低空無人機遙感技術在河湖監管中的應用研究*

鄧仕雄，何清平，劉繼庚，汪 興，林國敏

（貴州水利水電職業技術學院，貴州 貴陽 551416）

河湖是維持地區生態環境平衡發展的有力支撐，也是經濟社會平穩運作的組成要素，更是保障居民生活水平和質量的重要部分。水是生命之源，保護水資源、改善水生態、優化水環境、刻不容緩。隨著我國經濟的快速發展，對河湖資源進行開發利用的規模加大和速度提高，影響了河湖的自然進化過程，對生態系統造成了嚴重的破壞。近年來，各地積極采取措施加強河湖管理和保護，取得了顯著的綜合效益，但河湖管理保護仍然面臨嚴峻挑戰，水環境污染問題日益突出[1]。如某些區域河湖污染物排放量居高不下，侵占河道、圍墾湖泊、非法采砂現象時有發生。

傳統人工巡河以徒步查看和船舶巡查為主，工作效率較低，存在缺乏準確預測且對河湖長決策缺乏有力支撐等問題。智慧河湖長制通過整合水利、環保、國土、農林等部門各種河湖管理基礎信息，實時向各級河長或工作人員提供不同層次、不同維度、不同載體的查詢，架構河湖生態聯動管理體系[2]。以信息技術來驅動河長制的有效運轉，提升河流管理科學化智能化，為各級河湖長管理提供有力的決策支撐，實現河長制建設的智慧化。無人機指無人駕駛飛行器，能夠自主或遙控飛行，能攜帶多種任務設備、執行多種任務，可一次性或多次重復使用的無人駕駛航空器，簡稱無人機（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）。隨著無人機與數碼相機技術的發展，基于無人機平臺的數字航攝技術已顯示出其獨特的優勢。作為傳統航空攝影測量手段的有力補充，無人機航測具有機動靈活、高效快速、精細準確、作業成本低、適用范圍廣、生產周期短等特點，在小區域和飛行困難地區高分辨率影像快速獲取方面具有明顯優勢。無人機航空攝影技術的成熟化，在水利行業發展中發揮了越來越重要的作用。根據水利業務需求，主要圍繞水土保持監管、河湖監管、水資源監管、水環境監測等業務方向，利用多源遙感影像監測技術，結合專業遙感影像處理軟件、圖斑變化自動識別等新技術，加工形成各類監測成果，為水利主管部門提供技術支撐。

高俊等[3]結合河湖“清四亂”工作的新形勢新要求及存在的問題，提出了利用“天地一體化”動態監管技術開展河湖“四亂”問題動態監管。紀煒之[4]針對河湖監管模式現狀與發展方向，提出了適應于未來河湖管理需求的河湖管理工作模式構想，進而為河湖監管提供了有力技術支撐。劉文壯等[5]結合無人機遙感技術的特點，根據應用的不同需求，探討了適用于河湖監管的幾種監測方法。本文在相關研究的基礎上，通過引入無人機遙感技術獲取高分影像，快速提取違法目標，在保證足夠精度的前提下提高違法目標的提取效率。

1 河湖監管關鍵流程

1.1 建設內容

著眼于智慧水利建設，緊扣河湖監管內在要求和涉河人員工作需求，整合相關資源，達到“直觀展示、實時監視、協同理事、智能考核、安全好用”的效果。實施河湖監督管理范圍內河湖“四亂”的遙感監測，主要對象為河道管理范圍內的圈占、圍墾、采砂場、岸灘邊取（堆） 土場、垃圾堆、建筑物和構筑物等，如表1 所示。

表1 河湖監管內容

1.2 技術流程及產品制作

根據項目區域概況，外業航飛前主要進行測區踏勘、設備檢查、判斷飛行環境是否滿足飛機的飛行要求、航高的確定、像片重疊度等相關工作；同時收集區域已有相關資料，結合任務書，制定無人機飛行方案并申請空域。航測外業內容主要包括航區劃分、像控點布設、像控點測量、野外調繪等。其中像控點應該選擇在航攝像片上影像清晰、目標明顯的像點，實地選點時，也應考慮側視相機是否被遮擋。對于弧形地物、陰影、狹窄溝頭、水系、高程急劇變化的斜坡、圓山頂、跟地面有明顯高差的房角、圍墻角以及航攝后有可能變遷的地方，均不應當作選擇目標。由于立體測圖的控制點要求為每個像對4～6 點，因此像控點布設在航向及旁向六度重疊范圍內，距像片邊緣不得小于1.5 cm，應選在旁向重疊中線附近；同時旁向重疊過小，相鄰航線的點不能公用時，可分別布點。航線兩端上下像控點在同一像對內相互偏離不應超過半條基線，規則區域網中間的像控點左右偏離不應超過一條基線。野外調繪一般包括確定地物類別、性質和屬性，補測地物，調查地理名稱等。內業的主要內容有航片掃描、數碼航片處理、空中三角測量、內判測圖、圖形編輯等內容。常規4D 產品主要指數字正射影像圖、數字高程模型、數字柵格地圖、數字線劃地圖以及復合模式組成。數字產品制作流程及內容如表2 所示。

表2 數字產品制作流程及內容

1.3 違法目標信息提取

以高分辨率影像為基礎，依托河湖水域岸線遙感軟件應用于典型河湖岸線遙感監管，形成遙感影像解譯—人工現場復核—線上問題下發—線下整治—線上審核的全流程監管模式，提高了監測效率和精度，以及問題處理的效率，對河湖水域岸線全方位、全過程監測管理、恢復河湖水域岸線生態功能具有重要意義，應用前景廣泛。具體采用人機交互識別方法，利用無人機影像，開展河湖“四亂”標志性地物解譯，非正規垃圾堆放點、毀林開荒和土地利用的解譯，以及各類對象的解譯和屬性錄入等。具體如下：一是制作解譯對象、標志；二是在地理信息軟件中建立河湖“四亂”相關屬性字段；三是參考解譯標志，利用地理信息軟件勾畫圖斑并填寫屬性信息；四是質量檢查。

2 模擬河湖違法目標提取試驗

本文基于上述技術流程，以貴州水利水電職業技術學院范圍為例，對校園內水塘進行模擬河湖違法目標提取試驗。測區內部地理信息豐富，包含內部道路、水域、建筑物、綠化景觀及山體等地物。本次試驗外業數據采集使用大疆精靈4 RTK 無人機進行拍攝取證，其中坐標系設置為CGCS2 000，數據采集天氣良好，航高設置80 m，航向重疊度80%，旁向重疊度70%，分辨率優于1 m，共獲取無人機影像816 張。測區像控點均勻分布情況，如圖1 所示。部分像控點坐標如表3 所示。無人機相機部分參數如表4 所示。內業數據處理采用航空攝影測量軟件PIX4D、GIS 軟件，試驗運行環境為Intel (R) Core (TM) i5-2430M CPU @ 2.40 GHz，運行內存為6 GB 的便捷式計算機。

圖1 像控點分布情況

表3 部分像控點坐標

表4 無人機相關參數

2.1 數據處理內容

基于高分辨率遙感影像，自動篩選嫌疑區，結合人工判斷，識別侵占河道、圍墾湖泊、非法采砂等違章區域，為執法提供可靠依據。通過采集區域內無人機影像，利用PIX4D 航測軟件進行數據處理并得到相關數字產品，如圖2 為測區的三維模型。最后將成果數據導入GIS 軟件中，新建違法目標字段，獲取研究區違法目標圖斑，構建水域違法目標一張圖。

圖2 試驗區三維模型

3 結束語

以無人機遙感技術獲取區域高分辨率影像，通過快速識別違法目標并與線下抽查核實相結合的方法能夠全面、及時、高效地監管目標，實時動態地監測河湖情況，不但可以及時了解水體污染狀況，更能為預防和控制河湖事故的發生和發展提供必要的依據。試驗證明，該技術在保證足夠精度的前提下提高了違法目標的提取效率。