海域海島監(jiān)視監(jiān)測(cè)體系研究及在南沙區(qū)的應(yīng)用

張有鵬,宮厚誠(chéng)

(1.廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 廣州 510060;2.廣州市資源規(guī)劃和海洋科技協(xié)同創(chuàng)新中心 廣州 510060;3.廣東省城市感知與監(jiān)測(cè)預(yù)警企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣州 510060)

0 引言

隨著國(guó)家海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的實(shí)施,各地用海用島需求逐漸增長(zhǎng),用海用島矛盾日益突出[1],為滿足海域海島綜合管理的需求,強(qiáng)化海洋資源監(jiān)管,需要開展海域海島動(dòng)態(tài)監(jiān)視監(jiān)測(cè)工作,無(wú)人機(jī)低空遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)在各行各業(yè)有著廣泛的應(yīng)用,將無(wú)人機(jī)低空遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用到海域海島監(jiān)視監(jiān)測(cè)工作中并建立以無(wú)人機(jī)為主的監(jiān)視監(jiān)測(cè)平臺(tái),將有效提高海域海島監(jiān)視監(jiān)測(cè)工作的整體水平。

1 海域海島動(dòng)態(tài)監(jiān)視監(jiān)測(cè)

海域海島動(dòng)態(tài)監(jiān)視監(jiān)測(cè)是利用遙感、通信、地理信息系統(tǒng)等技術(shù),通過衛(wèi)星遙感、航空遙感、視頻監(jiān)控、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等技術(shù)手段獲得目標(biāo)海域、海島等的空間資源、開發(fā)利用情況、疑點(diǎn)疑區(qū)等信息,為海域海島綜合管理工作提供決策支持。

1.1 工作業(yè)務(wù)及內(nèi)容

海域海島動(dòng)態(tài)監(jiān)視監(jiān)測(cè)是對(duì)海島、海域、岸線、海岸帶等的監(jiān)測(cè)。根據(jù)監(jiān)測(cè)工作業(yè)務(wù)內(nèi)容,可分為使用狀況監(jiān)視監(jiān)測(cè)、空間資源監(jiān)視監(jiān)測(cè)、監(jiān)視監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理應(yīng)用。

(1)使用狀況監(jiān)視監(jiān)測(cè):主要是對(duì)工程建設(shè)用海用島項(xiàng)目、海岸帶整治修復(fù)項(xiàng)目、圍填海項(xiàng)目等實(shí)施前、實(shí)施中和實(shí)施后3個(gè)階段中用海用島的界址、面積、項(xiàng)目進(jìn)展、施工方式、登記及確權(quán)情況等進(jìn)行監(jiān)視監(jiān)測(cè)。另外,還包括針對(duì)用海用島疑點(diǎn)疑區(qū)位置、面積、使用方式、實(shí)際用途等進(jìn)行的連續(xù)性或周期性的監(jiān)視監(jiān)測(cè)。對(duì)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)變化的單元進(jìn)行核查,將核查信息報(bào)告給海域海島監(jiān)管部門。此外還有應(yīng)對(duì)突發(fā)情況和針對(duì)應(yīng)急區(qū)域內(nèi)用海用島位置、現(xiàn)場(chǎng)情況的應(yīng)急監(jiān)視監(jiān)測(cè)。

(2)空間資源監(jiān)視監(jiān)測(cè):主要是對(duì)海島資源開發(fā)利用情況,對(duì)海岸帶、灘涂、河口、海灣的分布、面積、類型、變化情況及對(duì)岸線類型、長(zhǎng)度、變化等情況進(jìn)行監(jiān)測(cè),及時(shí)掌握相關(guān)情況,如發(fā)現(xiàn)重大變化產(chǎn)生,還應(yīng)及時(shí)報(bào)告海域海島監(jiān)管部門。

(3)監(jiān)視監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理應(yīng)用:監(jiān)視監(jiān)測(cè)工作中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)主要包括海域海島的基礎(chǔ)地理信息、使用權(quán)屬信息、遙感數(shù)據(jù)、地面監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)等。對(duì)監(jiān)視監(jiān)測(cè)工作中采集的這些多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合處理、分類組織、整理入庫(kù)、定期更新,維護(hù)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、完整性和現(xiàn)勢(shì)性。利用監(jiān)視監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)海域海島現(xiàn)狀、變化、存在問題等情況進(jìn)行分析評(píng)價(jià)和對(duì)海域海島管理提供決策支持,如海域海島利用現(xiàn)狀統(tǒng)計(jì)分析,海域海島空間資源狀況分析評(píng)價(jià)、海洋功能區(qū)劃實(shí)施情況分析等。

1.2 海域海島監(jiān)視監(jiān)測(cè)技術(shù)手段

當(dāng)前海域海島監(jiān)視監(jiān)測(cè)技術(shù)手段,主要為衛(wèi)星遙感監(jiān)視監(jiān)測(cè)、航空遙感監(jiān)視監(jiān)測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程視頻監(jiān)視監(jiān)測(cè)。

2009年投入運(yùn)行的國(guó)家海域動(dòng)態(tài)監(jiān)視監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)已納入遙感、地面定點(diǎn)監(jiān)視和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查等多種監(jiān)視監(jiān)測(cè)手段,在海域海島管理中發(fā)揮了積極作用[2],但在實(shí)際應(yīng)用中監(jiān)視監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)現(xiàn)勢(shì)性較缺乏,監(jiān)視數(shù)據(jù)更新周期較長(zhǎng)[3],沒有很好地利用無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

2 無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)在監(jiān)視監(jiān)測(cè)中的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用

無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)作為一種新興的高分辨率遙感實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)手段,在測(cè)繪、農(nóng)業(yè)、電力、救援等方面有著廣泛的應(yīng)用,與衛(wèi)星遙感、航空遙感、實(shí)地監(jiān)測(cè)相比,無(wú)人機(jī)低空遙感具有頗多優(yōu)點(diǎn)[4],如無(wú)人機(jī)航飛高度較低,故有較高的地面分辨率,能直觀地反映監(jiān)測(cè)區(qū)域現(xiàn)狀情況,且不受云層遮擋的影響,拍攝窗口時(shí)間長(zhǎng);無(wú)人機(jī)航飛對(duì)起降場(chǎng)地的要求較低,起降靈活,重訪周期短;無(wú)人機(jī)輕便,移動(dòng)性好,操作簡(jiǎn)單,對(duì)作業(yè)員的專業(yè)性要求不高;無(wú)人機(jī)也可搭載不同傳感器獲取多源數(shù)據(jù)以滿足不同任務(wù)的需求。

將無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)應(yīng)用于海域海島監(jiān)視監(jiān)測(cè)工作中,可有效提高監(jiān)視監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)能力[5],與衛(wèi)星遙感、航空遙感、實(shí)地監(jiān)測(cè)一同形成“高空、近空、低空和地面”的立體監(jiān)視監(jiān)測(cè)體系,全面提升海域海島監(jiān)管水平。

3 無(wú)人機(jī)監(jiān)視監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)管理平臺(tái)

近些年,無(wú)人機(jī)在海域海島監(jiān)視監(jiān)測(cè)工作中應(yīng)用越來(lái)越廣泛,使用越來(lái)越頻繁,但在逐步發(fā)展過程中存在作業(yè)模式分散孤立、監(jiān)視監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理及質(zhì)量控制方法各有差別、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)未高效整合管理、監(jiān)測(cè)信息難以共享、不能及時(shí)有效地掌握各類海域海島信息等問題[6-7],為提升海域海島監(jiān)視監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)作業(yè)任務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)化、流程化,提升無(wú)人機(jī)作業(yè)效率和保證數(shù)據(jù)質(zhì)量,促進(jìn)監(jiān)視監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)信息化管理,有必要建立無(wú)人機(jī)監(jiān)視監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)管理平臺(tái)。

根據(jù)政府監(jiān)管部門相關(guān)要求及標(biāo)準(zhǔn),整合衛(wèi)星遙感、航空遙感、實(shí)地監(jiān)測(cè)、低空遙感等信息資源,結(jié)合現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)信息平臺(tái),采用信息化技術(shù)手段建立滿足海域海島管理需求的監(jiān)視監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)從全方位立體監(jiān)測(cè)南沙區(qū)海域海島的使用和發(fā)展變化情況(圖1)。

圖1 平臺(tái)架構(gòu)Fig.1 Diagram of the platform architecture

監(jiān)視監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)主要由無(wú)人機(jī)業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)、監(jiān)視監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理應(yīng)用3個(gè)子系統(tǒng)組成。實(shí)現(xiàn)任務(wù)安排執(zhí)行、監(jiān)視監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)接收處理、監(jiān)視監(jiān)測(cè)成果綜合展示等業(yè)務(wù)化運(yùn)行。

無(wú)人機(jī)業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)主要包括任務(wù)制定、任務(wù)規(guī)劃、飛行狀態(tài)、數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理分析。實(shí)現(xiàn)監(jiān)視監(jiān)測(cè)單位或監(jiān)管部門監(jiān)視監(jiān)測(cè)任務(wù)制定和派發(fā),監(jiān)視監(jiān)測(cè)單位作業(yè)人員根據(jù)任務(wù)情況進(jìn)行航線布設(shè)等任務(wù)規(guī)劃,任務(wù)執(zhí)行過程中飛行狀態(tài)監(jiān)控,監(jiān)測(cè)視頻影像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)預(yù)覽、任務(wù)數(shù)據(jù)下載傳輸、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制及數(shù)據(jù)處理、數(shù)字高程模型(DEM)及數(shù)字正射影像圖(DOM)成果制作等功能。

監(jiān)視監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)由海島管理、海域管理、疑點(diǎn)疑區(qū)、應(yīng)急監(jiān)測(cè)組成。利用系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理功能,對(duì)海域海島基礎(chǔ)地理信息、使用確權(quán)數(shù)據(jù)、海洋功能區(qū)、遙感影像數(shù)據(jù)、監(jiān)視監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等進(jìn)行統(tǒng)一管理,實(shí)現(xiàn)海島海域的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。海島管理可以直觀地展示監(jiān)視監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)海島空間分布、三維模型、開發(fā)利用情況、權(quán)屬情況、地形圖、正射影像圖等圖層疊加展示等功能。海域管理展示海域用海情況、海域權(quán)屬、海岸線、海域功能區(qū)規(guī)劃、用海視頻監(jiān)控等內(nèi)容。疑點(diǎn)疑區(qū)實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)疑點(diǎn)疑區(qū)區(qū)域自動(dòng)或半自動(dòng)識(shí)別、疑點(diǎn)疑區(qū)專題圖制作、疑點(diǎn)疑區(qū)統(tǒng)計(jì)報(bào)表生成、疑點(diǎn)疑區(qū)推送等功能。應(yīng)急監(jiān)測(cè)可實(shí)時(shí)回傳現(xiàn)場(chǎng)航飛影像視頻資料,實(shí)現(xiàn)影像圖自動(dòng)拼接融合,方便管理部門第一時(shí)間掌握現(xiàn)場(chǎng)情況并及時(shí)給出決策。

數(shù)據(jù)管理應(yīng)用系統(tǒng)主要由基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、規(guī)劃管理數(shù)據(jù)、監(jiān)視監(jiān)測(cè)作業(yè)數(shù)據(jù)及成果數(shù)據(jù)管理組成。將不同技術(shù)手段獲取的不同類型數(shù)據(jù)按統(tǒng)一格式轉(zhuǎn)換入庫(kù),實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)融合統(tǒng)一管理,對(duì)各期監(jiān)視監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析,生成各類成果圖表,實(shí)現(xiàn)監(jiān)視監(jiān)測(cè)信息的動(dòng)態(tài)化管理,為海域海島綜合管理提供決策依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

4 南沙區(qū)海域海島監(jiān)視監(jiān)測(cè)應(yīng)用

4.1 海島開發(fā)利用監(jiān)視監(jiān)測(cè)

2020年的無(wú)居民海島的現(xiàn)狀調(diào)查工作摸清了南沙區(qū)無(wú)居民海島開發(fā)利用情況。在此基礎(chǔ)上每個(gè)季度采用“無(wú)人機(jī)+現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查”的方式進(jìn)行無(wú)居民海島開發(fā)利用情況的監(jiān)視監(jiān)測(cè)。利用無(wú)人機(jī)對(duì)海島進(jìn)行航攝和全景照片的拍攝,制作0.2 m 分辨率的正射影像圖和海島全景照片,為確定開發(fā)利用要素信息提供依據(jù),根據(jù)影像圖提取開發(fā)利用圖斑,對(duì)于通過影像和全景圖難以判斷開發(fā)利用情況的,采取登島現(xiàn)場(chǎng)核查的方式進(jìn)行開發(fā)利用情況的調(diào)查。無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)手段的引入,大大地提升了監(jiān)測(cè)頻率,降低了監(jiān)測(cè)成本。

4.2 疑點(diǎn)疑區(qū)監(jiān)視監(jiān)測(cè)

對(duì)南沙區(qū)海域及無(wú)居民海島進(jìn)行疑點(diǎn)疑區(qū)監(jiān)視監(jiān)測(cè)工作,根據(jù)最新正射影像圖與上期正射影像圖疊加對(duì)比,實(shí)現(xiàn)疑點(diǎn)疑區(qū)圖斑提取。通過對(duì)圖斑進(jìn)行判斷和調(diào)查,發(fā)現(xiàn)近2年疑點(diǎn)疑區(qū)區(qū)域主要分布在大虎島及周邊海域、上橫檔島、屎船沙,龍穴島及萬(wàn)頃沙海域,涉及類型主要為施工填土、碼頭建設(shè)及房屋建設(shè)。上橫檔島無(wú)人機(jī)正射影像對(duì)比及疑點(diǎn)疑區(qū)(白線范圍)提取如圖2所示。

圖2 上橫檔島兩期正射影像對(duì)比Fig.2 Comparison of two periods of orthophotos on Shanghengdang Island

4.3 海岸線監(jiān)視監(jiān)測(cè)

根據(jù)2019年海岸線修測(cè)成果,疊加每期正射影像圖,監(jiān)測(cè)海岸線變化情況。從影像圖中可以快速地獲取岸線變化長(zhǎng)度、類型等信息,進(jìn)而準(zhǔn)確地判斷海岸線變化情況。根據(jù)近3年監(jiān)視監(jiān)測(cè)結(jié)果,海岸線變化主要為港口、碼頭、水閘等涉海建設(shè)行為產(chǎn)生的變化。

4.4 圍填海、涉海工程監(jiān)視監(jiān)測(cè)

利用無(wú)人機(jī)遙感、實(shí)時(shí)視頻等手段對(duì)圍填海、涉海建設(shè)工程等進(jìn)行監(jiān)視監(jiān)測(cè),及時(shí)掌握工程進(jìn)展、施工類型、施工方法、工程規(guī)模等情況,依據(jù)正射影像圖、航拍照片等制作專題圖件,對(duì)產(chǎn)生的違法行為及時(shí)進(jìn)行預(yù)警,為主管部門監(jiān)管提供依據(jù)。

4.5 應(yīng)急監(jiān)視監(jiān)測(cè)

收到應(yīng)急監(jiān)視監(jiān)測(cè)任務(wù)的第一時(shí)間通過無(wú)人機(jī)監(jiān)視監(jiān)測(cè)平臺(tái)快速進(jìn)行飛行任務(wù)規(guī)劃和分配,無(wú)人機(jī)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集過程中,實(shí)現(xiàn)視頻圖像實(shí)時(shí)傳輸處理,飛行與出圖同步進(jìn)行,在第一時(shí)間提供現(xiàn)場(chǎng)的影像數(shù)據(jù),為指揮調(diào)度提供重要資料,助力應(yīng)急事件快速處理(圖3)。

圖3 應(yīng)急監(jiān)測(cè)航拍Fig.3 Emergency monitoring aerial photography

4.6 海岸整治修復(fù)項(xiàng)目監(jiān)視監(jiān)測(cè)

對(duì)海岸帶整治修復(fù)項(xiàng)目進(jìn)行監(jiān)視監(jiān)測(cè),通過無(wú)人機(jī)、實(shí)地巡查等手段對(duì)修復(fù)區(qū)域及周邊區(qū)域進(jìn)行航飛、拍照、測(cè)量等,記錄修復(fù)各階段情況,及時(shí)掌握項(xiàng)目進(jìn)展情況,為項(xiàng)目管理和監(jiān)管提供重要依據(jù)(圖4)。

4.7 三維立體模型

對(duì)海島海域等進(jìn)行無(wú)人機(jī)監(jiān)視監(jiān)測(cè)的過程中,生產(chǎn)正射影像的同時(shí)可以產(chǎn)出三維立體模型,三維模型數(shù)據(jù)能夠作為海域海島特別是海島管理的基礎(chǔ)性資料,增強(qiáng)海島的展現(xiàn)效果,為海島管理提供了有效的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。利用大疆精靈旋翼無(wú)人機(jī)搭載可見光相機(jī),獲取舢板洲三維立體模型,直觀地呈現(xiàn)了舢板洲全貌和開發(fā)利用情況(圖5)。

4.8 海島綜合測(cè)量

使用固定翼飛機(jī)搭載可見光、激光雷達(dá),對(duì)海島進(jìn)行航拍,生成DEM、DOM、數(shù)字線化圖(DLG)、激光雷達(dá)(LiDAR)點(diǎn)云等測(cè)繪成果,從而實(shí)現(xiàn)提取海島面積、地形地貌、植被覆蓋情況、岸線類型及長(zhǎng)度等信息,為海島管理和利用提供基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)(圖6)。

4.9 無(wú)居民海島現(xiàn)狀及規(guī)劃分析

基于南沙區(qū)無(wú)居民海島開發(fā)利用監(jiān)視監(jiān)測(cè)成果,綜合分析無(wú)居民海島的開發(fā)利用情況、土地利用情況、權(quán)屬情況、海洋功能區(qū)劃、城市總體規(guī)劃、控制性詳細(xì)規(guī)劃、自然保護(hù)地情況、國(guó)土空間規(guī)劃、開發(fā)利用計(jì)劃等,充分利用測(cè)量監(jiān)測(cè)成果進(jìn)行規(guī)劃分析,為海島管理提供了更深層次的調(diào)查成果和決策支撐服務(wù)。

5 結(jié)論

通過對(duì)海域海島監(jiān)視監(jiān)測(cè)體系研究總結(jié)和南沙區(qū)監(jiān)視監(jiān)測(cè)工作中的實(shí)際應(yīng)用,體現(xiàn)了無(wú)人機(jī)低空遙感在監(jiān)視監(jiān)測(cè)工作中的優(yōu)勢(shì)、廣泛應(yīng)用和豐富成果。充分發(fā)揮現(xiàn)有監(jiān)測(cè)技術(shù)手段的優(yōu)勢(shì),采用無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)為主,輔以無(wú)人機(jī)監(jiān)視監(jiān)測(cè)平臺(tái)的監(jiān)視監(jiān)測(cè)方法,可以顯著提升海域海島監(jiān)視監(jiān)測(cè)作業(yè)效率和水平,拓展和豐富了監(jiān)視監(jiān)測(cè)成果,對(duì)提升管理部門綜合管理能力和實(shí)現(xiàn)科學(xué)用海用島提供重要的技術(shù)保障和充實(shí)的決策基礎(chǔ)。