了較大的挑戰。既存在填方區域，也存在挖方區域，如何有效確定這些區域，進而安排車輛及時施工，將河道平整到設計標準，是河道生態治理的重要方面。

2 無人機航測的外業作業及內業處理

隨著無人機航測技術的不斷發展，其為非接觸性測量，航測耗時短、操作簡單易行、可視化效果好、精度較高，可有效生成河道的三維模型及現狀圖，為河道治理提供了新的思路?；诖笊澈雍拥乐卫黼y度較大的現狀，在河道采砂及生態治理階段采用了無人機航測技術。本次航測采用的是華鷂P310 型輕小型無人機搭載單鏡頭高清數碼相機，需要在前期進行一定的準備工作，即外業作業。在此基礎上，收集得到的航測數據，進行航測數據的內業處理，進而得到航測成果。無人機航測流程圖如圖1。

圖1 無人機航測流程圖

2.1 外業作業流程

外業作業階段，首先需要勘查地形與分析河道的現狀圖，從而進行像控點布置。按照每3 km2布置5 個點的原則，結合河道高程落差的變化，最終制定了像控點布置方案[13]，像控點布置及航線規劃如圖2。像控點坐標測定時，采用RTK 對像控布中心位置連續測量10 次，匯總整理后，用于飛行計劃制定及后期圖像精度的校核。

圖2 像控點布置及航線規劃

在飛行航線規劃階段，首先將像控點坐標導入地面站軟件，在做像控點規劃時，考慮到了地形的影響，同時在現場布置像控點時也根據現場實際地形進行了些許調整，盡量做到高程控制和平面控制。確保覆蓋河道治理區域和滿足飛行安全要求，此次航測的相對航高為200 m，旁向重疊率為75%，航向重疊率為70%，航測地形圖比例尺設定為1∶1 000?，F場實施飛行前，必須進行飛前檢查，包括機務檢查、常規檢查與航電檢查，采用筆記本實時監控無人機的飛行狀態，確保安全飛行。根據河道范圍及電池的飛行效率，共布置了6 個架次，每次航測結束時，及時回收航測數據，包括POS 數據、移動站數據、基站數據、航拍照片。

2.2 內業處理

選擇晴天且風力較小的時候進行河道航測，6個架次共獲取了1 580 張高清帶有色彩信息的相片，首選將獲取的航測數據按照格式要求分次合并，輸入至PPS 后處理軟件進行一鍵解算，將結算后的航測數據按照Pix4D 軟件的要求輸入。對Pix4D 軟件而言，航測數據的處理共分為3 個步驟，即初始化處理、點云及紋理、DSM 和正射影像圖及指數。

在初始化處理階段，首先進行無控制點生成影像，運行完成后，導入像控點坐標，在生成的模型中找到對應的像控點進行刺點，用于分析航測精度。刺點結束后，重新優化運行一段時間則可生成相應的質量報告，并得到像控點的誤差范圍。同時，河道內布置了一些特征鮮明的檢查點，進行精度對比后發現，平均中誤差在0.15 m 左右，高程差較小，可以發現像控點匹配情況較好，在精度分析中，通過現場選取的一些檢查點和像控點誤差情況，綜合分析認為滿足航測1：1 000 的要求。

生成的河道正射影像和三維數字模型，自帶三維坐標，可較好地反映河道現狀。同時，通過設置也生成了等高線間距為2 m 的河道二維現狀圖；將得到的正射影像輸入到Global Mapper 軟件中進行高程顯示，清晰地顯示河道內砂石堆場分布及高度信息，有利于指導砂石堆場及時整治和裝運工作。

3 航測成果的應用

航測得到的正射影像、三維數字表面模型及數字線劃圖可應用在分析河道的地形地貌信息、生態環境、砂石積聚地、水源方向及水坑范圍、生產計劃規劃設計及潛在安全隱患來源等方面。

3.1 河道境界圈定及生態環境普查

航測得到的河道三維模型，包含了河道內砂石資源分布狀態、道路走向分布、植被生長狀態、建構筑物分布區域、水坑分布等信息，自帶三維坐標可較好地對區域進行定位，三維可視化效果好?？杉皶r了解河道的開采現狀，確定河道砂石資源的開采境界，防止出現越界開采，造成資源的不必要浪費。根據生產需要，進行定期的航測，可及時更新河道開采狀態，降低安全隱患，極大地節省了測量周期。在生態環境普查方面，主要集中在植被生長范圍及河道污染源存在情況；通過無人機航測得出的模型及高清圖像信息來看，河道內植被高度較小，分布范圍與河道內水源的分布有著密切的關系。同時，發現河道內存在村民占用河道資源種植農作物，一定程度上阻礙了河道的通行能力，造成了河道阻塞。河道內也存在一些建構筑物及臨時砂石篩選廠，存在排放的人工垃圾，可能會對河道造成污染。無人機航測確定了植被生長范圍及河道污染源存在情況，為河道周邊復綠及河道環境治理奠定了基礎。

現場勘查發現，河道內分布著眾多的水坑，且分布位置并不確定，而水坑分布范圍若依靠人工測量，則導致勞動強度過大，一定程度上制約了生產有序進行。通過查看三維模型，可清晰地了解水坑分布狀態，利用Pix4D 軟件中的量測功能，可有效確定水坑的長度、寬度、面積及體積大小，進而參考設計方案，確定水坑處是填方區還是挖方區以及具體的工程量，為后期河道平整奠定基礎。

3.2 砂石資源儲量的估算

河道三維模型較好地顯示了砂石資源的分布情況，為后期安排車輛進行集中挖裝提供了條件，可較好地提高工作效率，避免了車輛的窩工現象。運用Pix4D 軟件中的工程量計算功能，通過圈定一定范圍的砂石積聚位置，則可快速地估算出該區域的儲量，相比較于傳統基于CAD 的三角網算法，極大地降低了計算量和人工勞動強度。砂石存在分布不均勻的情況，采用無人機的測量數據可較好估算砂石資源儲量，按照5 m 的設計開挖深度，設計院給出的估算儲量為3 293.9 萬m3，無人機的測量數據得到的估算儲量為3 458.6 萬m3，兩者誤差僅為5%，故認為其儲量估算具備一定的可行性。無人機航測估算得到的工程量有利于合理配置車輛作業和保證車輛的高強度精準化施工，加快了河道隱患資源的有效開采，為河道淤積治理工作提供了便利。

3.3 采砂生產計劃的制定與安全監管

依據航測成果分析河道內運輸道路的分布狀態，按照施工要求不斷優化道路布置。確定合理的運輸路線，有助于減少車輛運距，提高了運輸效率，保證砂石資源的及時高效挖裝。將治理區域劃分為多個采區，通過砂石資源儲量的估算，進而制定生產規劃，按5 m 的設計開挖深度進行分區域施工，結合無人機航測得到的高程點數據，可在CAD 中作出相應的采砂工期規劃，如1 年規劃、3 年規劃及5 年規劃。同時，依據三維模型確定砂石堆料場位置，進行砂石粒徑規格的篩選處理，將符合規格要求的砂石進行統籌管理與調度。利用可視化效果好的特點，現場管理者可準確了解施工安排和執行生產指令，確保資源的高效有序開采，達到河道平整和控制危險源等目標。

4 結語

1）分析了大沙河治理的難點所在，河道范圍過大，難以有效及時了解開采現狀，在河道干涸期，淤積的砂石嚴重妨礙了河道的通行能力；砂石資源開采規劃難度較大，需要進行有效的治理工作。

2）無人機航測技術為非接觸式測量，測量效率高、成本低，其優勢在于集數據采集、數據分析、調度指揮、安全監控為一體，使得調度和管控指令更加科學合理和精準可靠。分析了無人機航測外業作業和內業處理階段的流程，現場共布置了6 個架次，獲取了河道的正射影像、三維數字模型及數字線劃圖。且經過對像控點和現場特定點的坐標誤差綜合分析，滿足1∶1 000 地形圖的要求，可用于河道的采砂和生態治理方面。

3）實踐表明，航測成果應用在河道領域，有助于了解河道資源開采和生態環境的現狀；利用Pix4D軟件的功能，獲取了砂石堆場的儲量和水坑分布范圍，有利于合理配置車輛進行挖裝。優化了道路設計，合理地安排了階段性的生產規劃任務。無人機航測技術后期可用于生產調度指揮和專家遠程診斷，保證了資源開采與生態環境的協調進行。一定程度上，實現了PDCA 循環，可對生產管理的各個環節進行設計與優化，確保了測量-規劃-應用-改進全過程的高效運轉。