無人機和GIS 技術在河道巡查中的應用

趙 瑞

（曹縣環境衛生服務中心，山東 曹縣 274400）

無人機技術的靈活性比較強，且其技術的使用成本比較低，在眾多優勢因素的影響下，能夠借助無人機技術得到較為高清的河道視頻以及全景照片，排查疑似涉水違法的建筑設施，找出疑似違建對象的具體地理位置以及特征等。應用無人機和GIS 技術開發使用河道違建管理系統，并對這部分疑似違建對象成果進行高效的信息監管。這一技術和傳統的技術進行對比，其不管是效率還是質量方面都會有所提升，并且在后續使用的過程中，能夠打破無人機性能方面的限制，其效率的提升空間會比較大，有助于開展無違建河道等相關創建工作，應該進一步的推廣及使用該項技術。

1 問題提出背景

當前，我國某省水利廳已經開展了無違建河道的工作，想要進一步的加快該項工作的創建進程，相關的河道管理部門就需要實地勘測，摸底調查河道的實際狀況，從而全面且精確的掌握違建的信息。在傳統的調查模式下，其所使用的方法主要是人工巡查以及衛星遙感影像，其中使用人工進行巡查時，所耗費的人力以及物力資源會比較多，并且人工巡查工作的開展效率會比較低，實際工作實施周期和時間較長，并不能達到理想的預期目標。應用衛星遙感影像開展調查工作的效率會比較高，同時其還具備全面覆蓋等優勢，但是一些地區的河道蜿蜒曲折，所需要調查的范圍比較廣，這一影像獲取的資金費用較高，并不能及時的進行更新，所以其在實際應用階段會受限。近些年來，我國無人機技術的發展趨于成熟，特別是在低空數據采集領域及所產生的作用尤為關鍵，可以供給航空衛星遙感數據，對其數據內容進行補充和完善，因此需要分析無人機和GIS 技術在河道巡查中的應用，利用該技術巡查河道，構建巡查體系，賦予河道違建管理工作更強的信息化特性。

2 河道巡查中無人機數據采集與處理

2.1 無人機數據采集和處理

2.1.1 前期準備

無人機在采集各項數據信息之前，必須要巡查河道，收集整合與其相關的資料數據，并對巡查區域的河流走向以及地形地貌等狀況進行全面化的分析，掌握其重要設施的實際情況，規劃實際巡查路線，并設定好巡查的日期。在到達現場之后，針對可能影響到飛行的危險因素進行全面的排查，其會涵蓋技術風險、質量風險等，要明確的注明飛行航路上的高層建筑、橋梁以及電力線路等。特別是電氣化、高鐵等對于數據信息的干擾影響，探明其周圍是否存在軍用設施等相應的敏感區域。

2.1.2 視頻拍攝與處理

在使用無人機巡查拍攝河道資料時，應當優先選擇晴朗的天氣，其濃見度要超過五千米，控制好飛行的高度，讓其處于相對高度50 米至100 米的范圍，這樣才可以保障其分辨率達標，結合現場河流的實際寬度，對其飛行高度進行調整，必須要保障其巡查拍攝覆蓋的范圍足夠充裕，并且無人機在飛行階段不能劇烈的抖動或者急轉彎等。[1]拍攝視頻時，要應用GPS等系統進行相關的定位，同步采集相應的飛行路徑，視頻成果應用非線性視頻編輯軟件，比如AfterEffects或者EDIUS 等軟件進行剪輯，將無關的內容刪掉，保留好重要的視頻。目標內容在精剪或者初剪原始素材之后，要重新確認視頻沒有存在任何的遺漏點，切實的保障視頻發布格式的質量。通過觀看這部分視頻，能夠對比出較為明顯的地物，讓其能夠始終處于流暢的環境下，盡可能地提高其拍攝視頻的真實性以及清晰度，針對其實際查到的疑似違法建筑設施提取視頻資料，同時跟蹤標注好這部分疑似違法的建筑設施。

2.1.3 空中全景拍攝與處理

在使用無人機全景拍攝重點區域的階段，實際的飛行高度必須要以航拍地點的地形等為基準進行設定，必須要確保其拍攝能夠覆蓋整個拍攝區域。結合實際拍攝天氣以及光線等環境狀況，適度調整相機拍攝參數，防止其畫面曝光，要確保畫面沒有噪點，以無焦距偏移為拍攝的準則，多幅影像航攝參數必須要保持高度的一致性。[2]在現場拍攝的階段，檢驗航拍數據，如果其數據質量不達標，那么就必須要對航拍的參數進行調整，一直到其參數能夠達到要求標準。在具體作業時，無人機需要長期的穩定在某一高度上空懸停，由作業人員觀測監控器，每張平面照片要設置最少十分之七的重合部分，拍攝五圈約33 張照片。應用KolorAutopanoGiga、Pano2vr 等相應的軟件制作全景圖，之后再使用Photoshop 軟件，調整全景照片的色溫以及色調。通過調整陰影、對比度等相關的參數，讓全景圖的色彩變得更好，同時還可以保障其拍攝資料的清晰度。在拼接圖片時，必須要預覽拼接的結果，并實時的調整其拼接的狀態，必須要保證無縫銜接，沒有任何的重影，針對不能拍攝到的天頂區域，要從地面位置去補拍天空或者在后期去合成天空的素材。

2.2 河道疑似違建信息判別和提取

首先，堤腳線清晰明朗，要以堤腳線為基礎，在其范圍當中去排查疑似的違法建筑設施。

其次，現狀堤腳線不能進行判別時，那么臨河緊鄰河道構建的建筑設施會被當作疑似違法建筑設施。

最后，現狀堤腳線不能進行判別時，緊鄰河道的距離為七米，所構建而成的獨立建筑設施被當作疑似違法建筑設施。針對這部分疑似違法建筑設施，要結合視頻影像資料，從中提取出關鍵的圖片，并在圖片中標注出相應疑似違法建筑設施，在GoogleEarth 中提取一系列的坐標信息，應用ArcGIS 軟件計算出面積，同時調查疑似違法建筑設施的坐落位置，將相關的違法建筑設施信息填寫表中，要明確注明建筑設施的具體面積以及位置圖等[3]。

3 基于GIS 的河道巡查系統開發

3.1 GIS 信息管理系統的建設

3.1.1 空間數據庫和屬性數據庫建設

構建空間數據庫的目的就是為了能夠高效合理的管理空間數據庫，利用其所存儲的空間數據引擎，供給應用系統服務。屬性數據庫主要是用來管理非空間的數據信息，同時調整屬性數據庫以及空間數據庫之間所存在的連接關系，保持二者的良好對應狀態，讓屬性數據和空間數據較好地連接在一起，防止其出現數據傳輸斷裂等方面的問題。

3.1.2 空間數據和屬性數據的錄入

系統需要錄入屬性信息以及整治信息、評估信息、地理基礎數據信息等這部分動態空間數據內容，同時其還具備較強的編輯功能，需要在作業時分析業務的實際發展，需要構建數據空間關系，將數據信息合并在一起，歸納整理各類數據信息，及時的開展空間關系調整等各類具體操作活動。屬性信息會受到時間節點的變化而產生改變，要錄入屬性信息，發揮出其編輯的功能，將其所編輯之后的數據信息存儲到相應的數據庫當中，讓其能夠和臺賬信息管理系統保持共用的狀態。

3.1.3 現有數據處理和錄入

想要實現數字化的數據庫管理目標，就必須要高效地處理現有的數據信息，例如可以在開展河道治理工程時，利用CAD 文件讓其能夠改動生成為SHAPE 圖形文件等。

3.2 系統具有的主要功能

首先，系統可以錄入數據信息，其所錄入的數據信息會包含屬性信息以及空間信息等，對這些數據信息進行補充或者編輯的處理。

其次，系統具備信息發布的功能，其能夠將屬性信息以及治理空間等數據信息整合在一起，統一性地進行發布，這樣各級的用戶就能夠利用該系統瀏覽并查閱和安全評估排查等相關工作的內容。

再次，系統具有信息查閱的功能，其查閱的結果較為多元化，能夠選擇更為豐富的形式輸出最終的查閱結果。不管是表到圖，還是圖到表的查閱，功能都會較為便捷。

最后，系統具備信息統計的功能，可以統計分析排查信息以及管養信息等。

3.3 系統設計與關鍵技術

河道巡查管理體系離不開計算機軟件的支持，以GIS 技術為基準，在衛星地圖上顯示出河道的疑似違建信息，可以統一化的管理這部分疑似違建對象的屬性資料，并快速的查詢相應的視頻以及全景成果，使得各項工作的開展便捷性優勢更強，可以協助監督河道的拆違控違工作開展現狀，該系統實行B/S 架構，應用數據庫存儲飛行路徑、疑似違建等一系列的信息，使用JavaScript 等相關技術去開發網頁端的功能。[4]地圖聯動以及河道巡查視頻是該系統當中較為重要的一類技術，在視頻內河道巡查至指定位置后，地圖能夠動態性的定位，達到聯動更新的目的，這樣可以賦予地圖以及視頻聯動的功效。要對視頻當中的地理空間位置進行解析的處理，結合時間軸繪制相關的字幕文件，將地理空間位置信息存儲到其中，該系統在播放視頻資料時，可以使用流媒體插件Ckplayer 的監聽函數，將其當前播放的時間信息截取出來，動態刷新地圖的位置點。

3.4 系統信息的動態編輯與更新

當前，我國國民經濟的發展速度極快，這就使得各類基礎設施的建設進度越來越快，尤其是在水污染治理方面，大量地開展河流綜合治理等各項水利工程活動，分解治水提質等各項任務，這樣河道基礎空間數據信息以及相關的隱患排查數據內容就會產生很大的變化，往往會處于一種動態的分布狀況，要應用其系統所開發研制出的數據編輯功能，編輯并處理屬性以及空間信息，確保河道空間信息能夠及時的反饋出河道的最新動態，賦予其系統更強的生機及活力。

3.5 系統實現與展示

當前，人們的生活質量越來越高，這就使得水資源使用率以及水資源的需求矛盾問題變得越來越嚴重，我們需要合理的借助信息技術方式來緩解這一矛盾，探索GIS 技術和無人機技術信息化的具體表現方式，將其技術投入到河道巡查工作當中，能夠使其工作的范圍變得更大，同時應用的深度也會變得越來越深。當前，我國河道巡查的使用方式已經能夠由原本的單一性可視化使用過度發展為將預測、模擬等多項功能整合在一起的復雜性使用，并且其功能也會變得更加的豐富，能夠分析比較各類地理信息變化，統一打包使用空間分析以及數據收集等多項功能。合理的應用GIS 和無人機系統，能夠幫助河道巡查人員開展項目的總體規劃設計工作，同時還可以對河道工作的過程以及質量進行嚴格的管控，整體工作的效率會比較高，可以促進我國河道巡查工作的開展。該河道巡查系統會將網絡切片服務當作地理的底圖，在影像地圖以及矢量地圖之間進行轉換，其帶有較強的基礎地理信息操作性能，河道巡查的成果展示功能會比較豐富。

首先，其能夠巡查河流，完善無人機空中的視頻，并借助流媒體等多項技術去播放。多旋翼無人機采集的河道上，空線性收集整合的視頻資料，其視角的應用可以較為清晰且完整的覆蓋規定范圍當中的建筑設施狀況，同時還可以較為直觀的反饋出河流的概貌。

其次，河道巡查具備河流定位的功能，可以把河流的矢量圖形發布至網絡地圖服務，應用GIS 的空間分析功能，查詢河流的名字，精確河流圖形的具體位置點，對其進行定位的處理。

最后，河道巡查能夠查看違章的詳情狀況，應用表格的方式，將河流的違章詳細情況完整的展示出來，其會涵蓋違章點的違章建筑標記、違章點二級定位等各項信息，方便觀看違章段的視頻以及相應的展示界面。

4 結語

河道巡查是水務管理工作的一項重要任務，目前國內外在這方面的信息系統都較為缺乏，國家也沒有提供相關的技術標準和相關規范，水務行業其他信息系統建設也較為不足，通過建設該系統可以對原有數據資源進行有效整合，建立起標準統一、格式一致、查詢檢索便捷、擴充性強的河道GIS 平臺，為后繼的其他相關業務提供統一入口，也為目前的河道管理工作提供技術支持，提高工作效率。我國無人機技術的使用范圍以及應用頻率比較高，同時GIS 技術也會在其領域當中彰顯出其技術自身的作用，將GIS 技術和無人機技術整合在一起，能夠進一步推動我國水利行業的發展進程，幫助水利行業調查流域、減災、防災等，同時提供給水利工程管理工作更為優質、高效的服務。