河道采砂監管中無人機測繪技術的應用

索 然

(朝陽市水務工程質量與安全監督站，遼寧 朝陽 122000)

0 引 言

一般地，將采挖河道管理范圍內有關砂、土、石等活動統稱為河道采砂。砂石是重要的工程建筑材料，隨著經濟社會的發展以及城市建設速度的加快，對砂石的需求量急劇增大，激烈的供需矛盾進一步推進了采砂業的發展。近年來，未經批準或許可在河道管理范圍內取土、采砂，在禁采期或禁采區采砂以及不按許可要求采砂等行為時有發生。河道采砂不僅對附屬水利設施、堤防護岸和河床造成破壞，直接關系著通航和防洪安全，而且易引起水體污染，改變水生物和水域環境，對河流生態環境以及飲水安全造成威脅，特別是超量、超時限、超深度、超范圍的非法采砂對航運、供水、防洪和水生態安全的影響更加嚴重，為了防止非法開采必須嚴格監管河道采砂。目前，以車輛或者執法船只巡邏仍為河道采砂監管的主要工作方式，該過程普遍存在證據收集難度大、專職人員少、監管區域廣等問題，難以及時有效的控制采砂范圍和采砂量，對于河道采砂行為監管迫切需要引入新的技術手段，保證采砂行業的綠色健康發展。對此，朝陽市水利局積極探索河道采砂監管手段，嘗試應用了無人機測繪技術[1-3]。

無人機測繪技術是搭載數碼相機等設備，以無人機為載體快速獲取高精度定位數據以及高分辨率數字影像，快速生成正射影像圖、三維實景模型、數字地表模型、數字高程模型的新型技術，在水利監察、國土、災害應急處理、國家重大工程建設等領域均已得到廣泛應用。無人機測繪技術與衛星遙感或傳統人工監測手段相比，其裝配時間短且起飛條件較低，能夠對監察區域內的空間信息及時快速的獲取，具有精度高、成本低、效率高等明顯優勢，對于地形復雜區域，尤其是對山區的采砂監管具有較強的實用性。將航空攝影測量與無人機技術相結合，通過利用攝影測量技術和無人機搭載數碼相機，可以實時獲取監測區域數字影像、生成三維模型及數字正射影像圖，在全面分析遙感數據的基礎上及時提取疑似非法采砂點的信息，既能保證監測數據的精度又能確保較快的監測速度，可從根本上解決人工發現不足、采砂監管能力低下等問題，為實現違法采砂活動早發現、早制止、早處置以及加強河道采砂監管提供強有力的技術支持[4-6]。

1 河道采砂監管中無人機測繪技術的應用

無人機測繪技術屬于一種新型測繪技術，在航拍過程中能夠定位和記錄飛機姿態信息，通過空間立體模型解算及空中三角測量建立目標與影像之間的幾何關系。GPS輔助光束法平差技術的應用極大地減少了外業工作量，在實現免像控的情況下無人機航空攝影測量還能確保空三平差結果最終的精度。通過解譯和判讀數字正射影像即無人機遙感影像，并將獲取的相關證據、堆砂點及采砂點位置提交給監管部門，有利于監管人員快速達到現場實時處置和監察。總體上，河道采砂監管中無人機測繪技術的應用流程見圖1。

圖1 無人機測繪作業流程

步驟1：前期準備。以河道采砂區域、計劃等管理部門公布的文件為依據明確河道監管范圍，在確定所屬區域氣候條件、空域管控要求、可采期時間及可采取范圍的情況下，考慮飛行情況和時間合理選定機型，并辦理飛行備案。結合待測區地形條件制定飛行計劃，起降場地要符合無遮擋、堅固、平坦等要求。

步驟2：無人機外業測量。依據河道監管范圍以及飛行覆蓋區內建筑物的高度，對航線高度合理規劃。此外，航線方位角的確定應考慮風向、季節等因素，影像重疊度和分辨率要按照采沙場圖斑塊大小合理設定，然后對相機的ISO值合理設置。飛行過程中應關注電池電量、圖傳信號、RTK信號等信息，并確保RTK的全程開啟，堅持隨時人工干預、全程人工監測的原則保證飛行安全，完成飛行后還要對數據質量進行檢查。

步驟3：制作三維模型和正射影像。將無人機野外獲取的影像利用Contest Capture、Photo Scan等軟件進行空三加密處理，從而生成監測區內的數字正射影像和三維模型。

步驟4：解析非法采砂點。通過解譯業內制作的三維模型和正射影像確定堆砂點、采砂點，并測量堆砂量、采砂點的面積和位置等信息，然后將疑似非法堆砂點及采砂點信息提交給相應的監管部門，為后續核查提供數據資料。

2 實例應用

2.1 河道概況監測

朝陽市境內江河湖庫分屬于大凌河、小凌河等水系，河流縱橫交錯，地貌形態復雜。受河網密布、溪河點多面廣等條件限制，對河道非法盜砂行為利用常規監管巡查手段已難以及時發現[7]。朝陽市現有采砂河段多集中大凌河和小凌河流域，境內現有規劃可采砂區有17個。為了進一步整頓河道采砂秩序，嚴厲打擊非法采砂行為以及加強河道采砂監管，有必要引入無人機監測等巡查技術手段。

朝陽市小凌河河道采砂某監管段總長68km，海拔110m，干流段河寬210m，航飛高差150m。為確保監管范圍的全面覆蓋，即河岸周邊100m以及全部河道，設定此次無人機飛行范圍為河道中心線左右外擴250m，飛行面積共計35km2。為保證堆砂點及采砂點面積、坐標測量精度，監管范圍內的航測數據精度要符合1：1000的成圖規范要求。

2.2 外業數據采集

采用大疆精靈4RTK型航攝無人機，以滿足監測范圍和長度要求。該設備的圖傳距離可達到7km，最大續航時間30min，這是一臺搭載2000萬有效像素影像傳感器的輕型多旋翼無人機，其采集的高精度影像數據能夠滿足采砂點監測要求。此外，搭載高精度多系統多頻RTK GNSS的大疆精靈4RTK，不僅能夠記錄相機曝光文件及原始衛星觀測值，還支持實時差分定位技術及動態后處理技術，生成的POS數據精度能夠達到厘米級，從而完成免像控高精度航測任務。

根據飛行區域的特點確定無人機飛行方向為沿河流方向，此次監察飛行設定6條航線，設計航向與旁向重疊率均為80%，飛行速度和飛行高度為10m/s、250m，以6.85cm/像素為地面分辨率。該測區野外飛行測量作業共使用兩臺4RTK無人機，起飛架次共46次，測量飛行時間2d，共獲取8616張高精度航拍影像。

考慮測區范圍內的地貌形態特征，均勻選取168個明顯地區特征點，并按照業外控制點精度要求分別對其實地坐標進行量測，為內業檢查提供數據支持。

2.3 河道影像監測

1)制作測繪成果。采用Context Capture軟件處理航測內業數據，對新建工程導入相機參數、POS數據和影像，合理確定國家85高程系統及平面坐標CGCS2000系統，空中三角自動測量應用精準POS選項實現。完成空三作業后進行模型重建，從而生成DESM、DOM、OSGB格式的三維實景模型等測繪成果[8-9]。

2)快速影像拼接。常規正射影像生成流程與快速影像拼接流程基本相同，在影像存在重疊區域且確保影像之間連續的條件下，為實現數據的快速處理需要對影像進行抽稀，通過加快計算速率減少內業生成時間，該過程也會顯著降低測繪成果精度。

根據不同的獲取時間將監測數據劃分成四個測區，并完成相應的內業處理，其主要使用到Photo Scan軟件和無人機記錄的POS數據。該過程主要有DOM及DEM生成、空三加密計算、影像導入、模型建立、DOM成果導出等步驟，以某一測區為例簡要說明獲取過程：測區范圍為9.0km2，原始影像抽稀后成為961幅，在最低精度要求下空三時間為5分48秒，DEM處理、DOM處理和密集點云計算時間為18分20秒、30秒、19分5秒。以此為基準，可以估算出測區內DOM數據及DEM數據獲取時間約為1h。

3)精度分析。考慮測區范圍內的地貌形態特征，合理選取168個明顯地區特征點，并按照業外控制點精度要求分別對其實地坐標進行量測，作為檢查點。根據以上作業流程生成測繪產品的圖解坐標，并與檢查點進行對比分析：以附近野外控制點為基準，獲取內業加密點在常規航空攝影測量成果中的高程中誤差為0.21m、平面中誤差為0.18m，通過評價分析DOM影像數學精度發現，其成果質量符合內業規范精度要求；由于時效性原因快速影像拼接降低了空三精度，以附近野外控制點為基準，獲取內業加密點在快速影像成果中的高程中誤差為1.22m、平面中誤差為0.48m，且存在水面有孔洞、色彩失真、影像邊緣扭曲等問題，雖然成果質量不符合內業規范精度要求，但作為快速影像可以為執法服務及采砂監管迅速的提供執法依據、地理位置等信息。

2.4 正射影像圖解譯

為河道采砂監管及執法提供服務是制作快速影像圖的主要目的，因其時效性較強，通過人工判讀及影像解譯可以準確地判別堆砂點、采砂點以及明確其地理坐標。通過與可采取范圍的對比能夠判斷采砂點是否處于該范圍，并以此作為非法采砂點的判斷依據；另外，還可將開采區外的堆砂點列為重點監察對象，并對砂石來源進行深入調查。正射影像圖可以為快速執法提供證據，為河道采砂監管提供鞠策分析依據以及重要的數據基礎。

2.5 三維模型應用

將非法采砂點的地理坐標快速的提供給監管部門是快速影像圖的主要作用，對于具有較強時效性要求的會出現一定的不足，例如無高程數據、平面精度低、水面出現無數據漏洞以及部分地區受影響出現扭曲等。在解決以上問題上三維模型及數字正射影像圖具有較強適用性，并為后期采砂監管提供了條件：通過多次疊加對比正射影像圖能夠分析非法采砂，在現狀監管力度下的發展趨勢；三維模型能夠提供堆砂量、占地面積、堆砂點位置等數據信息。例如，即使堆砂場地后期實施了轉移，但通過三維模型提供的數據可以為非法采砂取證提供信息[10-11]。

2.6 成果分析

通過無人機側航分析總結河道采砂監測成果，結果發現可采取有堆砂點16處、采砂點14處，非可采取堆砂點4處、采砂點4處，詳見表1。

表1 無人機監測堆砂點及采砂點統計表

3 結 論

以朝陽市為例，深入探討了河道采砂監管中無人機測繪技術的應用要點及其作業流程，并以柳河流域為案例分析總結河道采砂監測成果，結果顯示監測范圍內采取有堆砂點16處、采砂點14處，非可采取堆砂點4處、采砂點4處。實際應用過程中無人機測繪技術雖然還有諸多不足之處，但作為一種遠程監測技術用于河道采砂監管能夠獲取大量的證據，大大降低野外作業的時間和人力投入，有利于采砂監管水平的提升。隨著科技的不斷發展，未來將地理信息系統與無人機測繪技術結合可實現河道采砂實時監管。