基于無人機遙感的河道環境監測研究

廖劍波

(廣州市城市規劃勘測設計研究院 廣東廣州 510060)

加強河道環境監管，保護綠水青山，構建和諧的人水關系，是每個城市發展必須要正確面對的問題。從古代大禹治水到如今的“河長制”，我國積累了豐富的河道治理經驗，也取得了豐碩的治理成果[1]。但是，受到河道地形和自然條件限制等一些因素的影響，河道監管容易出現盲區，難以實現對監管河道和排污口的全面巡查和動態監測。隨著無人機技術的突飛猛進，無人機低空遙感為河道監管提供了更加豐富的技術手段。無人機設備作業機動靈活，無論是河道全流域的周期性監測，還是特殊地區的定點全天候高頻率監測，無人機航拍技術都能主動適應河道管理新常態的需要。無人機航拍技術為進一步深入河道精細化管理，提高外業巡查效率，提升外業執法的震懾力，提供了有力的技術支持，也較好地解決河道監管的“最后一公里”問題[2]。

1 無人機航拍技術與數據處理方法

隨著通信技術、計算機技術的快速發展，各種新型傳感器不斷出現，其體積小、重量輕、探測精度高的優勢應用于無人機技術，使無人機航拍技術應用領域得到迅速拓展。無人機種類多樣，應用于河道環境監測的主要有固定翼型無人機和多旋翼型無人機[3]。固定翼型無人機續航時間長，搭載能力強，適合大區域地形或整流域河道航拍監測；多旋翼型無人機輕巧靈活，作業機動，起降方便，適合外業人員攜帶到現場進行局部小面積航拍監測。

應用于河道環境監測的無人機航拍成果主要有數字正射影像（Digital Orthophoto Map，DOM）、航拍視頻、720°全景照片等。大面積數字正射影像的制作是通過固定翼型無人機進行航拍數據采集，經空三加密、絕對定向、微分糾正等步驟處理后生成。720°全景照片通過多旋翼無人機采集，經同名點匹配、投影變換和拼接勻色等步驟處理生成。使用多旋翼無人機，外業人員可實地規劃航線進行航拍視頻與照片采集。無人機航拍數據生產流程如圖1所示。

圖1 無人機航拍數據生產流程圖

通過對無人機航拍生產的高分辨率影像進行解譯，可對河道管理范圍內的建筑設施分布、自然環境情況進行監測和定位。對易發生違建或環境污染地區航拍并制作720°全景照片，能更加直觀、全面地展示河道重要節點的環境情況。針對受地形等因素影響，外業巡查難以到達的地區，可使用無人機自動巡航拍攝或人工操控定點拍攝的方法進行實地情況記錄，避免出現監測“死角”。

2 河道監測方法

河道水域動態監測主要包含河道環境監測、沿河水利設施監測、執法巡查監測和災情監測四大類。根據監測的特點和需求，可使用無人機航拍技術從全流域周期性監測、日常巡查監測和應急監測3 個層面實施作業，為河道水域動態監測提供技術支持。

2.1 全流域周期性無人機遙感監測

使用無人機對河道水域進行周期性全流域航拍作業，采集河道與周邊區域高分辨率影像，制作全流域正射影像圖。河道環境、沿河水利設施的變化會在不同時間序列的影像上表現出來。通過人工解譯對比，結合光譜分類后比較法和光譜直接比較法進行變化自動檢測，監測出變化地物，從宏觀角度掌握河道環境總體變化情況[4]。

根據河道水域流向和分布進行航飛航線設計，并沿河道界限適當外擴航拍范圍。在影像數據庫的基礎上按圖幅進行正射影像人工解譯，通過比對不同周期的影像，人工識別河道監測要素，并對變化的區域進行人工勾繪與整理，最后進行外業核查，保證變化監測的準確性，如圖2所示。

圖2 不同周期影像圖河道變化監測示意圖

通過對河道全流域的周期性影像比對，可較全面地檢測到河道水域的概況。通過影像比對，有助于管理部門對河道管理范圍內的違法建設、違法開墾種植和違法開采等非法行為的管控，將不合法、不合規的河道侵占行為控制在萌芽階段[5]。但是由于部分河道周邊植被茂盛，無人機航拍易被遮擋，人工巡查又難以實地到達，這就需要輕小型多旋翼無人機隨日常巡查現場航拍作業，以避免出現監測死角。

2.2 日常巡查遙感監測

日常巡查是河道水域監測的主要組成內容，各地“河長制”已基本落實，河道管理職責也細化到各網格管理員，多旋翼無人機機動靈活的特點，將大幅提高日常巡查的效率和現場執法的精準程度。多旋翼無人機攜帶方便，回收快捷，適合外業巡查單兵使用，大多數多旋翼無人機使用電能驅動，操控簡單且對起降場地要求極低，飛行通信距離可超過2 km且能進行航拍視頻實時傳輸。無人機操控端可進行航拍線路實時規劃，并且航拍照片可寫入其曝光時刻的定位信息，方便外業巡查人員取證拍攝和資料整理，如圖3所示。

圖3 多旋翼無人機航拍河道違建取證示意圖

對于河道交匯處、河道水利設施所在地以及其他易發生污染的地區，在常規監測外業，可使用多旋翼無人機進行720°全景影像采集作為監測數據的補充，如圖4所示。全景影像以第一人稱視角對監測點進行全方位的直觀展示，有助于內業專家對復雜情況的研判。720°全景影像可分享發布到移動端，并且可進行裸眼VR效果顯示，實用方便。

圖4 河道監測點720°全景照片截圖

2.3 應急監測

水是生命之源，河道的突發性污染或洪澇災害，都會直接影響人民生命財產的安全[6]。河道污染傳播速度快，影響時間較長。所以，在河道環境安全出現的緊急情況時，無人機航拍將會為應急監測救援提供快速高效的技術支持，助力現場指揮決策。

在發生險情時，無人機可以克服交通不便、次生災害危險等不利因素，快速抵達事發地空域，監測險情發展情況，實時傳送監測圖像到應急指揮機構。對工業污水夜間偷排污染河道的情況，可使用搭載紅外攝像頭的無人機進行夜航監測，還可利用溫差因素，監測到隱蔽排污點和污染物擴散情況[7]。發生洪澇災害時，在常規航拍監測之外，還使用無人機航拍設備的鎖定追蹤功能，如圖5 所示。搜索并跟蹤航拍河道中落水人員或特殊漂浮物。在追蹤過程中，根據無人機回傳的實時拍攝位置和拍攝角度，可換算出被追蹤物的坐標，為水面應急救援或下游攔截提供準確信息[8]。

圖5 無人機跟隨模式航拍示意圖

制訂完善的應急監測保障預案是應急監測順利、高效進行的前提。在日常作業中，必須組織無人機應急航拍隊伍定期進行應急模擬演練，確保應急作業流程熟練、技術過關、配合默契。

3 案例應用

本文以廣東省某城區河道水域環境監測工作為例，說明無人機航拍技術在河道變化監測方面所發揮的重要作用，監測工作具體作業流程見圖6。

圖6 河道環境監測流程圖

該區河道密布，且西部以丘陵地形為主。該區域以往的河道水域監測以人工巡查方式為主，工作效率低且巡查容易出現遺漏。2016年起開始采用無人機航拍技術對境內河道水域進行變化監測，當年度共進行2次整區域的無人機航拍作業，航拍時間相隔5個月，并制作整區域高清影像圖用于河道環境變化監測。日常巡查使用輕小型多旋翼無人機進行輔助作業，并制訂了河道應急監測預案，組建應急隊伍，以應對河道水域環境突發狀況。近2年該區某鎮監測成果如表1所示。

表1 鄉鎮河道水域變化監測成果統計 （單位：個）

無人機航拍技術為該區的河道監測工作提供了有力的技術支持，提升了巡查工作的效率和精準程度，發揮了積極作用[9]。

4 結語

本文針對傳統河道監管中存在的技術問題，根據無人機航拍技術的優勢，結合相關實例，提出并探討了無人機航拍技術在河道水域環境監測中的應用方法。無人機航拍技術也存在城區復雜環境易受信號干擾、山區易受氣流影響，大面積航拍成果處理周期長等缺點。隨著科技的不斷進步，無人機航拍技術將更貼近河道環境監測的需求，也會產生更科學、高效的解決方案。本文論述的無人機航拍技術在河道水域環境監測中的應用方法，也可以在其他類自然資源環境監測中推廣和借鑒。